The Relation between Variances of 3D Density and Its 2D Column Density Revisited

Abstract We revisit the relation between the variance of three-dimensional (3D) density ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>ρ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ) and that of the projected two-dimensional (2D) column density ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ) in turbulent media, which is of great importance in obtaining turbulence properties from observations. Earlier studies showed that <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>ρ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>ρ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mi class="MJX-tex-calligraphic" mathvariant="script">R</mml:mi> </mml:math> , where Σ/Σ 0 and ρ / ρ 0 are 2D column and 3D volume densities normalized by their mean values, respectively. The factor <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi class="MJX-tex-calligraphic" mathvariant="script">R</mml:mi> </mml:math> depends only on the density spectrum for isotropic turbulence in a cloud that has similar dimensions along and perpendicular to the line of sight. Our major findings in this paper are as follows. First, we show that the factor <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi class="MJX-tex-calligraphic" mathvariant="script">R</mml:mi> </mml:math> can be expressed in terms of N , the number of independent eddies along the line of sight. To be specific, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>ρ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>ρ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> is proportional to ∼1/ N due to the averaging effect arising from independent eddies along the line of sight. Second, we show that the factor <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi class="MJX-tex-calligraphic" mathvariant="script">R</mml:mi> </mml:math> needs to be modified if the dimension of the cloud in the line-of-sight direction is different from that in the perpendicular direction. However, if we express <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mrow>