[论文解读] The solar photospheric nitrogen abundance. Analysis of atomic transitions with 3D and 1D model atmospheres

E. Caffau, E. Maiorca+6 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Mar 19, 2009

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 29被引用 69

一句话总结

本研究利用原子谱线，结合3D流体动力学（CO 5 BOLD）和1D模型大气，考虑非局部热动平衡（NLTE）及米粒组织效应，测定太阳光球层氮的丰度。作者推荐A(N) = 7.86 ± 0.12，当与更新的氧和氖丰度结合时，得到太阳金属量Z = 0.0156，Z/X = 0.0213，使光球层丰度与日震学约束更加一致。

ABSTRACT

CONTEXT: In recent years, the solar chemical abundances have been studied in considerable detail because of discrepant values of solar metallicity inferred from different indicators, i.e., on the one hand, the "sub-solar" photospheric abundances resulting from spectroscopic chemical composition analyses with the aid of 3D hydrodynamical models of the solar atmosphere, and, on the other hand, the high metallicity inferred by helioseismology. AIMS: After investigating the solar oxygen abundance using a CO5BOLD 3D hydrodynamical solar model in previous work, we undertake a similar approach studying the solar abundance of nitrogen, since this element accounts for a significant fraction of the overall solar metallicity, Z. METHOD: We used a selection of atomic spectral lines to determine the solar nitrogen abundance, relying mainly on equivalent width measurements in the literature. We investigate the influence on the abundance analysis, of both deviations from local thermodynamic equilibrium ("NLTE effects") and photospheric inhomogeneities ("granulation effects"). RESULTS: We recommend use of a solar nitrogen abundance of A(N)=7.86+-0.12 whose error bar reflects the line-to-line scatter. CONCLUSION: The solar metallicity implied by the CO5BOLD-based nitrogen and oxygen abundances is in the range 0.0145<= Z <= 0.0167. This result is a step towards reconciling photospheric abundances with helioseismic constraints on Z. Our most suitable estimates are Z=0.0156 and Z/X=0.0213.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱线和先进的3D模型大气测定太阳光球层氮的丰度。
• 评估非局部热动平衡（NLTE）效应和光球米粒组织对氮丰度测定的影响。
• 调和光球层丰度测定与日震学对太阳金属量（Z）的约束。
• 评估当前太阳光谱图集的一致性，并识别谱线测量中的系统性不确定度。
• 通过结合更新的N、O和Ne丰度与既定的C和Ne值，提供太阳金属量的稳健估计。

提出的方法

• 利用高分辨率太阳光谱图集中的等效宽度测量分析原子氮谱线。
• 应用CO 5 BOLD 3D流体动力学太阳模型大气计算辐射转移和谱线形成。
• 引入非局部热动平衡（NLTE）修正，以考虑谱线形成过程中偏离局部热动平衡的影响。
• 比较3D与1D模型大气的结果，量化大气非均匀性（米粒组织效应）的影响。
• 基于丰度测定中谱线间的离散度进行系统误差估计，以推导最终不确定度。
• 将推导出的氮丰度与文献中氧、氖和碳的值结合，计算总太阳金属量（Z）和Z/X。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用3D模型大气和NLTE修正分析时，太阳光球层氮的丰度是多少？
• RQ2 米粒组织效应和非局部热动平衡偏离如何影响推导出的氮丰度？
• RQ3 更新的氮丰度在多大程度上减少了光球层与日震学金属量估计之间的差异？
• RQ4 历史太阳光谱图集之间的差异如何影响丰度测定？
• RQ5 当结合新的氮丰度与氧、氖和碳的既定值时，得到的太阳金属量（Z）是多少？

主要发现

• 推荐的太阳氮丰度为A(N) = 7.86 ± 0.12，反映谱线间离散度，并考虑了3D和NLTE效应。
• 3D模型大气使氮丰度低于1D模型，但差异小于以往假设的值。
• 本研究识别出历史太阳光谱图集之间存在显著不一致，引入的系统性不确定度大于噪声水平。
• 当结合新的N和O丰度与Grevesse & Sauval (1998)的Ne和C值时，推导出的太阳金属量为Z = 0.0156，Z/X = 0.0213。
• 该金属量范围（0.0145 ≤ Z ≤ 0.0167）使光球层丰度与日震学约束更加一致，后者推断Z ≈ 0.017–0.024。
• 结果表明，光球层与日震学金属量估计之间的张力显著减小，尽管尚未完全消除。