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

Question

Por lo que sé, un cuerpo negro es un emisor ideal. Entonces, ¿cómo puede ser que un emisor no ideal emita más radiación que un cuerpo negro?

Esto ocurre sólo en un área muy limitada en alrededor de 500nm pero sigue ocurriendo: parece que al máximo está alrededor del 15% por encima del cuerpo negro.

Esto parece imposible para mi entender de un cuerpo negro. Especialmente porque sólo para eso existe el valor de emisividad o mejor ()

Emisividad de Wikipedia: Cuantitativamente, la emisividad es la relación entre la radiación térmica de una superficie y la radiación de una superficie negra ideal a la misma temperatura. La relación varía de 0 a 1

Significa 0 () 1

¿Cuál es la interpretación correcta? ¿Qué hace el sol allí, parece que (500nm)=1,15?

Answer 1

La potencia radiante total emitida por el Sol equivale a la potencia radiante total emitida por un cuerpo negro ideal con una temperatura de 5778 K y una superficie igual a la del Sol. Estos 5778 K son la temperatura efectiva del Sol. El espectro del Sol es muy parecido al de un cuerpo negro de 5778 K, pero hay desviaciones. Algunas se deben a la absorción y a la emisión, pero otras son el resultado de tres elementos clave:

• El cuerpo negro no existe. El concepto de cuerpo negro es una idealización basada en algunas suposiciones simplificadoras. El Sol no satisface exactamente esos supuestos simplificadores.

• 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 alcanza el espectro del cuerpo negro de 5778 K en algunas longitudes de onda, necesariamente debe superar el espectro del cuerpo negro de 5778 K en otras.

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

El Sol no es un cuerpo sólido. No tiene una superficie en la que se origine la radiación. La radiación que vemos del Sol procede principalmente de la fotosfera del Sol, una capa de unos 500 kilómetros de espesor situada cerca de la parte superior del Sol. La cromosfera, la región de transición y la corona están por encima de la fotosfera. Aunque 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 fuertemente creciente de la distancia al centro. Sin embargo, no es una distribución delta. La luz que se transmite desde esas capas más profundas tiene una temperatura más alta que la de las capas superiores. La mayor parte de la radiación que vemos del Sol procede de una capa de unos 500 km de espesor llamada fotosfera. La parte superior de la fotosfera tiene una temperatura de unos 4.400 K y una presión de unos 86,8 pascales. La parte inferior 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. Una parte de la luz procede de la parte superior de la fotosfera, otra del centro y otra de la parte inferior, ponderadas aproximadamente por la presión. El espectro total se asemeja 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, haciendo que sea un poco pesado para la radiación de longitud de onda más corta.

Answer 2

La función de Planck que describe la emisión del cuerpo negro es una función de la temperatura y de la longitud de la onda: $$ B_\lambda(T)=\frac{2hc^2}{\lambda^5}\cdot\frac1{e^{hc/\lambda k_BT}-1} $$ Debido a la dependencia de la temperatura, los cuerpos negros a diferentes temperaturas tienen emisiones diferentes. El gráfico siguiente, de Wikipedia muestra los cambios drásticos para cuerpos negros de temperaturas 3000 K, 4000 K y 5000 K (también se muestra el Régimen Rayleigh-Jeans donde $B_\lambda(T)\propto\lambda^{-4}$ que se dispara hasta el infinito a bajas longitudes de onda).

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

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

De Jim en los comentarios,

No hay que olvidar las diferencias de temperatura en la superficie, la luz procedente de la profundidad más caliente que acaba por salir al exterior, otros fenómenos que producen luz (emisión espectral de electrones excitados que se recombinan con los átomos y luego se ionizan de nuevo, fotones creados en procesos de dispersión, desintegración, aniquilación, etc.), etc. Una estrella es un sistema complejo en el que ocurren muchas cosas al mismo tiempo. Es seguro asumir que la radiación del cuerpo negro (aunque 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 de al pico - aquí es donde está su confusión. Si se ajusta a la picos entonces seguramente $\varepsilon\leq1$ se satisface (siempre que se tenga en cuenta el comentario anterior de Jim, de que el sol realmente no es un cuerpo negro puro).

Answer 3

La emisión del cuerpo negro es la de un cuerpo caliente. Su radiación proviene de su temperatura. El sol es productor de energía, y esta energía la emite. Parte de él emite por la pura temperatura de la superficie, pero hay otros procesos, que convierten la energía.