¿Por qué las líneas de absorción y emisión no se anulan en nuestro Sol?

El punto clave que falta en la mayoría de los esfuerzos para responder a esta pregunta es que el Sol tiene un gradiente de temperatura con la profundidad. Si fuera (de alguna manera) isotérmico, entonces los procesos de absorción y emisión se cancelarían y el espectro del Sol sería un cuerpo negro uniforme.

Los fotones que vemos del Sol fueron los que pudieron escapar de su fotosfera, una capa exterior de solo unos cientos de kilómetros de espesor.

El interior del Sol es más caliente que las capas más alejadas y el campo de radiación se aproxima a un cuerpo negro, con un flujo de radiación que depende en gran medida de la temperatura. La fuerte dependencia de la temperatura, combinada con el gradiente de temperatura negativo, significa que el espectro solar es producido por las capas más calientes que podemos ver .

¿Por qué el énfasis? Bueno, la profundidad que podemos ver en el Sol depende de la longitud de onda. Donde existen fuertes probabilidades de transición radiativa, la luz proveniente del interior es absorbida. La luz reemitida (tiene que ser reemitida si el material está en equilibrio térmico) se emite en una dirección aleatoria y una fracción despreciable viene hacia nosotros.

Creo que hay dos puntos clave. Una es la dirección aleatoria de la reemisión de energía absorbida, pero la otra es el gradiente de temperatura, lo que significa que hay una clara direccionalidad hacia el exterior del flujo radiativo neto, lo que significa que puede tratar al Sol como una sucesión de "losas" más frías como uno se mueve hacia afuera.

Los efectos netos son líneas de absorción. Una buena manera de pensar en el espectro solar es que en cada longitud de onda se ve un espectro de cuerpo negro (aproximadamente) emitido a la temperatura de la capa de la que pueden escapar los fotones en esa longitud de onda. Por lo tanto, la parte inferior de una línea de absorción se emite a temperaturas más frías, más cerca de la "superficie", mientras que el continuo proviene de capas más profundas y calientes, pero en longitudes de onda donde la opacidad es menor para que los fotones aún puedan distinguirlo.

Creo que esta es una muy buena pregunta.

En mi respuesta sólo mencionaré la formación de una de las líneas de absorción, los 589 nm del sodio, y llamaré al fotón asociado a esa longitud de onda "fotón de sodio".
Lo que intentaré explicar con referencia a esa longitud de onda particular de la luz será cierto para todas las demás longitudes de onda para las que se produce la absorción.

El diseño esquemático de una demostración estándar de líneas de absorción y emisión se muestra a continuación.

en la posición$A$uno vería un espectro de absorción y en la posición$B$un espectro de emisión y la explicación "re-irradiada en todas las direcciones" funciona muy bien.

La diferencia con el Sol es que la "llama de sodio" envuelve al Sol y la tasa de "fotones de sodio" que emergen del Sol es menor que la tasa de aparición de fotones con longitudes de onda comparables.

Creo que el OP pregunta "¿A dónde van los fotones de sodio reirradiados?"

El hecho es que la velocidad a la que los fotones de sodio escapan del "manto de llamas de sodio" alrededor del Sol (las capas exteriores del Sol) es menor que la velocidad a la que los fotones se acercan en la longitud de onda de escape.

Entonces, en efecto, esa capa exterior del Sol es bastante opaca a los fotones de sodio.

A medida que los fotones de sodio que se producen en las capas internas del Sol avanzan a través de las capas externas del Sol, se absorben y se vuelven a irradiar, por lo que la tasa neta en la dirección hacia adelante (alejándose del Sol) disminuye y hay un flujo. de fotones de sodio que regresan al Sol.
Aquí interactúan con las capas "internas" más calientes del Sol y no emergen necesariamente de nuevo como fotones de sodio, su longitud de onda cambia.
Están termalizados (no se me ocurre una redacción mejor).
Esos fotones de sodio ingresan a regiones dentro del Sol donde superan lo que podría esperarse para la distribución de longitud de onda para la temperatura de esas capas internas.
Las interacciones dentro de esas capas reducen ese exceso de fotones de sodio, por lo que dejan de ser fotones de sodio.

Entonces, el efecto neto es que el "manto de llamas de sodio" alrededor del Sol envía de regreso al Sol fotones de sodio que luego se transforman en fotones de otras longitudes de onda.

Los fotones internos del sol tardan mucho en llegar a la superficie, y ciertamente se pierden las líneas espectrales.

Las líneas espectrales observadas desde el sol provienen de una capa exterior de la atmósfera solar.

La parte superior de la fotosfera es significativamente más fría, con una temperatura de solo 4400 Kelvin; por lo tanto, el gas más frío y de baja densidad en la parte superior de la fotosfera produce líneas de absorción en el espectro solar.

Debido a que es de baja densidad, los fotones que se observan desde la tierra llegan en línea recta a nuestros detectores, mientras que los que tienen las frecuencias correctas para ser absorbidos crean las líneas de absorción. Los fotones de desexcitación tienen una intensidad reducida debido a la distribución 4pi y una baja probabilidad de excitar a otro átomo debido a la baja densidad. Por lo tanto, esas frecuencias se agotan y aparecen como líneas de absorción.