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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-71861
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7186/


3D Super Level non-LTE Radiative Transfer for Molecules

3D Super Level non-LTE Strahlungstransport für Moleküle

Berkner, Alexander

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (12.049 KB) 


SWD-Schlagwörter: Strahlungstransport , NLTE , Molekül , Dimension 3 , Sternatmosphäre
Freie Schlagwörter (Englisch): 3D radiative transfer , NLTE , stellar atmospheres , molecules
Basisklassifikation: 39.22
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hauschildt, Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.01.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 26.02.2015
Kurzfassung auf Englisch: Non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) effects are relevant in regions, where strong radiation fields dominate the level populations so that they can not be determined using Boltzmann statistics. In many cases, this is true for optically thin regions with low temperature and pressure that are also rich in molecules. However, due to the fact that
molecules have a large number of excited states, solving the rate equations directly is computationally expensive, especially for large scale 3D simulations.
To overcome this problem, a “super level“ algorithm was implemented. Here, individual actual levels are combined into super levels reducing the rank of the equation system that needs to be solved. The new implementation was tested extensively and was able to reproduce the results of the well tested 1D implementation.
Results did show that combining actual levels into super levels can reduce the compu- tational demands. In particular, the memory requirements were reduced significantly, as the full NLTE calculations were proven to exceed available memory even for a single voxel.
While still a huge amount of computing time is necessary to calculate the radiative rates, a significant speed-up with respect to the solution of the rate equations was achieved.
During tests of the super level method, the accuracy of the full NLTE solution using actual levels was mostly retained, granted that the logic sorting levels into super levels reflects the physical conditions. In cool stellar atmospheres, several super level configurations that include energy as a criterion have proven to be accurate. Another method that combined levels with large energy ranges into super levels could not reproduce the full NLTE effects in.
In the two atmosphere structures tested, the NLTE effects for the CO molecule proved to be limited to the ∆ν = 1 band. The ∆ν = 2 CO lines in the mid infrared were shown to form at a depth that is mostly unaffected by NLTE effects as the collisional rates are still large.
A small zone of locally reduced temperature was introduced into an M-dwarf atmosphere, were NLTE effects were shown to be persistent in the entire upper atmosphere, as well as a solar like G-type atmosphere, where no strong NLTE effects were present outside the temperature anomaly. In both cases, the reduced temperature caused strong NLTE effects, changing the opacity structure of the entire atmosphere. This produced a significant influence on the resulting surface profiles and the outgoing spectrum. While the surface brightness is linked directly to the temperature structure in LTE, NLTE effects act as an equalizer between hot and cool regions, spreading the effects of the low temperature zone beyond its physical limits, reducing the maximum contrast. This effect
is caused by the NLTE opacities affecting the depth at which a line is formed. This indicates the influence that NLTE effects have on the temperature structure already seen in 1D models.
Kurzfassung auf Deutsch: Effekte des nicht-lokalen thermodynamischen Gleichgewichts (NLTE) sind dort relevant, wo das Strahlungsfeld die Besetzung der Zustände bestimmt, so dass die Besetzungszahlen nicht der Boltzmann-Statistik genügen. In vielen Fällen ist dies in optischen dünnen Regionen mit geringer Temperatur und geringem Druck der Fall, welche reich an Molekülen
sind. Aufgrund der großen Anzahl an Zuständen erfordert die Lösung der Ratengleichungen für Moleküle allerdings viel Rechenzeit.
Um dieses Problem zu umgehen, wurde der Super-Level Algorithmus implementiert. Dieser kombiniert einzelne Molekül-Zustände zu Super-Zuständen oder auch Super-Leveln. Hierdurch wird die Ordnung des Gleichungssystems, welches gelöst werden muss, verringert. Die neue Implementation wurde ausgiebig getestet und konnte Ergebnisse der gut
getesteten 1D Implementation erfolgreich reproduzieren.
Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Zusammenfassung in Super-Level die rechentechnischen Anforderungen senkt. In erster Linie wird der Speicher-Verbrauch erheblich reduziert, was notwendig ist, da eine Rechnung in vollem NLTE selbst für nur einen Voxel den zur Verfügung stehenden Speicher übersteigt. Die benötigte Rechenzeit zur Lösung der Ratengleichungen konnte erheblich reduziert werden, so dass sie im Vergleich zur Berechnung der Strahlungsraten kaum noch eine Rolle spielt.
Der Super-Level Algorithmus produzierte Ergebnisse, welche gut mit den Ergebnissen einer vollen NLTE Rechnung übereinstimmten, vorausgesetzt die Sortierung der Level in Super-Level spiegelte die physikalischen Gegebenheiten wieder. In kühlen Atmosphären haben sich mehrere Methoden, welche Energie als eines der Kriterien verwenden, als akkurat erwiesen. Eine Methode, in der Zustände mit großen Energieunterschieden kombiniert
wurden, erwies sich hingegen als ungeeignet.
In den Atmosphären, welche in diesen Tests verwendet wurden, zeigte sich, dass die NLTE Effekte im Spektrum auf das ∆ν = 1 Band beschränkt sind. Die ∆ν = 2 Linien von CO formieren sich hingegen in einer Tiefe, in der die NLTE Effekte aufgrund von hohen Kollisionsraten gering sind.
Eine kleine Zone geringer Temperatur wurde in eine M-Zwerg Atmosphäre eingebracht, welche auch außerhalb NLTE Effekte zeigt, weiterhin in eine sonnenähnliche G-Typ Atmosphäre, die außerhalb keine starken NLTE Effekte zeigt. In beiden Fällen zeigte sich, dass die verringerte Temperatur starke NLTE Effekte und dementsprechend veränderte Opazitäts-Strukturen erzeugt. Dies hat einen starken Einfluss auf die Oberflächen-Helligkeit und das ausgehende Spektrum. Während die Oberflächen-Helligkeit in LTE
direkt von der Temperaturstruktur abhängt, wirken die NLTE Effekte als Ausgleich zwischen heißen und kalten Regionen. Hierbei verteilt sich der Effekt auf eine größere Fläche während gleichzeitig der Kontrast reduziert wird. Der Grund hierfür ist die Veränderung der Sichttiefe durch die NLTE Opazitäten. Dies zeigt, dass NLTE Effekte einen Einfluss
auf die Temperaturstruktur selbst haben, wie in 1D Fällen bereits gezeigt wurde.

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