Science et technologie : Le truc de Newton

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1 Science et technologie : Le truc de Newton Une caractéristique fondamentale de la science c est le lien étroit qui l unit à la technologie. La science cherche les règles du monde matériel et la technologie utilise ces règles pour créer des outils (ex. le radar Doppler), des techniques (ex. le traitement d image par ordinateur) et des procédés de fabrication (ex. la fabrication des circuits intégrés). En retour, ces outils, ces techniques et ces procédés permettent à la science de faire de nouvelles observations et de nouvelles expériences qui conduisent à la découverte de nouvelles règles. La technologie utilise ces nouvelles règles pour créer de nouveaux outils, de nouvelles techniques et de nouveaux procédés qui permettent à la science... Ainsi, la science fait avancer la technologie et la technologie fait avancer la science.

2 Voici deux exemples, touchant aux risques naturels, de la collaboration sciencetechnologie. Le filament de tungstène d une ampoule électrique émet de la lumière, mais il est difficile de contrôler la couleur de cette lumière, sa direction et son organisation. En étudiant la façon dont la matière émet la lumière, Einstein a découvert une règle qui a permis, beaucoup plus tard, de construire des sources de lumière où ce contrôle est possible, les lasers. On trouve la distance à une cible avec précision en mesurant le temps mis par une impulsion lumineuse, émise par un laser, pour toucher la cible et revenir. Un ordinateur peut ainsi tracer la carte topographique de toute une région à partir des données fournies par un laser monté à bord d un avion. On utilise ces cartes précises pour établir les prévisions d inondation. Prévisions d inondation (en bleu) par élévation du niveau de la mer pour la ville de Charlottetown à l Île-du-Prince-Édouard.

3 En étudiant le mouvement des objets, Newton a découvert un truc pour empêcher un objet sans aucun support de s écraser sur le sol. Pour bombarder les Anglais depuis l Allemagne, l ingénieur von Braun a mis au point les fusées V2. Les ingénieurs américains (sous la direction de von Braun) et soviétiques ont utilisé des lanceurs issus des V2 et le truc de Newton pour mettre des satellites en orbite autour de la Terre. Ces satellites permettent aujourd hui aux météorologues d observer de haut la formation des ouragans, de suivre leurs déplacements et de prévenir les gens du danger.

4 La figure suivante montre la trajectoire de l ouragan Katrina qui a dévasté la Nouvelle-Orléans le 29 août Les images proviennent du traitement par ordinateur des données obtenues (à plusieurs longueurs d onde différentes) par un détecteur de rayonnement infrarouge à très haute résolution monté à bord du satellite NOAA-17. On peut voir comment l ouragan a augmenté d intensité audessus de l eau chaude du golfe du Mexique (image 3).

5 Voici en terminant une animation d un satellite géostationnaire.

6 Science et technologie : la circulation de l air Les satellites permettent d observer les grands mouvements qui ont lieu dans la fine pellicule d air qui entoure la planète, l atmosphère. Nous allons observer cette circulation générale sans trop nous poser de questions sur son origine. Sa connaissance apporte un éclairage nouveau à certains risques naturels. L image montre les nuages sur toute la planète à 6:00 (heure locale) le 1er août 2001.

7 L image suivante reprend la précédente, mais on a superposé les nuages à 12:00 (les nuages de 6:00 sont noirs et ceux de 12:00 verts). Si vous vous demandez comment on peut voir les nuages de la partie de la Terre dans la nuit, la réponse est que le satellite ne s intéresse pas à la lumière. Il capte le rayonnement infrarouge que tous les objets émettent tout le temps. Rayonnement IR d un téléviseur

8 1. Sur la Terre, l eau se trouve à la surface, mais les nuages de gouttelettes et de cristaux de glace se trouvent en général à plus de 1 km d altitude. Vous savez que l air chaud et humide qui sort de votre bouche forme de la buée quand il rencontre une surface plus froide. Ces observations nous permettent de penser que les nuages marquent la présence d endroits où de l air relativement chaud et humide part de la surface et monte dans l atmosphère en se refroidissant. Le long de la côte ouest de l Amérique du Sud, l air humide venant du Pacifique se dirige vers l intérieur des terres. Qu est-ce qui force cet air à monter pour donner la bande de nuages visible sur la carte? L air est forcé de monter quand il rencontre la chaîne de montagnes qui borde tout le côté ouest de l Amérique du Sud, les Andes. La bande de nuages se matérialise à la bordure ouest de la chaîne.

