¿Por qué el Sol se aproxima como un cuerpo negro a ~ 5800 K?

1. Sí, la integral del espectro al que te refieres da la potencia total por unidad de área emitida por la superficie del sol. Si lo multiplicas por un factor de$\left(\frac{\text{Solar Radius}}{1\text{ AU}}\right)^2$dar cuenta de la$1/r^2$dependencia de la intensidad de la distancia, entonces obtendrá la constante solar que cita.
2. Sí. El sol no tiene una temperatura única y uniforme: la radiación que llega a la Tierra se emite principalmente desde la fotosfera (~6000 K), pero la temperatura varía drásticamente entre las diferentes capas del sol.
   

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3. En todos lados. El sol es casi un cuerpo negro ideal. Esta es una propiedad del sol, no de un punto de vista particular desde el cual lo estás observando. Además, los efectos atmosféricos cambian drásticamente las mediciones del espectro solar en la Tierra.
   La atmósfera superior bloquea casi toda la radiación a frecuencias más altas que los rayos UV, y una gran parte del espectro IR es absorbido y dispersado por los gases de efecto invernadero. La luz visible pasa sin muchos problemas (que es una parte sustancial de por qué evolucionamos para ser sensibles a esas frecuencias), pero el hecho de que el cielo sea azul y que las puestas de sol sean hermosas demuestra que la atmósfera también dispersa la luz visible.

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Como complemento a las otras respuestas, me gustaría señalar que si mide el espectro solar a una resolución muy alta, verá variaciones muy grandes en la radiación espectral en escalas de longitud de onda muy cortas. Aquí hay una figura que hice para mi tesis doctoral para ilustrar esto:

Un espectro solar de alta resolución ( fuente aquí ) se traza en gris y el mismo espectro con resolución degradada se traza en negro. Los paneles inferiores muestran primeros planos de regiones de menor longitud de onda. Este es el espectro solar visto desde el espacio, es decir, no hay efectos de la atmósfera terrestre presente.

Estas variaciones se deben a una multitud de líneas de absorción (normalmente denominadas líneas de Fraunhofer ) causadas por la absorción de gases en las partes exteriores más frías de la fotosfera (y hasta cierto punto en la cromosfera ).

Por lo tanto, el espectro de cuerpo negro de ~5800 K no es una buena descripción del espectro solar en escalas de longitud de onda muy finas. Pero es una aproximación razonable a escalas más grandes.

1. La constante solar ($S$) es la energía recibida por unidad de área perpendicular a los rayos a 1 UA de distancia (ver wikipedia ). Así, matemáticamente, representa la energía total emitida por el sol dividida por la superficie de una esfera con un radio de$R$=1 UA:

   $$S=\frac{P_{emitted}}{4\pi R^2}$$ Por lo general, uno puede usar la ley de Stefan-Boltzman para calcular$P_{emitted}=\sigma T^4\times A_{Sun}$por el sol que se considera un cuerpo negro aquí y donde$A_{Sun}$es el área total de la superficie del sol,$\sigma$la constante de Stefan-Boltzmann y$T$la temperatura de la superficie del cuerpo negro. Entonces: $$S=\sigma T^4\left(\frac{R_{Sun}}{R}\right)^2\approx1380W/m^2$$ Al conectar números:$R=$1AU$=150\times 10^9m$,$R_{Sun}=6.957\times 10^8m$,$T=5800K$y$\sigma=5.67\times 10^{-8}W/m^2K$, obtenemos aproximadamente la misma constante solar.

2. La definición de un cuerpo negro es un cuerpo que absorbe todas las radiaciones entrantes y que emite luz únicamente debido a su temperatura. En astronomía, dado que las estrellas son objetos realmente brillantes y que se encuentran realmente distantes entre sí, se pueden considerar cuerpos negros ya que aproximamos que la luz que recibimos de ellos es emitida casi en su totalidad por su superficie y no es luz reflejada de otra estrella. . En otras palabras, se aproximan a los cuerpos negros porque podemos estar bastante seguros de que la luz que emiten se debe únicamente a su temperatura. Aproximarse al sol como un cuerpo negro significa que la temperatura de su superficie es de 5800K. Y, de hecho, si observamos la longitud de onda más dominante del espectro solar, la intensidad máxima proviene de la longitud de onda verde que corresponde a un cuerpo negro que emite radiación a una temperatura de 5800K. Para más información mira elLey de desplazamiento de Wien.

3. El sol es considerado un cuerpo negro, no solo desde la perspectiva de la Tierra sino desde cualquier perspectiva. El espectro de intensidad del sol es aproximadamente el de un cuerpo negro perfecto menos la absorción por la atmósfera del sol y la atmósfera de la Tierra, dependiendo de dónde midamos el espectro. Vea el artículo sobre la luz del sol en wikipedia.

Un punto que vale la pena mencionar es que la temperatura del cuerpo negro puede ser un poco sorprendente. Este gráfico puede ser útil: gráfico de libretextos

El núcleo del sol tiene muchos millones de grados. Pero nunca vemos esa temperatura. Está rodeado por una zona convectiva, en la medida en que los fotones pueden tardar millones de años en escapar del núcleo, a través de las zonas radiativa y de convección, a la superficie. En la superficie, el sol es, de hecho, solo unos pocos miles de grados muy modestos. (Aunque fenómenos puntuales como las bengalas pueden ser mucho más calientes)