[论文解读] Millimeter radiation from a 3D model of the solar atmosphere II. Chromospheric magnetic field

M. Loukitcheva, S. M. White+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 41被引用 15

一句话总结

本研究测试了利用三维非局部热动平衡辐射磁流体动力学模拟中的毫米/亚毫米自由自由辐射诊断纵向色球磁场的可行性。结果表明，ALMA类观测可实现对色球磁场的恢复，但因高度平均发射效应导致约10%的系统性低估，证实了该方法在高空间分辨率磁图重建中的潜力，尽管对仪器精度有较高要求。

ABSTRACT

We use state-of-the-art, three-dimensional non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) radiative magnetohydrodynamic simulations of the quiet solar atmosphere to carry out detailed tests of chromospheric magnetic field diagnostics from free-free radiation at millimeter and submillimeter wavelengths (mm/submm). The vertical component of the magnetic field was deduced from the mm/submm brightness spectra and the degree of circular polarization synthesized at millimeter frequencies. We used the frequency bands observed by the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) as a convenient reference. The magnetic field maps obtained describe the longitudinal magnetic field at the effective formation heights of the relevant wavelengths in the solar chromosphere. The comparison of the deduced and model chromospheric magnetic fields at the spatial resolution of both the model and current observations demonstrates a good correlation, but has a tendency to underestimate the model field. The systematic discrepancy of about 10 percent is probably due to averaging of the restored field over the heights contributing to the radiation, weighted by the strength of the contribution. On the whole, the method of probing the longitudinal component of the magnetic field with free-free emission at mm/submm wavelengths is found to be applicable to measurements of the weak quiet-Sun magnetic fields. However, successful exploitation of this technique requires very accurate measurements of the polarization properties (primary beam and receiver polarization response) of the antennas, which will be the principal factor that determines the level to which chromospheric magnetic fields can be measured. Consequently, high-resolution and high-precision observations of circularly polarized radiation at millimeter wavelengths can be a powerful tool for producing chromospheric longitudinal magnetograms.

研究动机与目标

• 评估毫米/亚毫米自由自由辐射在宁静太阳和活动区诊断纵向色球磁场的适用性。
• 评估利用先进三维非局部热动平衡模拟，通过毫米/亚毫米波段圆偏振测量反演磁场的准确性。
• 量化由于发射形成高度平均化贡献和仪器效应导致的磁场重建系统性偏差。
• 确定高空间分辨率、高精度偏振观测（如ALMA）在色球磁图中的可行性。
• 研究仪器偏振特性对磁场重建保真度的影响。

提出的方法

• 利用太阳大气的三维非局部热动平衡（非-LTE）辐射磁流体动力学模拟，建模色球等离子体和磁场。
• 以ALMA频段为参考，合成毫米波和亚毫米波段的亮度谱和圆偏振。
• 从模拟的毫米/亚毫米发射的圆偏振度中提取纵向磁场分量。
• 将反演得到的磁场与辐射有效形成高度处的真实模型磁场进行比较。
• 通过发射贡献函数的强度对磁场进行加权，考虑发射的高度平均贡献。
• 评估仪器弥散效应和偏振响应（包括波束和泄漏项）对磁场重建精度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 毫米和亚毫米波段的自由自由辐射能否可靠诊断色球磁场的纵向分量？
• RQ2 在三维非-LTE模拟中，重建磁场与真实磁场值之间的系统性偏差是多少？
• RQ3 发射形成过程中的高度平均效应如何影响磁场测量的准确性？
• RQ4 仪器偏振特性在多大程度上限制了毫米/亚毫米观测生成色球磁图的精度？
• RQ5 该方法能否实现足够分辨率和精度，以绘制弱宁静区和较强活动区磁场？

主要发现

• 该方法能成功从毫米/亚毫米自由自由辐射中恢复纵向色球磁场，与真实模型磁场具有良好的相关性。
• 由于按发射贡献加权的形成高度范围平均，重建磁场系统性低估约10%。
• 在有效形成高度处，当绝对圆偏振度超过0.01%时，重建磁场的相对误差通常低于10%。
• Severino等（1994）的本影模型预测在9毫米波段圆偏振度为5%，在3毫米波段为1%；而Fontenla等（2011）模型预测分别为6%和3%。
• 该方法对仪器弥散具有鲁棒性，仅使极端值平滑，未显著降低整体磁场恢复精度。
• 高精度测量天线偏振响应和主波束特性被确定为准确色球磁图重建的主要限制因素。