[论文解读] Time-dependent hydrogen ionisation in the solar chromosphere. I: Methods and first results

J. Leenaarts, Sven Wedemeyer|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2006

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 14被引用 19

一句话总结

本研究采用CO5BOLD代码，在三维辐射磁流体动力学模拟中引入了太阳色球层中氢的时变非局部热平衡（non-LTE）处理。通过使用固定辐射跃迁速率的六能级氢模型求解速率方程，结果表明，电离度和电子密度与统计平衡存在显著偏差，尤其是在500 km以上高度，非平衡值保持稳定，主要受高温激波波前主导，从而实现了比以往局部热平衡（LTE）假设更真实的辐射转移建模。

ABSTRACT

An approximate method for solving the rate equations for the hydrogen populations was extended and implemented in the three-dimensional radiation (magneto-)hydrodynamics code CO5BOLD. The method is based on a model atom with six energy levels and fixed radiative rates. It has been tested extensively in one-dimensional simulations. The extended method has been used to create a three-dimensional model that extends from the upper convection zone to the chromosphere. The ionisation degree of hydrogen in our time-dependent simulation is comparable to the corresponding equilibrium value up to 500 km above optical depth unity. Above this height, the non-equilibrium ionisation degree is fairly constant over time and space, and tends to be at a value set by hot propagating shock waves. The hydrogen level populations and electron density are much more constant than the corresponding values for statistical equilibrium, too. In contrast, the equilibrium ionisation degree varies by more than 20 orders of magnitude between hot, shocked regions and cool, non-shocked regions. The simulation shows for the first time in 3D that the chromospheric hydrogen ionisation degree and electron density cannot be calculated in equilibrium. Our simulation can provide realistic values of those quantities for detailed radiative transfer computations.

研究动机与目标

• 通过考虑时变非平衡氢电离而非假设统计平衡，提升三维太阳色球层模拟的真实性。
• 解决LTE和瞬时统计平衡在捕捉色球层中电离真实动力学时的局限性，其中弛豫 timescales 超过动力学 timescales。
• 开发并实现一种在三维（M-）HD模拟中计算时变电离和电子密度的计算上可行的方法。
• 通过提供物理上一致的电子密度，实现更准确的色球层谱线和连续谱的合成，用于辐射转移计算。
• 为未来在三维模拟中引入对物态方程的反耦合效应以及多元素时变非局部热平衡（TD-NLTE）处理奠定基础。

提出的方法

• 将基于六能级原子模型和固定辐射跃迁速率的单维时变氢电离方法，扩展至CO5BOLD代码中的三维（M-）HD模拟。
• 采用时变非局部热平衡（TD-NLTE）处理求解氢能级布居数的速率方程，避免瞬时统计平衡的假设。
• 使用从一维模型导出的固定辐射速率以保持计算可行性，尽管承认在三维中由于空间非均匀性可能导致一定误差。
• 直接从时变氢电离状态计算电子密度，取代以往的LTE假设。
• 对其他元素（如Fe、Mg、Si）的贡献仍采用LTE处理，承认在色球层中存在微小误差，尤其在激波区域其贡献约占电子总数的10%。
• 由于计算不可行，未采用完整的三维NLTE辐射传输，而是采用具有固定速率的近似辐射传输方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 与统计平衡假设相比，时变氢电离如何影响三维太阳色球层中的电子密度和电离度？
• RQ2 激波和动态大气变化在多大程度上阻止氢能级布居数达到局部热力学平衡？
• RQ3 尽管缺乏完整的NLTE辐射传输，采用固定辐射速率的简化时变非局部热平衡（TD-NLTE）方法是否能在三维模拟中产生稳定且物理上合理的结果？
• RQ4 非平衡电离对色球层辐射转移建模精度有何影响？
• RQ5 所得电子密度与LTE假设下的结果相比如何？这对谱线合成有何影响？

主要发现

• 在三维模拟中，时变氢电离度在光学深度为1的高度以上500 km以内与平衡值相近，但在该高度以上显著偏离。
• 在500 km以上，非平衡电离度在时间和空间上均保持相对稳定，由传播的高温激波决定，从而形成稳定的电离水平。
• 与统计平衡情形相比，时变模拟中氢能级布居数和电子密度在空间和时间上更加稳定；在统计平衡下，受激波和非激波区域的影响，其值变化超过20个数量级。
• 该模拟首次在三维中表明，色球层氢电离度和电子密度无法通过统计平衡假设准确计算。
• 该方法产生的电子密度比LTE更真实，从而可改进对Ca II H&K、红外线和亚毫米波连续谱等色球层诊断的正向建模。
• 该方法为详细辐射转移计算提供了物理上一致的电子密度快照，克服了预计算LTE查表法在光学厚度和源函数方面存在的局限性。