En el artículo de hoy, después de la profundidad óptica y la ecuación de transferencia, intentaremos explicar el oscurecimiento del limbo del sol.
1. ¿Qué es el oscurecimiento del limbo?
El oscurecimiento del limbo se refiere al fenómeno donde el brillo disminuye desde el centro hacia el borde al observar una estrella como el Sol.
Para entender esto, es necesario comprender la profundidad óptica y la Ley de Stefan-Boltzmann.
2. Razones detrás del oscurecimiento del limbo
La capa superficial del Sol, la fotosfera, es donde la profundidad óptica es aproximadamente 1.
Para una discusión más detallada sobre la profundidad óptica, consulte el post anterior.
Aquí el problema es que el punto donde la profundidad óptica es 1 varía según la dirección de observación del Sol.
Observe la imagen y la explicación a continuación. La imagen y la explicación son de la Pregunta 6 del examen de oposición para enseñar ciencias de la Tierra de secundaria de 2019 (Parte B).
Para referencia, el material de la imagen y la explicación es de uso libre y todos los derechos de autor pertenecen al Instituto de Evaluación Curricular de Corea.
◦ En la imagen (a), O representa el centro del Sol, C el área central del disco solar, I el área intermedia, y L el área del borde, mientras que d representa la misma profundidad geométrica y R⊙ es el radio del Sol.
◦ En la imagen (b), los puntos desde los cuales llega la luz a la Tierra representan el punto donde la profundidad óptica es 1, donde dc, di, dl son las distancias desde la parte superior de la fotosfera hasta el punto donde la profundidad óptica es 1 en el centro, la parte intermedia y el borde del disco solar respectivamente.
El uso de la imagen anterior facilita un poco la comprensión del oscurecimiento del limbo.
El oscurecimiento del limbo ocurre porque la profundidad del punto donde la profundidad óptica es 1 varía según la dirección de visión del objeto celeste.
Mirando hacia el centro del Sol, la dirección de visión coincide con la dirección geométrica del centro, permitiendo observar más profundamente.
Sin embargo, al acercarse al borde del Sol, la dirección de visión difiere de la dirección geométrica del centro, permitiendo observar menos profundamente.
Si es difícil de entender, consulte la imagen a continuación.
Para facilitar su comprensión, exageradamente he marcado las partes de alta temperatura y alta densidad.
Las propiedades físicas de las estrellas están relacionadas con el radio geométrico R desde el centro del Sol.
Por lo tanto, dibujar un círculo alrededor del punto O resulta en la forma mostrada arriba.
En el punto C, el punto donde la profundidad óptica es 1 puede alcanzar las áreas de alta temperatura y alta densidad, pero en el punto L no alcanza esas áreas.
Si la profundidad del punto que observamos es diferente, surgen dos diferencias:
1) La temperatura en el punto donde la profundidad óptica es 1 es diferente.
2) La densidad de la atmósfera en el punto donde la profundidad óptica es 1 es diferente.Discutamos cada una de ellas.
1) Si la temperatura en el punto donde la profundidad óptica es 1 es diferente...?
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Según la Ley de Stefan-Boltzmann, la cantidad total de radiación emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura, por lo que, cuanta mayor sea la temperatura de la región observada, más radiación se detectará.
Como se puede ver en la imagen de la derecha, la temperatura es mayor cuanto más cerca de la fotosfera.
Cuanto más profundo sea el punto donde la profundidad óptica es 1, mayor será la temperatura, y cuanto mayor sea la temperatura, más radiación se emitirá, lo que hace que se vea más brillante.
Por lo tanto, la luz emitida desde puntos más profundos parecerá más brillante, mientras que la luz de áreas menos profundas parecerá más oscura.
Esto parece resolver parte de la pregunta, pero aún no está completamente resuelto.
En la imagen superior, cada círculo representa la parte superior de la fotosfera hasta el punto donde la profundidad óptica es 1.
Se puede ver que la distancia desde la superficie de la fotosfera hasta el punto donde la profundidad óptica es 1 no es constante, y aumenta a medida que uno se aleja del centro.
Esto está relacionado con la densidad de la atmósfera solar.
2) Si la densidad de la atmósfera en el punto donde la profundidad óptica es 1 es diferente...?
Si la densidad de la atmósfera es diferente, también variará la cantidad de atenuación.
Si la cantidad de atenuación es diferente, también lo será la distancia necesaria para alcanzar la misma profundidad óptica 1.
Por lo tanto, cuanto más cerca de la atmósfera central del Sol, mayor será la atenuación, y por lo tanto, la distancia para alcanzar la profundidad óptica 1 será más corta.
Esto resulta en mayores distancias de atenuación al acercarse a los bordes del Sol.
3. Conclusión: Razones del oscurecimiento del limbo
Las razones del oscurecimiento del limbo al observar el Sol se pueden resumir como sigue:
1) Debido a que el Sol es esférico, se observa una atmósfera de menor temperatura y densidad a medida que se va hacia los bordes del Sol.
2) Si la temperatura es baja, se emite menos radiación, según la Ley de Stefan-Boltzmann.
3) Si la densidad es baja, la opacidad es menor.
4. Conclusión: Pregunta 6 del examen de ciencias de la Tierra de 2019
Por último, una de las preguntas de ese examen parecía bastante interesante.
Con referencia a la imagen (c), indica si las altitudes bajas (0 ∼ 500 km) o altas (500 ∼800 km) del Sol contribuyen más al brillo.
Al observar la profundidad óptica en el gráfico, se puede ver que las altitudes altas del Sol son ópticamente muy transparentes.
Además, utilizando la variación de la profundidad óptica, variación de altura en las derivadas de la profundidad óptica, se puede calcular la densidad media, revelando que las altitudes bajas del Sol son mucho más densas.
Por lo tanto, debido a que las altitudes bajas tienen mayor densidad, temperatura y opacidad, contribuyen más al brillo.
Con esto concluyo con el documento original del problema.
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