[论文解读] 3-D non-LTE radiative transfer effects in Fe I lines: III. Line formation in magneto-hydrodynamic atmospheres

R. Holzreuter, S. K. Solanki|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 28被引用 13

一句话总结

本研究调查了太阳 plage 区域磁流体动力学（MHD）模拟中 Fe I 线的三维非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移效应，发现水平辐射转移导致磁性结构中心的谱线显著增强——这与理想化一维模型的预期相反。该效应源于磁性结构周围致密、冷却的下冲流减少了紫外辐射照射，导致电离度降低，从而产生比一维非局部热动平衡计算更强的谱线。

ABSTRACT

Non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) effects in diagnostically important solar Fe I lines are important due to the strong sensitivity of Fe I to ionizing UV radiation, which may lead to a considerable under-population of the Fe I levels in the solar atmosphere and, therefore, to a sizeable weakening of Fe I lines. Such NLTE effects may be intensified or weakened by horizontal radiative transfer (RT) in a three-dimensionally (3-D) structured atmosphere. We analyze the influence of horizontal RT on commonly used Fe I lines in a snapshot of a 3-D radiation magneto-hydrodynamic (MHD) simulation of a plage region. NLTE- and horizontal RT effects occur with considerable strength (up to 50% in line depth or equivalent width) in the analyzed snapshot. As they may have either sign and both signs occur with approximately the same frequency and strength, the net effects are small when considering spatially averaged quantities. The situation in the plage atmosphere turns out to be rather complex. Horizontal transfer leads to line-weakening relative to 1-D NLTE transfer near the boundaries of kG magnetic elements. Around the centers of these elements, however, we find an often significant line-strengthening. This behavior is in contrast to that expected from previous 3-D RT computations in idealized flux-tube models, which display only a line weakening. The origin of this unexpected behavior lies in the fact that magnetic elements are surrounded by dense and relatively cool down-flowing gas, which forms the walls of the magnetic elements. The continuum in these dense walls is often formed in colder gas than in the central part of the magnetic elements. Consequently, the central parts of the magnetic element experience a sub-average UV-irradiation leading to the observed 3-D NLTE line strengthening.

研究动机与目标

• 评估三维非局部热动平衡辐射转移对真实 MHD 模拟中 plage 区域 Fe I 谱线形成的影响。
• 研究水平辐射转移与一维非局部热动平衡及局部热动平衡近似相比如何改变谱线轮廓。
• 解决理想化薄管模型与复杂 MHD 大气之间关于谱线减弱或增强效应的差异。
• 量化周围下冲流在调节紫外辐射场并因此调控磁性结构中非局部热动平衡能级分布中的作用。
• 评估薄管近似在模拟太阳光球层真实磁性结构时的局限性。

提出的方法

• 使用 MURAM 代码生成的三维辐射 MHD 模拟快照作为大气模型输入。
• 对 Fe I 线应用包含原子能级布居计算的完整 Stokes 矢量辐射转移计算，并采用非局部热动平衡处理。
• 在三维非局部热动平衡中引入水平辐射转移，考虑大气中各向异性的辐射场。
• 将三维非局部热动平衡、一维非局部热动平衡和局部热动平衡计算得到的谱线轮廓进行比较，以分离三维几何结构与非局部热动平衡物理效应的影响。
• 采用包含精确碰撞和辐射跃迁速率的详细 Fe I 模型原子，以确保真实的能级布居计算。
• 分析空间分辨的谱线轮廓和等效宽度，以量化与一维非局部热动平衡预测的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 与一维非局部热动平衡模型相比，三维非局部热动平衡辐射转移效应如何改变真实 MHD plage 大气中 Fe I 谱线轮廓？
• RQ2 水平辐射转移在增强或抑制磁性结构中谱线强度方面起什么作用？
• RQ3 为何在 MHD 模拟中，尽管周围米粒组织具有强烈的紫外辐射，磁性结构中心仍表现出谱线增强？
• RQ4 周围下冲流如何影响紫外辐射场，从而改变磁性结构中的电离平衡？
• RQ5 薄管近似在多大程度上无法捕捉复杂三维磁性结构中真实的辐射转移行为？

主要发现

• 水平辐射转移在三维 MHD 大气中可导致 Fe I 谱线深度或等效宽度最多出现 50% 的减弱或增强。
• 由于磁性结构周围较冷、较密的下冲流减少了紫外辐射照射，kG 级磁性结构中心出现谱线增强。
• 周围下冲流气体起到辐射屏蔽作用，使得实际到达磁性结构中心的有效紫外通量低于一维非局部热动平衡假设下的值。
• 谱线减弱现象仅在磁性结构边缘附近出现，而非其中心，这与理想化薄管模型的预测相矛盾。
• 由于大气中增强与减弱效应相互抵消，三维非局部热动平衡与一维非局部热动平衡计算的空间平均谱线轮廓非常相似。
• 薄管近似无法再现真实磁性结构复杂辐射环境的特征，特别是周围下冲流的屏蔽效应。