[论文解读] Carbon monoxide in the solar atmosphere I. Numerical method and two-dimensional models

Sven Wedemeyer, I. Kamp+2 more|ArXiv.org|Mar 23, 2005

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 24

一句话总结

本研究在CO5BOLD辐射流体动力学代码中构建了一个时变化学反应网络，用以模拟太阳光球层和低色球层中一氧化碳（CO）的形成与破坏。研究发现，CO主要集中在中光球层高度的较冷、反向 granulation 区域，而仅在高温色球层激波中才会出现显著偏离化学平衡的现象，此时氢氧化物（OH）介导的反应主导了CO的生成与破坏。

ABSTRACT

The radiation hydrodynamic code CO5BOLD has been supplemented with the time-dependent treatment of chemical reaction networks. Advection of particle densities due to the hydrodynamic flow field is also included. The radiative transfer is treated frequency-independently, i.e. grey, so far. The upgraded code has been applied to two-dimensional simulations of carbon monoxide (CO) in the non-magnetic solar photosphere and low chromosphere. For this purpose a reaction network has been constructed, taking into account the reactions which are most important for the formation and dissociation of CO under the physical conditions of the solar atmosphere. The network has been strongly reduced to 27 reactions, involving the chemical species H, H2, C, O, CO, CH, OH, and a representative metal. The resulting CO number density is highest in the cool regions of the reversed granulation pattern at mid-photospheric heights and decreases strongly above. There, the CO abundance stays close to a value of 8.3 on the usual logarithmic abundance scale with [H]=12 but is reduced in hot shock waves which are a ubiquitous phenomenon of the model atmosphere. For comparison, the corresponding equilibrium densities have been calculated, based on the reaction network but also under assumption of instantaneous chemical equilibrium by applying the Rybicki & Hummer (RH) code by Uitenbroek (2001). Owing to the short chemical timescales, the assumption holds for a large fraction of the atmosphere, in particular the photosphere. In contrast, the CO number density deviates strongly from the corresponding equilibrium value in the vicinity of chromospheric shock waves. Simulations with altered reaction network clearly show that the formation channel via hydroxide (OH) is the most important one under the conditions of the solar atmosphere.

研究动机与目标

• 使用时变化学反应网络模拟太阳大气中一氧化碳（CO）的空间与时间分布。
• 评估在太阳大气条件下，瞬时化学平衡（ICE）近似在模拟CO丰度时的有效性。
• 识别光球层和色球层中CO形成与离解的主要化学路径。
• 评估化学非平衡效应对CO数密度的影响，特别是在动态、高温区域如色球层激波中。
• 验证升级后的CO5BOLD代码在太阳和恒星大气中准确处理CO化学的能力。

提出的方法

• 在CO5BOLD辐射流体动力学代码中扩展了对包含27个关键反应的简化化学反应网络的时变处理。
• 纳入了由流体动力学流动引起的化学物质输运以及频率无关的灰辐射转移。
• 构建了一个最小反应网络，包含H、H2、C、O、CO、CH、OH以及一种代表性金属，排除了氮化学。
• 使用3D流体动力学模型的一个2D快照进行模拟，以研究光球层和低色球层中的CO分布。
• 将时变结果与使用Rybicki & Hummer（RH）代码获得的瞬时化学平衡（ICE）结果进行比较。
• 通过改变反应网络进行敏感性测试，以隔离特定反应路径（尤其是OH和CH）的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 与瞬时化学平衡相比，化学反应的时变处理如何影响CO在太阳光球层和低色球层中的空间分布？
• RQ2 在太阳大气条件下，CO的形成与破坏主要由哪些化学路径主导——OH、CH还是辐射结合？
• RQ3 在太阳大气的哪些区域，CO的瞬时化学平衡假设会失效？
• RQ4 包含流体动力学输运和辐射冷却如何影响激波等动态结构中的CO数密度？
• RQ5 氮化学在太阳大气中CO丰度中的相关性有多大，特别是在光球层和色球层中？

主要发现

• CO数密度在中光球层高度（τ500 ≈ 1）的反向granulation结构较冷区域达到峰值，且随高度迅速降低。
• 在较冷区域，CO丰度保持在log 10 [CO] = 8.3（相对于[H] = 12），但在高温色球层激波中显著下降。
• 偏离瞬时化学平衡（ICE）的现象在高温激波波峰处最为显著，此时化学时间尺度超过动力学时间尺度。
• 氢氧化物（OH）是CO形成与破坏的主要媒介，CH路径贡献较小，该结论得到反应网络敏感性测试的证实。
• 排除氮化学对光球层和低色球层中CO丰度影响可忽略不计，尽管在高温激波中心区域会使CO减少多达五个数量级——而这些区域原本CO已极低。
• 时变模拟结果与观测数据及先前的理论工作高度一致，验证了升级后的CO5BOLD代码在后续三维模拟和恒星应用中的可靠性。