[论文解读] Carbon monoxide in the solar atmosphere II. Radiative cooling by CO lines

Sven Wedemeyer, M. Steffen|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 21被引用 3

一句话总结

本研究利用时间依赖的辐射-化学-流体动力学模型，调查了二氧化碳（CO）在太阳色球层和光球层中作为辐射冷却剂的作用。通过在4.4–6.2 μm波段采用普朗克平均法计算CO谱线光学厚度，并求解时间依赖的CO化学反应，模型表明：由于解离延迟，CO冷却在激波前缘被增强，但其冷却速率过慢，无法显著改变热结构，该结构仍主要由激波特性和动力学过程主导。

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.

研究动机与目标

• 评估CO在太阳大气中层光球层至低色球层中作为辐射冷却剂的作用。
• 研究时间依赖的CO化学反应及CO谱线光学厚度是否能引发热不稳定性，导致冷却平衡态。
• 确定CO冷却是否能显著改变动态太阳大气模型中的热结构，与平衡假设相比。
• 评估CO冷却引起的辐射弛豫 timescale 与色球层中流体动力学 timescale 的相对关系。
• 比较时间依赖的CO化学反应与瞬时化学平衡（ICE）在确定CO丰度和冷却效率方面的差异。

提出的方法

• 扩展了CO5BOLD辐射-化学-流体动力学代码，通过双带光学厚度方法引入CO谱线的辐射冷却：连续谱采用Rosseland平均，CO光学厚度在4.4–6.2 μm波段采用Planck平均。
• 求解CO形成与解离的时间依赖化学反应网络，取代瞬时化学平衡（ICE）假设。
• 在两个频率波段处理辐射传输：一个用于连续谱（Rosseland平均），一个用于CO波段（Planck平均），以简化完整线型的复杂性。
• 模拟了有无机械加热的2D太阳大气动力学，以隔离CO冷却对热结构的影响。
• 采用简化的局部热动平衡（LTE）处理CO谱线冷却，基于SM88和MU85方法，以使多维模拟计算可行。
• 进行了无动力学的数值实验，以测试CO的本征冷却能力，并评估其达到辐射平衡的弛豫 timescale。

实验结果

研究问题

• RQ1 与瞬时化学平衡相比，时间依赖的CO化学反应是否会在激波前缘导致增强的辐射冷却？
• RQ2 在无机械加热的条件下，CO谱线冷却是否能驱动大气趋向于冷却的辐射平衡状态？
• RQ3 CO冷却的辐射弛豫 timescale 与色球层中激波的流体动力学 timescale 相比如何？
• RQ4 CO冷却在多大程度上改变了太阳大气的平均温度分层及温度波动？
• RQ5 简化的双带光学厚度处理是否足以在2D辐射流体动力学模型中捕捉CO谱线的关键冷却效应？

主要发现

• CO谱线光学厚度导致传播激波前缘出现额外的辐射冷却，这是由于解离延迟所致，因此CO数密度高于ICE情况。
• 与ICE情况相比，平均温度分层仅降低约100 K，表明整体冷却效应微弱。
• 温度波动和CO数密度变化仅受时间依赖处理的轻微影响，表明对动态结构影响有限。
• 在无动力学条件下，CO冷却可驱动大气趋向于冷却的辐射平衡状态，但弛豫 timescale 达数千秒。
• CO冷却的辐射弛豫 timescale 过长，无法与激波的流体动力学 timescale 匹配，导致大气无法达到冷却状态。
• 即使由于简化LTE处理导致冷却速率被高估，CO冷却仍无法显著改变热结构，表明真实冷却效应的影响会更小。