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Un satellite en orbite autour de la Terre est initialement dans l’ombre de la Terre. Pendant que le satellite se déplace autour de la Terre, il passe dans une partie de l’orbite où il est exposé à la lumière du soleil, comme le montre la figure. Le satellite atteint son équilibre thermique avant de retourner dans l’ombre de la Terre. Quelle paire parmi les graphiques suivant montre le plus correctement comment le rayonnement infrarouge émis par le satellite et la température du satellite varient lorsqu’il se déplace dans l’espace ensoleillé ?
Donc, nous voyons ici deux ensembles de graphiques. L’un concerne le rayonnement infrarouge émis par le satellite, et l’autre concerne la variation de température du satellite au cours du temps lorsqu’il se déplace dans l’espace ensoleillé. Pour notre réponse, nous allons identifier une paire de graphiques, un graphique du premier ensemble et un graphique du second, qui décrivent correctement ces phénomènes.
La situation physique à laquelle nous pensons est un satellite en orbite autour de la Terre. On nous dit qu’au départ, le satellite est dans une position telle qu’il est protégé de la lumière du soleil. Mais lorsqu’il se déplace sur son orbite, le satellite est finalement exposé à la lumière du soleil, et il est exposé à la lumière du soleil tout au long de cette partie de son orbite. C’est la partie de son orbite que nous envisageons. Pendant cet intervalle de temps, nous pensons à deux choses : d’abord, comment le rayonnement infrarouge émis par le satellite change, et deuxièmement, comment la température du satellite change.
Surtout, on nous dit que, tandis que le satellite est au soleil, il atteint l’équilibre thermique. Cela signifie que la vitesse à laquelle l’énergie est transférée au satellite à partir de la lumière du soleil qu’il reçoit et la vitesse à laquelle l’énergie est transférée hors du satellite par le rayonnement infrarouge à un moment donné deviennent égales entre elles. C’est à ce moment que le satellite atteint l’équilibre thermique. Si nous pensons à la température du satellite tout au long de son orbite, nous pouvons imaginer qu’en ce moment, tout comme il émerge dans la lumière du soleil, il est à une température minimale. À ce stade de son orbite, le satellite n’a pas été exposé à la lumière du soleil et à ses effets de réchauffement aussi longtemps que possible, compte tenu de son orbite.
Mais, alors qu’il se déplace dans la partie ensoleillée de son orbite, la température du satellite augmentera. C’est à cause de la lumière du soleil qu’il absorbe, en particulier le rayonnement infrarouge du soleil. Si nous réfléchissons alors auquel de ces quatre graphiques représente correctement la variation de température du satellite au cours du temps, puisque nous laissons l’instant initial être le moment où le satellite retourne dans la partie ensoleillée de son orbite, nous savons que sur l’intervalle de temps d’intérêt, la température du satellite va commencer à augmenter.
Cela signifie que nous pouvons éliminer l’option de réponse (D). Cette option indique que la température du satellite reste constante, mais nous savons que cela ne se produit pas. En considérant les trois autres graphiques, nous rappelons qu’à un moment donné dans la partie ensoleillée de son orbite, le satellite, on nous dit, atteint l’équilibre thermique. Comme nous l’avons dit, cela implique un équilibre entre l’énergie absorber par le satellite et l’énergie dissipée hors du satellite. Lorsque ces taux de transfert sont égaux, cela signifie que la température du satellite se stabilisera ; elle atteindra une valeur constante.
Si nous regardons le graphique (G), nous voyons que cela indique une température qui semble augmenter de plus en plus vite au cours du temps. Pendant ce temps, le graphique (H) montre une température qui augmente à un rythme constant avec le temps. Mais parce que notre satellite atteint l’équilibre thermique, nous nous attendons à ce que le graphique (E) représente avec précision la variation de température du satellite. Notez que ce graphique montre que courbe de la température s’aplatit avec le temps, atteignant une valeur constante. C’est le signe que le satellite atteint son équilibre thermique.
Nous allons donc choisir le graphique (E) pour représenter la variation de température du satellite au cours du temps pendant la partie ensoleillée de son orbite.
Voyons maintenant comment le satellite émet un rayonnement infrarouge sur la même partie de son orbite. Le rayonnement infrarouge émis par le satellite suit en fait assez étroitement la température du satellite. Lorsque la température du satellite est à un point relativement bas, comme c’est le cas, le satellite ne transfère pas beaucoup d’énergie vers son environnement par le biais du rayonnement infrarouge. Mais ensuite, alors que la température du satellite augmente de plus en plus, cet objet de plus en plus chaud transférera de plus en plus d’énergie par le biais du rayonnement infrarouge.
Il existe en fait une connexion entre l’énergie rayonnée par le satellite et la température du satellite. Le taux d’émission d’énergie par le rayonnement infrarouge augmente à mesure que la température augmente. Mais alors, puisque la température du satellite atteint une valeur constante, comme nous l’avons vu, du fait qu’elle atteint un équilibre thermique, cela signifie que la vitesse à laquelle le satellite émet un rayonnement infrarouge atteint également un niveau ou une valeur constante. Cela est nécessaire pour l’équilibre thermique. Et nous savons que cet équilibre est atteint.
Tout comme pour la température - qui commence à une faible valeur, augmente rapidement, puis se stabilise - nous nous attendons à ce que le rayonnement infrarouge émis par le satellite suive la même progression. Nous choisissons le graphique (C) de sorte que notre réponse finale est que la paire de graphiques représentant le plus fidèlement d’une part le rayonnement infrarouge émis par le satellite et d’autre part sa variation de température dans le temps sont les graphiques (C) et (E).
