Warum ist die Photosphäre der Sonne millionenfach weniger dicht als Luft an der Erdoberfläche?

Ich glaube, deiner Frage liegt ein Denkfehler zugrunde. Du schreibst

Aber die Erdoberflächengravitation ist etwa 28-mal so groß wie die Erdoberflächengravitation.

Sollte die Gasdichte in der Photosphäre der Sonne also nicht vergleichbar sein mit der auf der Erdoberfläche?

Es klingt natürlich, dass eine stärkere Schwerkraft eine dickere Atmosphäre implizieren würde, aber egal wie stark die Schwerkraft ist, es gibt einen Punkt, an dem die Atmosphäre fast zu nichts verschwindet. Auf der Höhe der ISS beträgt die Schwerkraft der Erde etwa 80 % der Schwerkraft auf Meereshöhe. Und doch kreist die ISS im Vakuum des Weltraums. In ähnlicher Weise ist die Schwerkraft über der Atmosphäre des Jupiters immer noch mehr als doppelt so hoch wie die der Erde, aber es gibt immer noch Vakuum. Bei der Sonne ist es einfach so, dass der Teil der Atmosphäre, der das Licht erzeugt, das wir sehen, nahe genug am (ungenau definierten) Rand des Weltraums ist, dass seine Dichte fast auf Null gesunken ist.

Natürlich wäre es dichter, wenn es kühler wäre. Aber eines Tages wird die Sonne ein Weißer Zwerg sein, ungefähr so ​​groß wie die Erde, aber mit nicht viel weniger Masse als jetzt. Seine Schwerkraft wird enorm stark sein, aber es wird immer noch eine Spitze der Atmosphäre geben, wo es weniger als ein Millionstel der Erdatmosphäre ist. Wenn sie abkühlt, kühlt sich diese Atmosphäre ab, so dass sie nicht wärmer als die Erdatmosphäre ist, aber es wird immer noch einen Punkt geben, an dem die Atmosphäre so dünn ist. Und selbst oberhalb dieser Höhe wird die Schwerkraft viel höher sein als selbst auf der aktuellen Sonnenoberfläche.

Zusätzlich zu den beiden obigen Antworten füge ich hinzu, dass erstens Ihre Schätzung von einer Million Mal falsch zu sein scheint. Diese Zahlen sind grobe Annäherungen an ein flüssiges, nicht festes Volumen, und ich würde sie auch mit einem Körnchen Salz nehmen, aber Wikipedia gibt die Dichte der Photosphäre mit etwa 2 × 10−4 kg / m ^ 3 an. Das ist etwa 1/6.000 (nicht ein Millionstel) der atmosphärischen Dichte der Erde an der Oberfläche (1,2 kg/m^3).

Es ist nicht klar, ob diese Dichtezahl ein Durchschnitt für die gesamte Photosphäre oder näher an der Oberfläche ist, wo wir messen können, aber wenn wir die gesamte Erdatmosphäre messen, sinkt die Dichte unserer Atmosphäre erheblich (wie viel hängt davon ab, wo Sie die Spitze bestimmen der Atmosphäre), aber das ist ein Problem, es gibt keine absolute Grenze, also ist der Vergleich der Dichte ein sinnloses Unterfangen, aber das Verhältnis fällt auf weit weniger als 6.000 zu 1, wenn man die Dichte der gesamten Erdatmosphäre nimmt. Sie könnten die Photosphäre auch mit der Mesosphäre der Erde vergleichen und die Photosphäre wird wahrscheinlich dichter, aber egal wie Sie vergleichen, es wird immer Äpfel mit Birnen sein und ziemlich sinnlos.

