Фамилия Протуберанцев — редкий случай, когда в основе прозвища лежит книжное, а не народное слово. В отличие от тысяч фамилий, образованных от профессий, имён или черт характера, эта отсылает к астрономическому термину «протуберанец» — гигантскому выбросу раскалённой плазмы на Солнце. Очевидно, что такое прозвище не могло возникнуть в крестьянской среде до эпохи Просвещения: простой человек XVII века не знал этого слова. Значит, фамилия сложилась поздно, скорее всего в среде духовенства или, реже, в среде городской интеллигенции XIX века.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: основа («протуберанец») + патронимический суффикс «-ев» (вариант «-ов» после мягкого согласного). Буквально «Протуберанцев» — «сын Протуберанца» или «из рода того, кого прозвали Протуберанцем». Суффикс «-ев» указывает на великорусское происхождение, скорее всего из центральных или северных губерний, где такая модель преобладала.

Кем же мог быть первый носитель прозвища Протуберанец? Самая правдоподобная версия — семинарская. В духовных училищах и семинариях России XVIII–XIX веков существовала традиция давать будущим священникам «искусственные» фамилии, часто на латинский или греческий манер, а также по названиям небесных тел, явлений или церковных праздников. Выпускника, отличавшегося пылким нравом, вспыльчивостью или, напротив, яркой, «сияющей» проповедью, могли в шутку или всерьёз наречь Протуберанцевым. Это объясняет и книжность корня, и его метафоричность.

Менее вероятна, но возможна версия светского происхождения — от прозвища, данного человеку с бурным, «взрывным» характером, который «выкидывал» что-то неожиданное. Однако в крестьянской среде такое сравнение было бы неестественным: солнце и его выбросы в народе называли «языками», «лучами», «огнём», но не «протуберанцами». Поэтому гипотеза о семинарском корне остаётся основной.

Фамилия очень редкая. В дореволюционных адрес-календарях и списках дворянства она не встречается. Поиск по современным базам показывает единичные случаи, сосредоточенные в основном в крупных городах — Москве, Санкт-Петербурге, что подтверждает её позднее, «интеллигентское» происхождение. Однокоренных фамилий (Протуберанов, Протуберанский) практически нет, что делает Протуберанцева уникальным ономастическим артефактом — следом русской образованности и семинарского юмора XIX века.