Wie erzeugt die Sonne ihre Energie?

Die tief im Kern eines Sterns freigesetzten Gammastrahlen werden dort an ionisierten Atomen gestreut, wodurch den Atomen Energie zugeführt und den Photonen entzogen wird. Die Streuereignisse sind so häufig, dass es eine Zeitskala von ungefähr Tausenden von Jahren dauert, bis ein Photon seinen ganzen Weg nach draußen gerattert hat, wo es ohne weitere Streuung in den Weltraum entkommen kann. Bei einem solchen Herumrasseln kommt die Strahlung mit den Ionen, an denen sie gestreut wird, in ein thermisches Gleichgewicht und nimmt eine schwarzkörperförmige Wellenlängenverteilung an. Die Gammas werden somit in sichtbares Licht, IR- und UV-Photonen umgewandelt.

Die energiereichen Neutronen, die die Fusionsreaktionen ebenfalls aussenden, werden ebenfalls an den Ionen im Plasma gestreut und heizen dadurch das Plasma ebenfalls auf. In einigen Regionen des Sonneninneren bilden sich Konvektionszellen, die aktiv heiße Materie aus dem Kern nach oben an die Oberfläche transportieren und dabei vermischt sich die heiße Materie mit den auf sie treffenden Photonen und gleicht sich aus, sodass auch Energie sichtbar wird in der Temperatur der äußersten Teile der Sonne.

Die bei den Fusionsreaktionen im Kern freigesetzten Neutrinos strahlen direkt aus der Sonne, weil das Plasma, obwohl sehr dicht, für sie fast vollständig transparent ist. Sie tragen Energie ab, kommen aber auf ihrem Weg nach außen nicht mit Materie ins thermische Gleichgewicht.

Die Energie, die wir von der Sonne in Form von Photonen erhalten, stammt aus der Photosphäre. Dies ist die äußerste Schicht der Sonne. Wenn es im Gleichgewicht ist, also weder wärmer noch kälter wird, dann ist es für das, was wir von außen sehen können, egal, woher die Energie kommt, die die Photosphäre erwärmt.

Die Sonne ist im Inneren natürlich viel heißer, aber wir können das Innere nicht sehen. Es ist von einer undurchsichtigen Photosphäre bedeckt, also ist es die Photosphäre, die wir sehen.

Ein paar andere Dinge. Das Strahlungsfeld innerhalb der Sonne, vom Kern bis zur Photosphäre, ist so nah an einer Schwarzkörperverteilung, wie Sie finden werden. Denn die mittlere freie Weglänge von Photonen ist extrem kurz im Vergleich zur Längenskala, auf der sich die Temperatur ändert. dh Photonen werden von Material mit der gleichen Temperatur emittiert und absorbiert (denken Sie nicht daran, dass einzelne Photonen ihren Weg zur Oberfläche finden, das passiert nicht). Nichtsdestotrotz ändert sich die Temperatur mit der Tiefe und damit auch die Temperatur des Schwarzkörper-Strahlungsfeldes. Wenn Sie die solare Photosphäre abziehen würden, würden Sie darunter einen heißeren schwarzen Körper sehen. Es gibt keine Energieeinsparungsprobleme - die Leuchtkraft dieses heißeren Schwarzkörpers wäre dieselbe, da seine Oberfläche kleiner ist.

Tatsächlich ist die Annäherung an einen schwarzen Körper in der Photosphäre am schlechtesten. Das liegt daran, dass die aus der Sonne austretenden Photonen je nach Wellenlänge leicht unterschiedliche Temperaturen haben, was zu Absorptionslinien und anderen Merkmalen führt. Das Spektrum der Sonne ist daher eine Zusammensetzung von Spektren aus Regionen mit einem Temperaturbereich von etwa 4000 K bis etwa 10.000 K. Die effektive Temperatur der Sonne (der allgemein angegebene Wert) ist einfach definiert als

Wenn ein Ion Strahlung absorbiert und wieder emittiert, wird es normalerweise mit einer anderen Frequenz als der absorbierten emittiert.

Die charakteristischen Kernfrequenzen sind nur im inneren reaktiven Kern vorhanden, bevor sie absorbiert werden.

Die Emissionsfrequenzen von da an sind hauptsächlich von der Temperatur des ionisierten Gases abhängig.

Das auf der Erde empfangene Sonnenlicht wird näherungsweise an die Schwarzkörperkurve angepasst :

Spektrum der Sonneneinstrahlung über der Atmosphäre und an der Oberfläche. Extreme UV- und Röntgenstrahlen werden erzeugt (links im gezeigten Wellenlängenbereich), machen aber nur sehr geringe Anteile der gesamten Ausgangsleistung der Sonne aus.

Dass das Gesetz die Fläche zur Definition verwendet

Insbesondere besagt das Stefan-Boltzmann-Gesetz, dass die Gesamtenergie, die pro Flächeneinheit eines schwarzen Körpers über alle Wellenlängen pro Zeiteinheit abgestrahlt wird

bedeutet nicht, dass die abgestrahlte Energie nur von der Oberfläche des betrachteten Körpers kommt, sei es bei niedrigen Temperaturen oder bei Sonnentemperatur. Die Fläche ist notwendig, um die Leistung zu berechnen. Schwarzkörperstrahlung kommt vom ganzen Körper.

Die Tatsache, dass die Strahlung der Sonne mehr oder weniger der Schwarzkörperstrahlung folgt, bedeutet, dass die Strahlung von der ganzen Sonne kommt, wobei diejenige, die aus dem Zentrum kommt, eine große Anzahl von Jahren braucht , um schließlich zu der des Plasmas der Sonne hinzukommen Oberfläche geben die beobachtete Kurve an. Dass es nicht genau zu einem schwarzen Körper passt, liegt an diesen verschiedenen Mechanismen, durch die die Strahlung erzeugt wird.