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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-51485
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5148/


3D radiative transfer in arbitrary velocity fields: The Eulerian approach

3D Strahlungstransport mit beliebigen Geschwindigkeitsfeldern: Das Euler Verfahren

Seelmann, Andreas

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Astronomie , Atmosphre , Atmosphrische Turbulenz , Strahlungstransport
Freie Schlagwörter (Deutsch): Strahlungstransport, bewegte Atmosphären
Freie Schlagwörter (Englisch): radiative transfer, moving atmopsheres
Basisklassifikation: 39.20 , 39.22 , 39.99
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hauschildt, Peter H. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.04.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 19.05.2011
Kurzfassung auf Englisch: This work describes the treatment of arbitrary velocity fields in radiative transfer problems with focus on stellar/planetary atmospheres. In general, the influence of velocity fields onto the radiative transfer equations can be described in two reference frames: The Lagrangian and the Eulerian frame. In this thesis, a new Eulerian frame formulation of arbitrary velocity fields in three spatial dimensions is developed including a modified operator splitting scheme in order to handle scattering in the Eulerian frame. The newly developed method is tested in a two-level atom test framework in spherical
geometry. It is compared to a well tested, spatial one dimensional, Lagrangian frame formulation with the help of the general purpose stellar atmosphere code PHOENIX. The comparison revealed diverences in specific test setups between the two formulations. Those differences were reviewed in detail and constraints on the usability of the Eulerian frame formalism are posed. After the limitations have been clarified, the Eulerian frame method was modified to handle 'real world' absorption of atoms and molecules in local thermo-dynamical equilibrium. A spectrum of a simple G-type stellar atmosphere with a linearly increasing velocity field in spherical geometry is calculated in both frames and the results are compared. The Eulerian frame formalism is extend to other, spatial three dimensional, geometries:
Cartesian coordinates with and without periodic boundary conditions and cylindrical coordinates. The influence of an atmospheric velocity field onto the spectrum formation is shown for a model atmosphere with atoms and molecules in local thermodynamic equilibrium. This extension of the Eulerian frame formalism allows the computation of spectra from, e.g., solar convection models in cartesian geometry and circumstellar discs models
in cylindrical geometry with arbitrary velocity fields. Then, a snapshot from a solar convection model with an inherent velocity field is used as input into the Eulerian frame radiative transfer calculation and the resulting spectrum is shown. A snapshot from a intermediate global circulation Hot Jupiter model is used as input and the emergent spectra are presented.
The Eulerian frame radiative transfer calculation has been implemented in the stellar atmosphere code PHOENIX with two modes: The necessary (opacity) data can be read from a file or kept in memory. The calculation is very time consuming, therefore, an idea of how to speed up the calculation on modern supercomputers is given. The agreement between the Eulerian and the Lagrangian formalism is shown to be excellent as long a the limitations are considered. The new formulation of arbitrary velocity fields in the Eulerian frame will allow, together with the stellar atmosphere code PHOENIX,
the computation of three dimensional models of stellar/planetary atmospheres with a correct treatment of arbitrary, atmospheric velocity fields.
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Doktorarbeit beschreibt die Behandlung von beliebigen Geschwindigkeitsfeldern in Strahlungstransportproblemen im Hinblick auf Stern-/ Planetenatmosphären. Der Einfluss von Geschwindigkeitsfeldern auf die Strahlungstransportgleichungen kann in zwei Bezugssystemen beschrieben werden: Dem Lagrange und dem Euler Bezugssystem. In dieser Arbeit wird die Behandlung von beliebigen Geschwindigkeitsfeldern in einem räumlich dreidimensionalen Euler Bezugssystem entwickelt sowie eine modifiziertes 'operator splitting' schema um Streuung im Euler Bezugssystem zu berücksichtigen. Die neue Methode wird in einer zwei-Level Atom Umgebung in sphärische Koordinaten getestet. Sie wird mit Hilfe des Sternatmospären Codes PHOENIX mit einer 'gut getesteten', räumlich eindimensionalen Langrange Formulierung verglichen. Im Vergleich ergeben sich Unterschiede für bestimme Konfigurationen. Diese Unterschiede werden im Detail untersucht und Einschränkungen der Formulierung im Euler Bezugssystem werden aufgestellt. Nachdem diese Einschränkungen spezifiziert wurden, wird die Behandlung auf Absorption 'echter' Atome und Moleküle im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht im Euler Bezugssystem ausgedehnt. Ein Spektrum einer G-Typ Sternatmosphäre mit linear ansteigendem Geschwindigkeitsfeld wird in beiden Bezugssystemen berechnet und verglichen.
Die Formulierung im Euler Bezugssystem wird auf andere, räumlich dreidimensionale Geometrien ausgeweitet: Kartesische Koordinaten mit und ohne periodischen Randbedingungen und Zylinderkoordinaten. Der Einfluss eines atmosphärischen Geschwindigkeitsfeldes auf die Bildung des Spektrums in Modellatmosphären mit Atomen und Molekülen im lokalen thermodynamischen Gleichgewichts wird gezeigt. Diese Erweiterung des Euler Formalismuses mit beliebigen Geschwindigkeitsfeldern erlaubt die Berechnung von Spektren von, z.B., solaren Konvektionsmodellen in kartesischen und zirkumstellaren Scheiben in zylindrischen Koordinaten. Eine Momentaufnahme eines solaren Konvektionsmodelles mit Geschwindigkeitsfeld wird als Input in den Euler Formalismus benutzt und das austretende Spektrum wird gezeigt. Eine Momentaufnahme von einem globalen Zirkulationsmodell eines Hot Jupiters wird benutzt und das Spektrum wird gezeigt. Der Euler Formalismus wurde auf zwei Arten in den Sternatmosphärencode PHOENIX implementiert: Die benötigen (Opazitäts) Daten können aus Dateien oder aus dem Computerspeicher gelesen werden. Die Berechnung ist sehr zeitintensiv, darum wurden Ideen
entwickelt, wie man die Rechnung auf modernen Supercomputern beschleunigen kann. Die Übereinstimmung der Euler zu der Lagrange Formulierung ist exzellent, sofern die Einschränkungen beachtet werden. Die neue Beschreibung von beliebigen Geschwindigkeitsfeldern im Euler Bezugssystem ermöglicht, zusammen mit dem Sternatmosphärencode PHOENIX , 'realistische', dreidimensionale Modelle von Sternatmosphären mit der korrekten Behandlung von beliebigen, atmosphärischen Geschwindigkeitsfeldern.

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