9 2. Vous avez sûrement observé l air qui monte au-dessus d un grille-pain chaud ou la vapeur qui monte de l asphalte brûlant après une averse d été. Chauffer fortement la surface de la Terre est donc une autre façon de provoquer la montée d air chaud et humide. L endroit que le Soleil chauffe le plus est marqué par une longue bande de nuages qui fait le tour de la planète. Pourquoi, pendant l été dans l hémisphère Nord, la bande de nuages ne se trouve-t-elle pas sur l Équateur? L équateur n est pas, en général, l endroit le plus fortement chauffé par le Soleil. Pendant l été de l hémisphère Nord, cet endroit se déplace au nord de l Équateur. Cela est dû à l inclinaison de l axe de rotation de la Terre qui fait que l endroit où le rayonnement solaire est le plus direct (moins étalé) est alors au nord de l Équateur. bande la plus chaude Équateur axe rayonnement le plus direct

10 3. La bande de nuages de la question 2 marque la position de la «Zone de convergence intertropicale» (ZCIT). On appelle cette région ainsi parce que la montée de l air chaud aspire l air de surface qui converge vers la ZCIT depuis le nord et le sud. La ZCIT est à l origine de la saison des pluies (la «mousson d été») qui arrose copieusement le Sud- Est asiatique et, notamment, le Bangladesh (jusqu à 10 m d eau en 3 mois). À cause de la masse énorme de l Asie, que le Soleil réchauffe beaucoup plus facilement que la mer, la ZCIT passe au nord de l Inde pendant notre été. De quel endroit provient l eau que les nuages déversent sur le Bangladesh? L image ci-contre permet de constater que la ZCIT aspire vers elle l air du golfe d Arabie (à l ouest de l Inde) et de l océan Indien. L évaporation de l eau de mer charge cet air d humidité et les vents de la mousson d été le transportent au-dessus de l Inde et du Bangladesh. Cela donne la grande masse nuageuse visible sur l image et les pluies abondantes.

11 4. Si l air s élève à certains endroits, il doit nécessairement descendre à d autres endroits et revenir à son point de départ (sinon il se formerait des «trous» dans l atmosphère). C est ce qui fait qu on trouve de part et d autre de la ZCIT, sauf là où des particularités locales jouent (au-dessus de l Indonésie, par exemple), des zones où l air descend vers le sol. Dans la ZCIT, la pluie a déchargé l air d une grande quantité d eau et l air qui descend est donc relativement sec. On ne trouve donc pas beaucoup de nuages dans ces zones latérales. Le fait d avoir de l air qui descend et se réchauffe a d ailleurs l effet de dissiper les nuages. Comme on ne peut pas avoir de pluie sans nuages, l existence de ces bandes a des conséquences dramatiques. Lesquelles? Trouvez un exemple de ces conséquences en Afrique. S il n y a pas de pluie, on a une sécheresse. Si la situation ne change pas pendant l hiver, alors que la ZCIT se déplace plus au sud, on aura une région désertique. C est le cas de l immense désert de l Afrique du Nord, le Sahara, qui reste toute l année dans une zone dégagée.

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13 5. Les boucles formées par l air qui monte et par l air qui descend ne se limitent pas aux régions tropicales de la planète. On en trouve à beaucoup d autres endroits. L Antarctique est un désert froid qui reçoit très peu de précipitations parce qu une zone d air descendant se trouve au-dessus de lui. Trouvez sur la carte de la page 73 la région où cet air a monté. Comment faites-vous pour la trouver? Antarctique Il faut chercher une région nuageuse voisine de l Antarctique, puisque les nuages marquent les régions d air ascendant. On note qu une ceinture de nuages, au-dessus de la mer, entoure l Antarctique. C est donc là que l air monte. Notez la présence d un manque dans l image satellite près de l Antarctique.

14 Circulation de l air autour de l Antarctique en février Animation de la NASA. On voit de nombreux systèmes comme ceux que nous décrirons à la prochaine question. On note aussi l effet des Andes décrit plus tôt.

15 6. La région du globe où nous vivons est marquée par des tempêtes de neige ou de verglas qui naissent de la rencontre entre l air chaud venant des régions tropicales et l air froid venant des pôles. Ces masses d air cherchent à se mélanger, mais cela ne va pas sans peine à cause de deux choses : l air froid, de masse volumique plus grande, se glisse sous l air chaud (principe d Archimède) ; les mouvements de l air se font en tournoyant (effet Coriolis : voir Comprendre la rotation des ouragans). Le dessin montre une tempête qui naît d une telle rencontre : les nuages se forment parce que l air chaud et humide est forcé de monter.

16 La photo montre une tempête à un stade un peu plus avancé que celle du dessin précédent (Photo du projet WW2010, University of Illinois). Dessinez le front sur la photo ; le front est la surface de contact entre l air froid et l air chaud. Comment connaissez-vous sa position? AIR FROID AIR CHAUD D après la figure précédente, on doit se fier aux nuages pour «voir» le front. On remarque deux bandes de nuages qui marquent la position du front froid (en bleu) et du front chaud (en rouge). Note : La tempête de verglas de 1998 n était pas de ce type, mais le principe était semblable. La masse d air froid était immobile et une masse d air chaud et humide venant du sud montait dessus et formait les nuages. La pluie traversait ainsi une couche d air froid juste assez épaisse pour qu elle ne tombe ni en eau ni en neige.

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18 7. Si vous pratiquez des activités de plein air, vous savez que le vent dans la région de Montréal-Laval a une direction dominante. Observez le déplacement des nuages entre 6:00 et 12:00 et dessinez une flèche montrant la direction générale du vent. Les nuages de 6:00 apparaissent à l ouest et un peu au sud sous les nuages de midi. Le vent vient donc de l ouestsud-ouest. C est la direction des vents dominants

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