Die Photosphäre ist etwa 500 km dick . Ich traue den Zahlen nicht genug, um den Druck am Boden der Photosphäre genau zu berechnen. Wenn Sie eine 500.000-Meter-Säule mit der obigen Dichte von 0,0002 kg/m^3 nehmen, sind das 100 kg oder 220 lbs pro Säule, umgerechnet auf Quadratzoll (PSI), 0,14 psi – 1/100 des Drucks auf der Oberfläche der Erde - aber diese Zahlen sind schrecklich und anfällig für große Ungenauigkeiten. Ich habe dies nur veröffentlicht, um zu zeigen, dass der Druck und die Dichte am Boden der Photosphäre immer noch niedrig sind, aber nicht so niedrig wie 1 Teil von 6000 der Erdoberfläche.

Der Kern Ihrer Frage ist, wie kann die Photosphäre unter einer so hohen Schwerkraft (28 Erdschwerkraft) so leicht und fast vakuumartig wie über 500 km dick sein, und das ist eine berechtigte Frage. Die Antwort, wie andere darauf hingewiesen haben, liegt an der hohen Temperatur und dem Inhalt, der hauptsächlich aus ionisiertem Wasserstoff in einem Plasmazustand besteht. Plasma ist ein anderer Aggregatzustand als Gas und neigt dazu, sich viel weiter auszubreiten. Der nach außen gerichtete Druck von Photonen kann auch ein Schlüsselfaktor sein (ich bin mir in diesem Punkt nicht 100% sicher).

Die Photosphäre der Sonne ist eine ungefähr 400 km dicke Schicht, unter der fast alle Photonen nicht entkommen und über der fast alle Photonen mit einer nach außen gerichteten Richtung der Sonne entkommen. Sogar ein ziemlich diffuses Plasma (im Vergleich zum Erdoberflächendruck) absorbiert thermische Photonen ziemlich gut. Ein etwas diffuses Plasma (z. B. der Boden der Photosphäre) absorbiert außerordentlich gut thermische Photonen.

Die etwas hohen Temperaturen (4400 Kelvin oder mehr) in der Photosphäre der Sonne bedeuten, dass ein guter Teil des Gases (hauptsächlich Wasserstoff und Helium sowie einige Spurenelemente) ionisiert wird. Die viel niedrigeren Temperaturen (~300 Kelvin) in der Troposphäre der Erde bedeuten, dass im Wesentlichen kein Gas (hauptsächlich molekularer Stickstoff und Sauerstoff sowie einige Spurenverbindungen) ionisiert wird. Die sehr unterschiedlichen Temperaturen und die sehr unterschiedliche Zusammensetzung machen die Photosphäre der Sonne und die Troposphäre der Erde unvergleichbar.

Wo die Photosphäre liegt, ist nicht nur eine Funktion der Dichte$\rho$, sondern auch von Trübungen$\kappa$. Man findet es bei einer bestimmten Wellenlänge überall dort, wo das integrale optische Tiefenintegral ist$\tau = \int \rho \; \kappa \; dz$entlang der Sichtlinie$z$wird zu einem.
Da die Opazitäten eine starke Funktion der Zusammensetzung der Atmosphäre sind, reicht es nicht aus, nur die Schwerkraft und die Temperatur zu nehmen und zu versuchen, die Position der Photosphäre vorherzusagen.

Die Dichte der Sonnenatmosphäre nimmt mit dem Radius ab. Die Position der solaren Photosphäre wird dadurch definiert, wo die optische Tiefe (nach innen gemessen) Eins erreicht. Es besteht kein direkter Zusammenhang zwischen Druck/Dichte und Schwerkraft; nur zwischen dem Druckgradienten und der Schwerkraft.

Die Photosphäre tritt bei derselben Dichte und Temperatur auf, weil dort die optische Tiefe Eins erreicht. Die Art, die bei diesen Temperaturen die Opazität dominiert, ist die H$^{-}$Ion (Wasserstoff mit einem zusätzlichen Elektron).

Die Erdatmosphäre ist weitgehend neutral und hat auch bei höheren Dichten eine viel geringere Opazität bei sichtbaren Wellenlängen.