Numerical simulations of the solar atmosphere

Jorrit Leenaarts

Jorrit Leenaarts promoveert 14 september aan de Universiteit Utrecht op een onderzoek naar de zonatmosfeer. Hij maakt gebruik van nummerieke simulaties waarbij de gasstromen, temperaturen en magnetische velden van een stukje van de zonatmosfeer in de computer worden nagebootst.

Uit de resultaten van deze simulaties kan berekend worden hoe de simulatie er uit zou zien als we hem vanaf de aarde zouden waarnemen. Deze zogenaamde synthetische waarnemingen kunnen dan vergeleken worden met echte waarnemingen. Als beiden voldoende op elkaar lijken, kan vervolgens uit het computermodel worden afgeleid wat er echt gebeurt in de atmosfeer van de zon.

Tijdens een zonsverduistering licht de atmosfeer van de zon kortstondig rood op. Dit rode licht is emissie van waterstofatomen in de chromosfeer, een dunne laag in de atmosfeer van de zon. De structuur van de chromosfeer is nog verre van begrepen. Jorrit Leenaarts ontwikkelde nieuwe modellen die aangeven dat de rode kleur door gas van rond de 3000 graden Celcius veroorzaakt kan worden, in tegenstelling tot oudere modellen die een temperatuur van 10.000 graden veronderstellen.

De chromosfeer van de zon is goed zichtbaar in een spectraallijn van waterstof, genaamd H-alpha. Deze wordt al meer dan 50 jaar bestudeerd. Een van de vele onbegrepen zaken is het emissiemechanisme van H-alpha. Waarom is de chromosfeer ondoorzichtig in deze lijn, en wat zijn de omstandigheden waaronder hij gevormd wordt?

De oude theorieën hierover gaan uit van een atmosfeer die niet
verandert in de tijd. Een van de conclusies was dat de chromosfeer relatief heet moest zijn, rond de 10.000 graden. Waterstof moet zo heet zijn om ondoorzichtig te worden in H-alpha. Als de chromosfeer kouder zou zijn, keken we er dwars doorheen naar de dieper liggende fotosfeer, dezelfde laag die je met het blote oog ziet.

Het is al lang bekend dat de chromosfeer niet statisch is. Integendeel, de hele chromosfeer is constant in beweging op tijdschalen van enkele minuten. Onderzoekers aan de Universiteit van Oslo hebben recentelijk modellen ontwikkeld die deze bewegingen kunnen nabootsen, een rekenintensief probleem waar de computers pas de laatste jaren snel genoeg voor zijn.

Deze computermodellen hebben echter een koude (3000 graden)
chromosfeer, wat in zou houden dat de modelchromosfeer doorzichtig is in H-alpha, in tegenspraak met de waarnemingen. Jorrit Leenaarts heeft deze modellen uitgebreid door te berekenen hoe waterstofatomen reageren op de bewegingen in de atmosfeer. Het blijkt dat waterstof traag reageert op temperatuurschommelingen. Als chromosferisch gas tijdelijk wordt verhit door golfbewegingen en daarna afkoelt, 'onthouden' de waterstofatomen in het gas dat ze heet zijn geweest en blijven ondoorzichtig in H-alpha, ook als ze zijn afgekoeld tot 3000 graden. Zo kan een koude chromosfeer toch ondoorzichtig zijn.

Deze techniek staat nog in de kinderschoenen en Leenaarts is hard bezig uit te rekenen hoe H-alpha licht in deze modellen gevormd wordt om te vergelijken met echte waarnemingen. Het lijkt erop dat de 'hete chromosfeer' theorie gedegen concurrentie krijgt van koud en traag waterstof.

Promotie: 24 september 2007, Universiteit Utrecht
Promotor: Prof.dr. R.J. Rutten
Co-promotor: Prof.dr. C.U. Keller
Co-promotor: Prof.dr. M. Carlsson

PDF-file van dit proefschrift