Wie kann es sein, dass die Sonne mehr ausstrahlt als ein schwarzer Körper?

Die gesamte von der Sonne emittierte Strahlungsleistung entspricht der gesamten Strahlungsleistung eines idealen schwarzen Körpers mit einer Temperatur von 5778 K und einer Oberfläche gleich der der Sonne. Diese 5778 K ist die effektive Temperatur der Sonne. Das Spektrum der Sonne kommt dem eines schwarzen Körpers mit 5778 K sehr nahe, aber es gibt Abweichungen. Einige sind auf Absorption und Emission zurückzuführen, andere resultieren aus drei Schlüsselelementen:

• Es gibt keinen schwarzen Körper. Das Konzept eines schwarzen Körpers ist eine Idealisierung, die auf einigen vereinfachenden Annahmen basiert. Die Sonne erfüllt diese vereinfachenden Annahmen nicht gerade.

• Diese effektive Temperatur von 5778 K basiert auf der Gesamtstrahlungsleistung, der Fläche unter der Kurve der Planck-Verteilung. Wenn das Spektrum des Sonnenlichts bei einigen Wellenlängen hinter dem Schwarzkörperspektrum von 5778 K zurückbleibt, muss es bei anderen zwangsläufig über das Schwarzkörperspektrum von 5778 K steigen.

• Der Hauptgrund, warum die Sonne die Annahmen, die der Planck-Verteilung zugrunde liegen, nicht erfüllt, ist, dass wir Licht von mehreren Temperaturquellen sehen. Der Rest dieser Antwort geht ausführlich darauf ein

Die Sonne ist kein fester Körper. Es hat keine Oberfläche, von der die Strahlung ausgeht. Die Strahlung, die wir von der Sonne sehen, kommt hauptsächlich von der Photosphäre der Sonne, einer etwa 500 Kilometer dicken Schicht nahe der Sonnenspitze. Die Chromosphäre, die Übergangsregion und die Korona befinden sich über der Photosphäre. Während diese höheren Schichten die Sonnenstrahlung von der idealen Schwarzkörperkurve abweichen lassen, ist die Hauptquelle die Photosphäre selbst.

Die Lichtmenge, die in den leeren Raum übertragen wird, ist eine stark zunehmende Funktion der Entfernung vom Zentrum. Es handelt sich jedoch nicht um eine Deltaverteilung. Das Licht, das aus diesen tieferen Schichten durchdringt, hat eine höhere Temperatur als die darüber liegenden Schichten. Der Großteil der Strahlung, die wir von der Sonne sehen, stammt von einer etwa 500 km dicken Schicht, die als Photosphäre bezeichnet wird. Die Oberseite der Photosphäre hat eine Temperatur von etwa 4400 K und einen Druck von etwa 86,8 Pascal. Der Sumpf hat eine Temperatur von etwa 6000 K und einen Druck von etwa 12500 Pascal.

Was wir sehen, ist eine Mischung der Strahlung aus der gesamten Photosphäre. Ein Teil des Lichts kommt von der Oberseite der Photosphäre, ein Teil aus der Mitte, ein Teil von unten, grob gewichtet durch Druck. Das Gesamtspektrum ähnelt dem eines schwarzen Körpers mit 5778 K, aber der Beitrag des untersten Teils der Photosphäre kippt das Spektrum ein wenig vom Ideal weg, wodurch das Spektrum für kurzwelligere Strahlung ein wenig schwer wird.

Die Planck-Funktion, die die Schwarzkörperemission beschreibt, ist eine Funktion von Temperatur und Wellenlänge:

Die Spektralklasse der Sonne ist G2V. Das G2 bedeutet, dass die Oberflächentemperatur der Sonne in Ihrem Diagramm etwa 5800 K beträgt, nicht 5250 C (etwa 5520 K). Daher sollten die von der Sonne beobachteten Emissionen größer sein als die des modellierten schwarzen Körpers, den Sie zeigen.

Unten ist die Planck-Funktion für einen 5520-K-Emitter, einen 5777-K-Emitter und einen 5800-K-Emitter aufgetragen. Sowohl der 5777 K- als auch der 5800 K-Schwarzkörper haben einen Peak, der etwa 30 % größer ist als der 5520 K-Schwarzkörper (linke Achse ist W/sr/m$^3$, untere Achse ist$\mu$m).

Von Jim in den Kommentaren,

Vergessen Sie nicht Temperaturunterschiede auf der Oberfläche, Licht aus heißer Tiefe, das schließlich seinen Weg nach draußen findet, andere lichterzeugende Phänomene (spektrale Emission von angeregten Elektronen, die sich mit Atomen rekombinieren und dann wieder ionisieren, Photonen, die bei Streuung, Zerfall, Vernichtung usw. entstehen). Prozesse ) usw. Ein Stern ist ein komplexes System, in dem ständig viel passiert. Man kann mit Sicherheit davon ausgehen, dass Schwarzkörperstrahlung (während sie die primäre Quelle ist) nicht die einzige Strahlungsquelle ist.

Es scheint, dass Ihr Bild die Kurve eher an die größeren Wellenlängen als an die Spitze anpassen möchte - hier liegt Ihre Verwirrung. Wenn Sie zu den Gipfeln passen , dann sicherlich$\varepsilon\leq1$zufrieden ist (solange man den obigen Kommentar von Jim beachtet, dass die Sonne wirklich kein reiner Schwarzkörper ist).

Die Emission eines schwarzen Körpers ist die eines heißen Körpers. Seine Strahlung kommt von seiner Temperatur. Die Sonne erzeugt Energie, und diese Energie emittiert. Teile davon werden aufgrund der reinen Oberflächentemperatur abgegeben, aber es gibt noch andere Prozesse, die Energie umwandeln.