Почему на нашем Солнце линии поглощения и излучения не компенсируются?

Ключевой момент, который отсутствует в большинстве попыток ответить на этот вопрос, заключается в том, что Солнце имеет температурный градиент с глубиной. Если бы оно было (каким-то образом) изотермическим, то процессы поглощения и излучения действительно сократились бы, и спектр Солнца был бы гладким черным телом.

Фотоны, которые мы видим от Солнца, были теми, которые смогли вырваться из его фотосферы — внешнего слоя толщиной всего в несколько сотен километров.

Внутренняя часть Солнца более горячая, чем более удаленные слои, и поле излучения приближается к абсолютно черному телу с потоком излучения, который сильно зависит от температуры. Сильная температурная зависимость в сочетании с отрицательным температурным градиентом означает, что солнечный спектр создается самыми горячими слоями, которые мы можем видеть .

Почему акцент? Что ж, глубина, которую мы можем видеть на Солнце, зависит от длины волны. Там, где высока вероятность радиационного перехода, свет, исходящий изнутри, поглощается. Переизлученный свет (он должен переизлучаться, если материал находится в тепловом равновесии) излучается в случайном направлении, и пренебрежимо малая часть достигает нас.

Я думаю, что есть два ключевых момента. Одно из них — это случайное направление переизлучения поглощенной энергии, а другое — температурный градиент, что означает, что существует четкая внешняя направленность чистого радиационного потока, что означает, что вы можете рассматривать Солнце как последовательность более холодных «плит» как один движется наружу.

Чистые эффекты — это линии поглощения. Хороший способ думать о солнечном спектре состоит в том, что на каждой длине волны вы видите (примерно) спектр абсолютно черного тела, излучаемый при температуре слоя, из которого могут выходить фотоны на этой длине волны. Таким образом, нижняя часть линии поглощения излучается при более низких температурах, ближе к «поверхности», в то время как континуум исходит из более горячих и глубоких слоев, но на длинах волн, где непрозрачность ниже, так что фотоны все еще могут это сделать.

Я думаю, что это очень хороший вопрос.

В своем ответе я упомяну только об образовании одной из линий поглощения, 589 нм натрия, и назову фотон, связанный с этой длиной волны, «фотоном натрия».
То, что я попытаюсь объяснить применительно к этой конкретной длине волны света, будет верно и для всех других длин волн, при которых происходит поглощение.

Схематическое изображение стандартной демонстрации линий поглощения и излучения показано ниже.

В положении$A$можно было бы увидеть спектр поглощения и в положении$B$спектр излучения и объяснение «повторно излучается во всех направлениях» работает очень хорошо.

Отличие от Солнца состоит в том, что «натриевое пламя» окутывает Солнце, а скорость «натриевых фотонов», исходящих от Солнца, меньше, чем скорость появления фотонов с сопоставимыми длинами волн.

Я думаю, что ОП спрашивает: «Куда идут переизлученные фотоны натрия?»

Дело в том, что скорость, с которой фотоны натрия улетают из «натриевого пламенного покрова» вокруг Солнца (внешних слоев Солнца), меньше, чем скорость, с которой улетают фотоны с близкой длиной волны.

Таким образом, внешний слой Солнца довольно непрозрачен для фотонов натрия.

По мере того, как фотоны натрия, которые производятся во внутренних слоях Солнца, проходят через внешние слои Солнца, они поглощаются и переизлучаются, поэтому чистая скорость в прямом (от Солнца) направлении уменьшается, и возникает поток фотонов натрия, возвращающихся к Солнцу.
Здесь они взаимодействуют с более горячими «внутренними» слоями Солнца и не обязательно возникают снова в виде фотонов натрия, длина их волны изменяется.
Они термолизированы (лучшей формулировки я не могу придумать).
Эти фотоны натрия попадают в области внутри Солнца, где они превышают то, что можно было бы ожидать для распределения длин волн для температуры этих внутренних слоев.
Взаимодействия внутри этих слоев уменьшают избыточное количество фотонов натрия, поэтому они перестают быть фотонами натрия.

Таким образом, чистый эффект заключается в том, что «одеяло из натриевого пламени» вокруг Солнца посылает обратно к Солнцу фотоны натрия, которые затем преобразуются в фотоны с другими длинами волн.

Внутренним фотонам Солнца требуется огромное время , чтобы достичь поверхности, и, конечно же, любые спектральные линии теряются.

Спектральные линии, наблюдаемые от Солнца, исходят из внешнего слоя атмосферы Солнца.

Верхняя часть фотосферы значительно холоднее, с температурой всего 4400 Кельвинов; таким образом, более холодный газ с низкой плотностью в верхней части фотосферы создает линии поглощения в солнечном спектре.

Из-за низкой плотности фотоны, наблюдаемые с Земли, попадают к нашим детекторам по прямой линии, а фотоны с правильными частотами для поглощения создают линии поглощения. Фотоны девозбуждения имеют пониженную интенсивность из-за распределения 4pi и низкую вероятность возбуждения другого атома из-за низкой плотности. Таким образом, эти частоты истощаются и проявляются в виде линий поглощения.