نسخة الفيديو النصية
قمر صناعي يدور حول الأرض كان في البداية في ظل الأرض. عندما يتحرك القمر الصناعي حول الأرض، يمر بجزء من مداره يكون معرضًا فيه لضوء الشمس، كما هو موضح بالشكل. يصل القمر الصناعي للاتزان الحراري قبل أن يرجع إلى ظل الأرض. أي تمثيلين من التمثيلات البيانية الآتية يوضحان توضيحًا صحيحًا التغير في الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من القمر الصناعي ودرجة حرارته أثناء دورانه في الفضاء المضاء بالشمس؟
نرى هنا مجموعتين من التمثيلات البيانية. إحداهما تعبر عن التغير في الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من القمر الصناعي، والأخرى تعبر عن التغير في درجة حرارة القمر الصناعي بمرور الزمن أثناء دورانه في الفضاء المضاء بالشمس. للإجابة عن هذا السؤال، سنحدد تمثيلين بيانيين، أحدهما من المجموعة الأولى والآخر من المجموعة الثانية، يوضحان هاتين الظاهرتين توضيحًا صحيحًا.
الحالة الفيزيائية التي نفكر فيها هنا هي قمر صناعي يدور حول الأرض. تشير المعطيات إلى أن القمر الصناعي كان في البداية بعيدًا عن ضوء الشمس. لكن عندما يتحرك في مداره، فإنه يتعرض في النهاية لضوء الشمس، ويظل معرضًا له خلال حركته في هذا الجزء من مداره. هذا الجزء من المدار هو الذي سنتناوله. خلال هذه الفترة الزمنية، نفكر في شيئين: الشيء الأول هو كيفية تغير الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من القمر الصناعي، والشيء الثاني هو كيفية تغير درجة حرارة هذا القمر.
النقطة المهمة هنا هي أن المعطيات تشير إلى أن القمر الصناعي يصل للاتزان الحراري عندما يكون معرضًا لضوء الشمس. هذا يعني أن معدل انتقال الطاقة إلى القمر الصناعي من ضوء الشمس الذي يستقبله، ومعدل انبعاث الطاقة منه من خلال الأشعة تحت الحمراء يصبحان متساويين عند مرحلة ما. وهي المرحلة التي يصل عندها القمر الصناعي إلى الاتزان الحراري. إذا فكرنا في درجة حرارة القمر الصناعي أثناء دورانه في مداره، يمكننا تصور أنه في هذه اللحظة، أي لحظة تعرضه لضوء الشمس، تكون درجة حرارته عند أدنى قيمة. وذلك لأنه قبل وصوله إلى هذه النقطة في مداره، كان بعيدًا عن الشمس وتأثيرها الحراري لأطول فترة ممكنة عبر المدار.
لكن بعد أن يتحرك القمر الصناعي في الجزء المضاء بالشمس من مداره، ترتفع درجة حرارته. ويرجع ذلك إلى أشعة الشمس التي يمتصها، وتحديدًا الأشعة تحت الحمراء القادمة من الشمس. إذن، بالتفكير في أي من هذه التمثيلات البيانية الأربعة يمثل تمثيلًا صحيحًا التغير في درجة حرارة القمر الصناعي بمرور الزمن، وبما أننا افترضنا أن الزمن الابتدائي هو اللحظة التي يمر خلالها القمر الصناعي بالجزء المضاء بالشمس من مداره، فإننا نعلم أنه خلال هذه الفترة الزمنية تحديدًا تبدأ درجة حرارة القمر الصناعي في الارتفاع.
هذا يعني أنه يمكننا استبعاد خيار الإجابة (د). فيوضح هذا الخيار أن درجة حرارة القمر الصناعي تظل ثابتة، لكننا نعلم أن هذا لا يحدث. بالنظر إلى التمثيلات البيانية الثلاثة المتبقية، نتذكر أنه عند نقطة ما في الجزء المضاء بالشمس من مدار القمر الصناعي، يصل القمر للاتزان الحراري كما تشير المعطيات. وكما أوضحنا سابقًا، ينطوي ذلك على حدوث اتزان بين الطاقة التي تنتقل إلى القمر الصناعي والطاقة المنبعثة منه. وعندما يكون معدلا الطاقة هذان متساويين، فهذا يعني أن درجة حرارة القمر الصناعي ستستقر؛ أي ستصل إلى قيمة ثابتة.
إذا نظرنا إلى التمثيل البياني (ز)، فسنلاحظ أنه يشير إلى درجة حرارة يبدو أنها تزداد بمعدل أسرع فأسرع بمرور الزمن. في الوقت نفسه، يوضح التمثيل البياني (ح) درجة حرارة تزداد بمعدل ثابت بمرور الزمن. ولكن نظرًا لأن القمر الصناعي يصل بالفعل للاتزان الحراري، فإننا نتوقع أن يمثل التمثيل البياني (هـ) التغير في درجة حرارة القمر الصناعي تمثيلًا دقيقًا. لاحظ أن هذا التمثيل البياني يوضح استقرار درجة الحرارة بمرور الزمن حتى تصل إلى قيمة ثابتة. هذا دليل على أن القمر الصناعي يصل إلى الاتزان الحراري.
ومن ثم، سنختار التمثيل البياني (هـ) لتمثيل تغير درجة حرارة القمر الصناعي بمرور الزمن أثناء دورانه في الجزء المضاء بالشمس من مداره.
والآن دعونا نفكر في كيفية انبعاث الأشعة تحت الحمراء من القمر الصناعي في الجزء نفسه من مداره. في الحقيقة، يرتبط انبعاث الأشعة تحت الحمراء من القمر الصناعي بدرجة حرارته ارتباطًا وثيقًا. فعندما تكون درجة حرارة القمر الصناعي عند نقطة منخفضة نسبيًّا، كما هو الحال هنا، فإنه لا ينقل قدرًا كبيرًا من الطاقة إلى محيطه من خلال الأشعة تحت الحمراء. لكن، مع ارتفاع درجة حرارة القمر الصناعي أكثر فأكثر، فإن هذا الجسم الأعلى في درجة الحرارة ينبعث منه المزيد من الطاقة من خلال الأشعة تحت الحمراء.
ثمة علاقة بالفعل بين الطاقة المنبعثة من القمر الصناعي ودرجة حرارته. فيزداد معدل انبعاث الطاقة من خلال الأشعة تحت الحمراء مع ارتفاع درجة الحرارة. ولكن بما أن درجة حرارة القمر الصناعي تصل إلى قيمة ثابتة، كما رأينا، بسبب وصوله للاتزان الحراري، فهذا يعني أن معدل انبعاث الأشعة تحت الحمراء من القمر الصناعي يصل أيضًا إلى مستوى ثابت أو قيمة ثابتة. هذا ضروري لحدوث الاتزان الحراري. ونحن نعلم أن هذا الاتزان قد حدث بالفعل.
كما هو الحال مع درجة الحرارة التي تبدأ عند قيمة منخفضة ثم تزداد بسرعة وتستقر بعد ذلك، نتوقع أن تتبع الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من القمر الصناعي التغير نفسه. ولذا نختار التمثيل البياني (ج)، وبذلك تكون الإجابة النهائية هي أن التمثيلين البيانيين اللذين يمثلان تمثيلًا دقيقًا التغير في الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من القمر الصناعي من ناحية والتغير في درجة حرارته بمرور الزمن من ناحية أخرى هما (ج) و(هـ).
