[论文解读] 3-D non-LTE radiative transfer effects in Fe I lines: II. Line formation in 3-D radiation hydrodynamic simulations

R. Holzreuter, S. K. Solanki|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 39被引用 30

一句话总结

本研究利用3-D辐射流体动力学模拟，研究了太阳Fe I谱线中三维非局部热动平衡（NLTE）辐射转移效应，比较了三维NLTE、一维NLTE和LTE近似。结果表明，与一维NLTE相比，水平方向的辐射转移使谱线对比度减弱20%–30%，并可能引致高达200 K的温度反演误差，与LTE相比，谱线深度差异可达20%，强调了在高分辨率太阳光谱学中采用三维NLTE的必要性。

ABSTRACT

We investigate the effects of horizontal radiative transfer (RT) a NLTE on important diagnostic iron lines in a realistic 3-D HD simulation. Using a multi-level atom we compute and compare widely used Fe I line profiles at 3 different levels of approximation (3-D NLTE, 1-D NLTE, LTE). We find that the influence of horizontal RT is of the same order of magnitude as that of NLTE, although spatially more localized. Also, depending on the temperature of the surroundings, horizontal RT is found to weaken or strengthen spectral lines. Line depths and equivalent width may differ by up to 20% against the corresponding LTE value if 3-D RT is applied. Residual intensity contrasts in LTE are found to be larger than those in 3-D NLTE by up to a factor of two. When compared to 1-D NLTE, we find that horizontal RT weakens the contrast by up to 30% almost independently of the angle of line of sight. While the CLV of the 1-D and 3-D NLTE contrasts are of similar form, the LTE contrast CLV shows a different run. The determination of temperatures by 1-D NLTE inversions of spatially resolved observations may produce errors of up to 200 K if one neglects 3-D RT. We find a linear correlation between the intensity difference of 1-D and 3-D NLTE and a simple estimate of the temperature in the horizontal environment of the line formation region. This correlation could be used to coarsely correct for the effects of horizontal RT in inversions done in 1-D NLTE. Horizontal RT is less important if one considers spatially averaged line profiles because local line strengthening and weakening occur with similar frequency in our HD atmosphere. Thus, the iron abundance is underestimated by 0.012 dex if calculated using 1-D NLTE RT. Since effects of horizontal RT are largest for spatially resolved quantities, the use of 3-D RT is particularly important for the interpretation of high spatial resolution observations.

研究动机与目标

• 评估水平方向辐射转移（RT）对真实三维太阳大气中Fe I谱线形成的影响。
• 量化非局部热动平衡（NLTE）效应与三维RT共同作用对谱线轮廓的影响，特别是在颗粒状区域和颗粒间区域。
• 评估在空间分辨太阳观测的一维NLTE反演中忽略三维RT的后果。
• 建立环境温度差异与由于水平RT导致的谱线轮廓偏离之间的相关性。
• 确定当忽略三维RT时，对铁丰度测定和温度诊断的影响。

提出的方法

• 采用MURAM代码的3-D辐射流体动力学模拟快照，以模拟真实的太阳大气条件。
• 应用多能级铁原子模型，计算在三种RT近似下（三维NLTE、一维NLTE和LTE）的Fe I谱线轮廓。
• 进行包含水平光子传输的完整三维几何辐射转移计算，以捕捉非局部效应。
• 比较不同大气区域和不同观测角度下的谱线轮廓、等效宽度及对比度变化。
• 通过统计相关性量化水平环境温度梯度对谱线深度和强度的影响。
• 利用环境温度与谱线深度比之间的观测相关性，提出一种粗略校正方法，用于一维NLTE反演中的三维RT效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 与一维NLTE和LTE相比，水平辐射转移效应在三维非局部热动平衡条件下如何改变Fe I谱线轮廓？
• RQ2 水平RT对颗粒状和颗粒间区域谱线深度和等效宽度的影响程度及其空间分布如何？
• RQ3 谱线形成区域与其水平周围环境之间的温度差异如何影响谱线的减弱或增强？
• RQ4 当在空间分辨观测中使用一维NLTE反演时，三维NLTE效应在多大程度上扭曲了温度反演结果？
• RQ5 能否利用环境温度与谱线深度比之间的简单经验相关性，对一维NLTE反演中的三维RT效应进行校正？

主要发现

• 与一维NLTE相比，水平辐射转移使谱线对比度降低20%–30%，使残留强度对比度降至LTE值的一半左右。
• 在三维NLTE中，谱线深度和等效宽度与LTE值的差异可达20%，主要出现在颗粒边界附近强水平温度梯度的区域。
• 水平RT的影响程度与NLTE效应处于同一数量级，但空间分布更集中，最强影响出现在温度反演区域附近。
• 一维/三维NLTE谱线深度比与谱线形成区域及其水平环境之间的温度差之间存在线性相关性，灵敏度为每100 K变化1%–2%。
• 当忽略水平RT时，基于一维NLTE的温度反演误差可达200 K，若将一维NLTE与三维RT误差叠加，累积误差可能达300–400 K。
• 由于未考虑水平RT效应，使用一维NLTERT计算的铁丰度会低估0.012 dex，尽管空间平均谱线仅显示约1%的差异。