Warum heben sich Absorptions- und Emissionslinien in unserer Sonne nicht auf?

Der Schlüsselpunkt, der bei den meisten Bemühungen zur Beantwortung dieser Frage fehlt, ist, dass die Sonne einen Temperaturgradienten mit der Tiefe hat. Wenn es (irgendwie) isothermisch wäre, würden sich die Absorptions- und Emissionsprozesse tatsächlich aufheben und das Spektrum der Sonne wäre ein glatter schwarzer Körper.

Die Photonen, die wir von der Sonne aus sehen, waren diejenigen, die aus ihrer Photosphäre entkommen konnten – einer äußeren Schicht von nur wenigen hundert Kilometern Dicke.

Das Innere der Sonne ist heißer als weiter außen liegende Schichten und das Strahlungsfeld nähert sich einem Schwarzen Körper mit einem stark temperaturabhängigen Strahlungsfluss. Die starke Temperaturabhängigkeit in Kombination mit dem negativen Temperaturgradienten bedeutet, dass das Sonnenspektrum von den heißesten Schichten erzeugt wird, die wir sehen können .

Warum die Betonung? Nun, die Tiefe, die wir in die Sonne sehen können, ist wellenlängenabhängig. Bei starken Strahlungsübergangswahrscheinlichkeiten wird das aus dem Inneren kommende Licht absorbiert. Das reemittierte Licht (es muss reemittiert werden, wenn sich das Material im thermischen Gleichgewicht befindet) wird in eine zufällige Richtung emittiert und ein vernachlässigbarer Bruchteil kommt uns entgegen.

Ich denke, es gibt zwei wichtige Punkte. Eine ist die zufällige Richtung der Wiederemission absorbierter Energie, die andere ist der Temperaturgradient, was bedeutet, dass der Nettostrahlungsfluss eine klare Richtung nach außen aufweist, was bedeutet, dass Sie die Sonne als eine Folge kühlerer „Platten“ behandeln können als man bewegt sich nach außen.

Die Nettoeffekte sind Absorptionslinien. Eine gute Art, über das Sonnenspektrum nachzudenken, ist, dass Sie bei jeder Wellenlänge ein (ungefähr) Schwarzkörperspektrum sehen, das bei der Temperatur der Schicht emittiert wird, aus der Photonen bei dieser Wellenlänge entweichen können. So wird der Boden einer Absorptionslinie bei kühleren Temperaturen emittiert, näher an der "Oberfläche", während Kontinuum aus heißeren, tieferen Schichten kommt, aber bei Wellenlängen, bei denen die Opazität geringer ist, so dass die Photonen es noch erkennen können.

Ich denke, dass dies eine sehr gute Frage ist.

In meiner Antwort werde ich nur die Bildung einer der Absorptionslinien, der 589 nm von Natrium, erwähnen, und ich werde das mit dieser Wellenlänge verbundene Photon ein "Natriumphoton" nennen.
Was ich mit Bezug auf diese bestimmte Lichtwellenlänge zu erklären versuche, gilt für alle anderen Wellenlängen, bei denen Absorption auftritt.

Das schematische Layout einer Standarddemonstration von Absorptions- und Emissionslinien ist unten gezeigt.

Auf Position$A$man würde ein Absorptionsspektrum und eine Position sehen$B$ein Emissionsspektrum und die Erklärung "in alle Richtungen zurückgestrahlt" funktioniert sehr gut.

Der Unterschied zur Sonne besteht darin, dass die "Natriumflamme" die Sonne umhüllt und die Rate der aus der Sonne austretenden "Natriumphotonen" geringer ist als die Austrittsrate von Photonen mit vergleichbaren Wellenlängen.

Ich denke, dass das OP fragt: "Wohin gehen die zurückgestrahlten Natriumphotonen?"

Tatsache ist, dass die Geschwindigkeit, mit der Natriumphotonen aus der "Natriumflammendecke" um die Sonne (den äußeren Schichten der Sonne) entweichen, geringer ist als die Geschwindigkeit, mit der Photonen mit einer ähnlichen Wellenlänge entweichen.

Tatsächlich ist diese äußere Schicht der Sonne für Natriumphotonen ziemlich undurchsichtig.

Wenn die Natriumphotonen, die in den inneren Schichten der Sonne erzeugt werden, durch die äußeren Schichten der Sonne wandern, werden sie absorbiert und wieder abgestrahlt, sodass die Nettorate in Vorwärtsrichtung (von der Sonne weg) abnimmt und es einen Fluss gibt von Natriumphotonen zurück zur Sonne.
Hier interagieren sie mit den heißeren „inneren“ Schichten der Sonne und treten nicht unbedingt wieder als Natriumphotonen auf, ihre Wellenlänge wird verändert.
Sie sind thermalisiert (eine bessere Formulierung fällt mir nicht ein).
Diese Natriumphotonen dringen in Regionen innerhalb der Sonne ein, wo sie über dem liegen, was für die Wellenlängenverteilung für die Temperatur dieser inneren Schichten zu erwarten wäre.
Wechselwirkungen innerhalb dieser Schichten reduzieren diese überschüssige Anzahl von Natriumphotonen, sodass sie aufhören, Natriumphotonen zu sein.

Der Nettoeffekt besteht also darin, dass die "Natriumflammendecke" um die Sonne Natriumphotonen zurück zur Sonne sendet, die dann in Photonen anderer Wellenlängen umgewandelt werden.

Die internen Photonen der Sonne brauchen enorm viel Zeit , um die Oberfläche zu erreichen, und sicherlich gehen alle Spektrallinien verloren.

Die von der Sonne beobachteten Spektrallinien stammen aus einer äußeren Schicht der Sonnenatmosphäre.

Die Oberseite der Photosphäre ist mit einer Temperatur von nur 4400 Kelvin deutlich kühler; Daher erzeugt das kühlere Gas mit geringer Dichte an der Spitze der Photosphäre Absorptionslinien im Sonnenspektrum.

Aufgrund der geringen Dichte kommen die von der Erde beobachteten Photonen in gerader Linie zu unseren Detektoren, während diejenigen mit den richtigen Frequenzen, die absorbiert werden sollen, die Absorptionslinien erzeugen. Die Abregungsphotonen haben aufgrund der 4pi-Verteilung eine verringerte Intensität und aufgrund der geringen Dichte eine geringe Wahrscheinlichkeit, ein anderes Atom anzuregen. Somit werden diese Frequenzen erschöpft und erscheinen als Absorptionslinien.