Three-dimensional simulations of magneto-convection in the solar photosphere

Abstract

Die Wechselwirkungen zwischen konvektiven Strömungen und Magnetfeldern in der Sonnenphotosphäre und den obersten Schichten der Konvektionszone spielen eine wichtige Rolle für viele Phänomene von Sonnenaktivität und für die Heizung der darüberliegenden Schichten der Sonnenatmosphäre. Da in der Photosphäre Strahlung Konvektion als beherrschenden Transportmechanismus für Energie ablöst, hat der Energieaustausch zwischen Plasma und Strahlungsfeld entscheidenden Einfluss auf die Energiebalance der Photosphäre. Dieser Energieaustausch bestimmt die Temperaturstruktur der Photosphäre und ist für den starken Entropieabfall verantwortlich, der den Hauptantrieb für Konvektion darstellt. Daher ist die akkurate Modellierung von Strahlungseffekten ein wichtiger Bestandteil realistischer Simulationen der Photosphäre.In dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung zwischen Konvektion, Magnetfeldern und Strahlungsfeld in Plage-Gebieten der Sonnenphotosphäre mittels dreidimensionaler magnetohydrodynamischer Simulationen untersucht. Wir haben einen bestehenden MHD Simulationscode modifiziert und erweitert, um ihn an die Anforderung realistischer Photosphärensimulationen anzupassen. Zu diesem Zweck wurde ein Strahlungstransportmodul entwickelt, das die Strahlungstransportgleichung unter der Annahme von lokalem thermischen Gleichgewicht löst. Die Frequenzabhängigkeit des Strahlungstransports wird dabei mittels einer opacity-binning Technik berücksichtigt. Weitere Modifikationen des Codes betreffen die Berücksichtigung von partieller Ionisation, die Entwicklung einer offenen unteren Randbedingung und die Einführung von Hyperdiffusivitäten zur Erhöhung der numerischen Stabilität. In umfangreichen Tests hat sich gezeigt, dass das opacity-binning Verfahren eine wesentliche Verbesserung gegenüber einem grauen (frequenzunabhängigen) Strahlungstransport darstellt, insbesondere dann, wenn horizontale Inhomogenitäten in der oberen Photosphäre zu seitlicher Strahlungsheizung und -kühlung führen.Mit Hilfe des entwickelten Codes haben wir eine typische Plage-Region auf der Sonne mit einer mittleren Feldstärke von 200 Gauss simuliert. Ein anfänglich homogenes Magnetfeld wird dabei durch die konvektiven Strömungen verstärkt und in das Netzwerk der konvektiven Abstromgebiete transportiert. Dort beobachten wir die Ausbildung von dünnen blattartigen magnetischen Strukturen entlang von intergranularen Bahnen, sowie die kontinuierliche Entstehung und anschliessenden Zerfall von Mikroporen mit Durchmessern von bis zu 1000 km und Maximalfeldstärken von etwa 2000 Gauss. In der vorliegenden Arbeit präsentieren wir Untersuchungen zu Morphologie, Entwicklung und statistischen Eigenschaften der Magnetfeldstrukturen und analysieren den Zusammenhang zwischen ihrer Feldstärke und Helligkeit.Der Vergleich zwischen Simulationen mit frequenzabhängigem ("nichtgrauen") und grauem Strahlungstransport zeigt, dass nichtgraue Effekte Temperaturfluktuationen in der oberen Photosphäre deutlich reduzieren und die Heizung von magnetischen Elementen durch die zusätzliche Absorption heißer Strahlung verstärken.