¿Por qué la fotosfera del sol es un millón de veces menos densa que el aire en la superficie de la Tierra?

Creo que hay un malentendido en tu pregunta. Usted escribe

Pero la gravedad de la superficie solar es aproximadamente 28 veces la gravedad de la superficie terrestre.

Entonces, ¿no debería ser comparable la densidad de los gases en la fotosfera del sol a la de la superficie de la Tierra?

Suena natural que una gravedad más fuerte implicaría una atmósfera más espesa, pero no importa qué tan fuerte sea la gravedad, hay un punto en el que la atmósfera se desvanece casi hasta desaparecer. A la altura de la ISS, la gravedad de la tierra es alrededor del 80% de la gravedad al nivel del mar. Pero, sin embargo, la ISS está orbitando en el vacío del espacio. De manera similar, por encima de la atmósfera de Júpiter, la gravedad sigue siendo más del doble que la de la Tierra, pero todavía hay vacío. Con el sol, sucede que la parte de la atmósfera que produce la luz que vemos está lo suficientemente cerca del borde (imprecisamente definido) del espacio que su densidad se ha reducido casi a nada.

Ciertamente, si fuera más frío, sería más denso. Pero algún día el sol será una enana blanca, del tamaño de la tierra pero con una masa no mucho menor que la que tiene ahora. Su gravedad será enormemente fuerte, pero aún habrá una parte superior de la atmósfera donde sea menos de una millonésima parte de la atmósfera terrestre. A medida que se enfríe, esa atmósfera se enfriará de modo que no sea más cálida que la atmósfera de la Tierra, pero aún habrá un punto en el que la atmósfera sea tan delgada. E incluso por encima de esa altura, la gravedad será mucho mayor que incluso en la superficie actual del sol.

Además de las dos respuestas anteriores, agregaré que, primero, su estimación de un millón de veces parece incorrecta. Estos números son aproximaciones aproximadas de un volumen fluido, no fijo, y también los tomaría con un grano de sal, pero Wikipedia da la densidad de la fotosfera como aproximadamente 2 × 10-4 kg / m ^ 3. Eso es aproximadamente 1/6000 (no una millonésima) de la densidad atmosférica de la Tierra en la superficie (1,2 kg/m^3).

No está claro si esa cifra de densidad es un promedio para toda la fotosfera o más cerca de la superficie donde podemos medir, pero si medimos toda la atmósfera de la Tierra , la densidad de nuestra atmósfera cae significativamente (cuánto depende de dónde determines la parte superior). de la atmósfera lo es), pero eso es un problema, no hay un límite absoluto, por lo que comparar la densidad es un ejercicio inútil, pero la proporción cae a mucho menos de 6,000 a 1, cuando se toma la densidad de toda la atmósfera de la Tierra. También podría comparar la fotosfera con la mesosfera de la Tierra y la fotosfera probablemente se vuelve más densa, pero no importa cómo se compare, siempre será manzanas con naranjas y bastante inútil.

La fotosfera tiene unos 500 km de espesor . No confío lo suficiente en los números para calcular la presión en la parte inferior de la fotosfera con precisión. Si toma una columna de 500 000 metros con la densidad anterior, 0,0002 kg/m^3, eso es 100 kg o 220 libras por columna, calculada en pulgadas cuadradas (PSI), 0,14 psi - 1/100 de la presión en la superficie de la Tierra, pero estos números son terribles y propensos a una gran inexactitud. Solo expongo esto para mostrar que la presión y la densidad en la parte inferior de la fotosfera aún son bajas, pero no tan bajas como 1 parte en 6000 de la superficie de la Tierra.

La esencia de su pregunta es, ¿cómo puede la fotosfera ser tan ligera y casi vacía como más de 500 km de espesor bajo una gravedad tan alta (28 gravedad terrestre), y esa es una pregunta justa? La respuesta, como han señalado otros, se debe a la alta temperatura y al contenido, que es principalmente hidrógeno ionizado en estado de plasma. El plasma es un estado de la materia diferente al gas y tiende a estar mucho más disperso. La presión hacia el exterior de los fotones también puede ser un factor clave (no estoy 100% seguro de ese punto).

La fotosfera del Sol es una capa de aproximadamente 400 km de espesor por debajo de la cual casi los fotones no escapan y por encima de la cual casi todos los fotones con una dirección hacia el exterior escapan del Sol. Incluso un plasma bastante difuso (en comparación con la presión de la superficie de la Tierra) hace un trabajo bastante bueno al absorber fotones térmicos. Un plasma algo difuso (p. ej., el fondo de la fotosfera) hace un trabajo excepcionalmente bueno al absorber fotones térmicos.

Las temperaturas algo altas (4400 Kelvin o más) en la fotosfera del Sol significan que una buena parte del gas (principalmente hidrógeno y helio, además de algunos elementos traza) está ionizado. Las temperaturas mucho más bajas (~300 Kelvin) en la troposfera de la Tierra significan que esencialmente nada del gas (principalmente nitrógeno y oxígeno moleculares, además de algunos compuestos traza) está ionizado. Las temperaturas muy diferentes y la composición muy diferente significan que la fotosfera del Sol y la troposfera de la Tierra son incomparables.

El lugar donde se encuentra la fotosfera no es solo una función de la densidad$\rho$, sino también de opacidades$\kappa$. Uno lo encontrará en una longitud de onda particular dondequiera que la integral de profundidad óptica integral$\tau = \int \rho \; \kappa \; dz$a lo largo de la línea de visión$z$se convierte en uno
Como las opacidades son una fuerte función de la composición de la atmósfera, no es suficiente simplemente tomar la gravedad y la temperatura e intentar predecir la ubicación de la fotosfera.

La densidad de la atmósfera solar disminuye con el radio. La posición de la fotosfera solar se define por el lugar donde la profundidad óptica (medida hacia adentro) alcanza la unidad. No existe una conexión directa entre la presión/densidad y la gravedad; sólo entre el gradiente de presión y la gravedad.

La fotosfera se produce a la densidad y temperatura que tiene, porque ahí es donde la profundidad óptica alcanza la unidad. La especie que domina la opacidad a estas temperaturas es el H$^{-}$ion (hidrógeno con un electrón extra).

La atmósfera de la Tierra es en gran parte neutral e incluso a densidades más altas tiene una opacidad mucho menor en longitudes de onda visibles.