¿Cómo genera el Sol su energía?

Los rayos gamma liberados en las profundidades del núcleo de una estrella se dispersan de los átomos ionizados allí, lo que agrega energía a los átomos y la elimina de los fotones. Los eventos de dispersión son tan frecuentes que se necesita una escala de tiempo del orden de miles de años para que un fotón se abra camino hasta donde pueda escapar al espacio sin más dispersiones. Al traquetear así, la radiación entra en equilibrio térmico con los iones que se dispersa y asume una distribución de longitud de onda en forma de cuerpo negro. Los rayos gamma se convierten así en fotones de luz visible, IR y UV.

Los neutrones energéticos que también emiten las reacciones de fusión se dispersan de manera similar de los iones en el plasma y, por lo tanto, también calientan el plasma. En algunas regiones del interior del sol, se establecen celdas convectivas que transportan activamente la materia caliente fuera del núcleo hacia la superficie y, en el camino, la materia caliente se mezcla y se equilibra con los fotones que encuentra y así también aparece la energía. en la temperatura de las partes más externas del sol.

Los neutrinos liberados durante las reacciones de fusión en el núcleo irradian directamente del sol porque el plasma, aunque muy denso, es casi completamente transparente para ellos. Se llevan energía, pero no se equilibran térmicamente con la materia al salir.

La energía que recibimos del Sol, en forma de fotones, proviene de la fotosfera. Esta es la capa más externa del Sol. Si está en equilibrio, es decir, no se calienta ni se enfría, entonces en términos de lo que podemos ver cuando miramos desde el exterior, no importa de dónde provenga la energía que calienta la fotosfera.

El Sol, por supuesto, es mucho más caliente en el interior, pero no podemos ver el interior. Está cubierto por una fotosfera que es opaca, por lo que es la fotosfera que vemos.

Algunas otras cosas. El campo de radiación dentro del Sol, desde el núcleo hasta la fotosfera, es lo más parecido a una distribución de cuerpo negro que encontrará. Esto se debe a que el camino libre medio de los fotones es extremadamente corto en comparación con la escala de longitud en la que cambia la temperatura. es decir, los fotones son emitidos y absorbidos por el material a la misma temperatura (no piense en fotones individuales que se abren camino hacia la superficie, eso no es lo que sucede). Sin embargo, la temperatura cambia con la profundidad y también lo hace la temperatura del campo de radiación del cuerpo negro. Si tuviera que despegar la fotosfera solar, vería un cuerpo negro más caliente debajo. No hay problemas de conservación de energía: la luminosidad de ese cuerpo negro más caliente sería la misma porque su área de superficie es más pequeña.

De hecho, la fotosfera es donde la aproximación a un cuerpo negro es peor. Esto se debe a que los fotones que escapan del Sol provienen de temperaturas ligeramente diferentes, según sus longitudes de onda, lo que da como resultado líneas de absorción y otras características. Por lo tanto, el espectro del Sol es una combinación de espectros de regiones con un rango de temperaturas, desde alrededor de 4000K hasta alrededor de 10,000K. La temperatura efectiva del Sol (el valor comúnmente citado) se define simplemente como

Cuando un ion absorbe y vuelve a emitir radiación, normalmente emitirá a una frecuencia diferente de la absorbida.

Las frecuencias nucleares características solo están presentes en el núcleo reactivo interno, antes de ser absorbidas.

Las frecuencias de emisión de ahí en adelante dependen principalmente de la temperatura del gas ionizado.

La luz del sol recibida en la tierra, se ajusta aproximadamente a la curva del cuerpo negro :

Espectro de radiación solar sobre la atmósfera y en la superficie. Se producen rayos ultravioleta y rayos X extremos (a la izquierda del rango de longitud de onda que se muestra), pero comprenden cantidades muy pequeñas de la potencia de salida total del Sol.

Que la ley utilizó la superficie para la definición

Específicamente, la ley de Stefan-Boltzmann establece que la energía total radiada por unidad de superficie de un cuerpo negro en todas las longitudes de onda por unidad de tiempo

no significa que la energía radiada provenga únicamente de la superficie del cuerpo considerado, ya sea a bajas temperaturas oa la temperatura del sol. El área superficial es necesaria para calcular la potencia. La radiación de cuerpo negro proviene de todo el cuerpo.

El hecho de que la radiación del sol siga más o menos a la radiación de cuerpo negro significa que la radiación proviene de todo el sol, tardando una gran cantidad de años la procedente del centro en salir finalmente sumada a la del plasma del superficie dan la curva observada. Que no se ajuste exactamente a un cuerpo negro se debe a estos diversos mecanismos por los que se produce la radiación.