¿Cómo puede ser que el sol emita más que un cuerpo negro?

La potencia radiativa total emitida por el Sol es equivalente a la potencia radiativa total emitida por un cuerpo negro ideal con una temperatura de 5778 K y una superficie igual a la del Sol. Este 5778 K es la temperatura efectiva del Sol. El espectro del Sol es muy parecido al de un cuerpo negro de 5778 K, pero hay desviaciones. Algunos se deben a la absorción y la emisión, pero otros resultan de tres elementos clave:

• No existe tal cosa como el cuerpo negro. El concepto de cuerpo negro es una idealización basada en algunos supuestos simplificadores. El Sol no satisface exactamente esas suposiciones simplificadoras.

• Esa temperatura efectiva de 5778 K se basa en la potencia radiativa total, el área bajo la curva de la distribución de Planck. Si el espectro de la luz solar no llega al espectro del cuerpo negro de 5778 K en algunas longitudes de onda, necesariamente debe elevarse por encima del espectro del cuerpo negro de 5778 K en otras.

• La razón principal por la que el Sol no cumple con las suposiciones que subyacen a la distribución de Planck es que estamos viendo luz de múltiples fuentes de temperatura. El resto de esta respuesta entra en esto en detalle.

El Sol no es un cuerpo sólido. No tiene una superficie a partir de la cual se origina la radiación. La radiación que vemos del Sol proviene principalmente de la fotosfera del Sol, una capa de aproximadamente 500 kilómetros de espesor cerca de la parte superior del Sol. La cromosfera, la región de transición y la corona están por encima de la fotosfera. Si bien estas capas superiores hacen que la radiación solar se desvíe de la curva ideal del cuerpo negro, la fuente principal es la propia fotosfera.

La cantidad de luz que se transmite al espacio vacío es una función que aumenta bruscamente de la distancia desde el centro. Sin embargo, no es una distribución delta. La luz que atraviesa esas capas más profundas tiene una temperatura más alta que las capas superiores. La mayor parte de la radiación que vemos del Sol proviene de una capa de unos 500 km de espesor llamada fotosfera. La parte superior de la fotosfera tiene una temperatura de unos 4400 K y una presión de unos 86,8 pascales. El fondo tiene una temperatura de unos 6000 K y una presión de unos 12500 pascales.

Lo que vemos es una mezcla de la radiación de toda la fotosfera. Parte de la luz proviene de la parte superior de la fotosfera, parte del medio, parte del fondo, más o menos ponderada por la presión. El espectro total se parece al de un cuerpo negro de 5778 K, pero la contribución de la parte inferior de la fotosfera inclina el espectro un poco lejos del ideal, lo que hace que sea un poco pesado para la radiación de longitud de onda más corta.

La función de Planck que describe la emisión del cuerpo negro es una función de la temperatura y la longitud de onda:

La clase espectral del sol es G2V. El G2 significa que la temperatura de la superficie del sol es de aproximadamente 5800 K, no 5250 C (aproximadamente 5520 K) en su diagrama. Por lo tanto, las emisiones observadas del sol deberían ser mayores que las del cuerpo negro modelado que muestra.

A continuación se representa la función de Planck para un emisor de 5520 K, un emisor de 5777 K y un emisor de 5800. Los cuerpos negros de 5777 K y 5800 K tienen un pico que es aproximadamente un 30 % más grande que el cuerpo negro de 5520 K (el eje izquierdo es W/sr/m$^3$, el eje inferior es$\mu$metro).

De Jim en los comentarios,

No olvide las diferencias de temperatura en la superficie, la luz de una profundidad más caliente que eventualmente encuentra su salida, otros fenómenos que producen luz (emisión espectral de electrones excitados que se recombinan con átomos y luego se ionizan nuevamente, fotones creados en procesos de dispersión, descomposición, aniquilación, etc.) ), etc. Una estrella es un sistema complejo en el que suceden muchas cosas todo el tiempo. Es seguro asumir que la radiación de cuerpo negro (si bien es la fuente principal) no es la única fuente de radiación.

Parece que su imagen quiere ajustar la curva a las longitudes de onda más grandes, en lugar del pico; aquí es donde radica su confusión. Si encajas en los picos , entonces seguramente$\varepsilon\leq1$está satisfecho (siempre que tenga en cuenta el comentario anterior de Jim, que el sol realmente no es un cuerpo negro puro).

La emisión de cuerpo negro es la de un cuerpo caliente. Su radiación proviene de su temperatura. El sol es productor de energía, y esta energía emite. Partes de ella emiten debido a la temperatura pura de la superficie, pero hay otros procesos que convierten la energía.