[논문 리뷰] Carbon monoxide in the solar atmosphere II. Radiative cooling by CO lines

Sven Wedemeyer, M. Steffen|arXiv (Cornell University)|2006. 12. 07.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 태양의 코어와 광화층에서 탄소산화물(CO)을 복사 냉각제로 사용하는 것을 시간에 따라 변화하는 복사화학유체역학 모델을 통해 조사한다. 4.4–6.2 μm 파장 대역에서 Planck 평균을 사용한 CO 선 투과도를 포함하고 시간에 따라 변화하는 CO 화학 반응을 해결함으로써, 모델은 충격파 전면에서 분해가 지연되면서 CO 냉각이 강화됨을 보여주지만, 이로 인한 냉각은 열 구조에 크게 영향을 주지 못할 정도로 너무 느리며, 결과적으로 열 구조는 여전히 충격加열과 역학에 의해 지배된다.

ABSTRACT

The role of carbon monoxide as a cooling agent for the thermal structure of the mid-photospheric to low-chromospheric layers of the solar atmosphere in internetwork regions is investigated. The treatment of radiative cooling via spectral lines of carbon monoxide (CO) has been added to the radiation chemo-hydrodynamics code CO5BOLD. [...] The CO opacity indeed causes additional cooling at the fronts of propagating shock waves in the chromosphere. There, the time-dependent approach results in a higher CO number density compared to the equilibrium case and hence in a larger net radiative cooling rate. The average gas temperature stratification of the model atmosphere, however, is only reduced by roughly 100 K. Also the temperature fluctuations and the CO number density are only affected to small extent. A numerical experiment without dynamics shows that the CO cooling process works in principle and drives the atmosphere to a cool radiative equilibrium state. At chromospheric heights, the radiative relaxation of the atmosphere to a cool state takes several 1000 s. The CO cooling process thus would seem to be too slow compared to atmospheric dynamics to be responsible for the very cool temperature regions observed in the solar atmosphere. The hydrodynamical timescales in our solar atmosphere model are much too short to allow for the radiative relaxation to a cool state, thus suppressing the potential thermal instability due to carbon monoxide as a cooling agent. Apparently, the thermal structure and dynamics of the outer model atmosphere are instead determined primarily by shock waves.

연구 동기 및 목표

• 태양 대기의 중간 광화층에서 저위의 코어층에서 CO가 복사 냉각제로 작용하는 역할을 평가하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 CO 화학 반응과 CO 선 투과도가 열 불안정성을 유도하여 냉각 평형 상태로 이어질 수 있는지 조사하기 위해.
• 균형 상태 가정과 비교할 때, 시간에 따라 변화하는 CO 냉각이 동역학적 태양 대기 모델에서 열 구조에 상당한 영향을 미칠 수 있는지 판단하기 위해.
• CO 냉각으로 인한 복사 회복 시간스케일이 광화층의 유체역학적 시간스케일과 비교하여 어떻게 되는지 평가하기 위해.
• CO 농도와 냉각 효율을 결정하는 데 있어 시간에 따라 변화하는 CO 화학 반응과 즉각적 화학 평형(ICE) 간의 비교를 수행하기 위해.

제안 방법

• CO5BOLD 복사화학유체역학 코드를 확장하여 4.4–6.2 μm 파장 대역에서 Planck 평균을 사용한 CO 투과도를 포함한 복사 냉각을 구현하기 위해 이중 밴드 투과도 접근법을 사용하였다: 연속체는 Rosseland 평균, CO 투과도는 Planck 평균을 사용하였다.
• CO 형성과 해리의 시간에 따라 변화하는 화학 반응 네트워크를 해결하여 즉각적 화학 평형(ICE) 가정을 대체하였다.
• 복사 전달을 두 개의 주파수 밴드로 처리하였다: 하나는 연속체(rosseland 평균), 다른 하나는 CO 밴드(Planck 평균)로, 전체 선 프로파일의 복잡성을 단순화하였다.
• 기계적 가열이 있는지 여부에 따라 2차원 태양 대기 역학을 시뮬레이션하여 CO 냉각이 열 구조에 미치는 영향을 분리하였다.
• 계산의 실현 가능성을 확보하기 위해 SM88과 MU85 기반의 단순화된 LTE 처리를 사용하여 CO 선 냉각을 처리하였다.
• 역학적 운동 없이 수치 실험을 수행하여 CO의 고유한 냉각 능력을 시험하고 복사 평형에 도달하는 데 소요되는 시간스케일을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변화하는 CO 화학 반응이 즉각적 화학 평형과 비교해 충격파 전면에서 더 강한 복사 냉각을 유도하는가?
• RQ2 기계적 가열 없이 CO 선 냉각이 대기를 냉각 평형 상태로 이끌 수 있는가?
• RQ3 CO 냉각의 복사 회복 시간스케일은 광화층의 충격파 유체역학적 시간스케일과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ4 CO 냉각은 태양 대기의 평균 온도 구조와 온도 변동에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 단순화된 이중 밴드 투과도 처리 방식이 2차원 복사유체역학 모델에서 CO 선의 본질적 냉각 효과를 충분히 반영할 수 있는가?

주요 결과

• CO 선 투과도로 인해 파동 전파 중 충격파 전면에서 추가적인 복사 냉각이 발생하며, 이는 분해가 지연되어 ICE 경우보다 더 높은 CO 수밀도를 유도한다.
• 평균 온도 구조는 ICE 경우와 비교해 약 100 K 감소할 뿐이므로 전반적인 냉각 효과는 미약하다.
• 온도 변동과 CO 수밀도 변화는 시간에 따라 변화하는 처리 방식으로 인해 약간만 영향을 받으며, 이는 동역학적 구조에 미치는 영향이 제한적임을 시사한다.
• 역학적 운동이 없는 조건에서 CO 냉각은 대기를 냉각 복사 평형 상태로 이끈다. 그러나 이 회복 시간스케일은 수천 초에 이르며 매우 느리다.
• CO 냉각의 복사 회복 시간스케일은 충격파의 유체역학적 시간스케일에 비해 너무 길어 대기가 냉각 상태에 도달하지 못한다.
• 단순화된 LTE 처리로 인해 과도하게 높은 냉각 속도가 가정되었음에도 불구하고 CO 냉각은 열 구조에 상당한 영향을 주지 못했으며, 실제 냉각 속도는 더욱 작을 것이므로 더욱 작은 영향을 미칠 것임을 시사한다.