Jörg Ising , Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1998 :

" Verfahren kurzer Charakteristiken in krummlinigen Koordinatensystemen"


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Summary

Kurzfassung

Zur Bestimmung von Strahlungsfeldern auf der Basis von "'multi--level"'--Atommodellen in astrophysikalischen Plasmen, wird das Konzept der kurzen Charakteristiken erweitert. Durch die Einführung eines unitären Operators U lassen sich krummlinige Basiskoordinaten im Kombination mit kurzen Charakteristiken verwenden. In der Konsequenz können linear skalierende Verfahren konstruiert werden, die bei vorliegenden Symmetriebedingungen niederdimensionale Beschreibungen des Strahlungstransports erlauben. Exemplarisch wird dies an Hand der sphärischen und der axialen Symmetrie demonstriert. Als "'multi--level"'--Schema wird das "'multi--level accelerated lambda iteration"'--Verfahren von Rybicki und Hummer (1991) verwendet. Der aus einem Operatorsplitting--Ansatz herrührende genäherte Lambdaoperator geht hierbei als "'preconditioner"' in die Ratengleichungen ein. Es wird in dieser Arbeit auch für axialsymmetrische Geometrien ein Tridiagonaloperator als Beispiel für einen nicht--lokalen genäherten Lambdaoperator angegeben. Die günstige Rechenzeitskalierung ermöglicht es, effiziente Verfahren für große Gitter zu formulieren und damit mehrdimensionale "'multi--level"'--Strahlungstransportrechnungen durchzuführen. In den beschriebenen Methoden ist neben der räumlichen, eine Tangentialrauminterpolation erforderlich. Es werden Testrechnungen durchgeführt, um die Genauigkeit dieser Vorgehensweisen zu bestimmen. Es zeigt sich ein hoher Grad an Übereinstimmung der Ergebnisse mit den entsprechenden Referenzlösungen. Für eine sphärische Wolke mit einer externen punktförmigen Strahlungsquelle, die als Modell einer Einzelwolke in der "'broad line region"' von Quasaren Eingang findet, wird eine Näherungslösung des Strahlungstransportproblems angegeben. Der numerische Aufwand des vorgestellten Verfahrens ist dem Aufwand einer Strahlungstransportrechnung in planparalleler Geometrie vergleichbar. Die Resultate werden exemplarisch den Ergebnissen des axialsymmetrischen Verfahrens gegenübergestellt. Zur Behandlung einer Einzelwolke als Teil eines Ensembles, wird das Konzept der "'coarse grained"'--Intensität vorgestellt. Auf der Basis dieses Konzeptes werden Strahlungstransportrechnungen in einer selbstangeregten fraktionierten Kugelschale durchgeführt.

Titel

Kurzfassung

Summary

The present work describes a multi-dimensional spectral line formation scheme based on the short characteristics method. The algorithm has been generalized to treat curvilinear coordinates by means of a unitary operator U. The method scales linearly with the grid size and suitable symmetry conditions may reduce the effective dimension of the problem. As examples the specific formalisms for spherical and axial symmetry are presented. The basic method has been combined with the MALI-scheme ("'multi-level accelerated lambda iteration"') developed by Rybicki and Hummer (1991) to treat general non-LTE multi-level problems. Introducing the approximate lambda operator into the equations of statistical equilibrium one obtains linear preconditioned rate equations. This work applies the preconditioning strategy to a 2-D line formation problem using a tridiagonal operator to improve the convergence rate. The 2-D short characteristics method requires both a spatial interpolation and an interpolation in the tangent space. To demonstrate the reliability and numerical performance of the computer code various test calculation are presented. A comparison with numerical solutions obtained by other methods yields encouraging results. The presented methods are specifically designed to solve the line formation problem in the "'broad line region"' (BLR) of active galactic nuclei. In the basic model an ensemble of spherical clouds is illuminated by a central point-like photon source. To understand the emission characteristic of a single cloud a 2-D radiative transfer problem has to be solved. The cloud ensemble can be treated in the framework of the coarse-grained intensity. As an illustrative example the concept is applied to a fractional shell geometry.