La météorologie à l école

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1 L eau : - les différents états de l eau ; - évaporation et condensation ; - buée, rosée et gelée blanche ; - pluie, taille des gouttes ; - simuler le cycle de l eau. L air : - Le vent ; - L effet de serre. «Observer le changement climatique» La météorologie à l école avec & La météo des écoles Mesurer les précipitations liquides : - pluviométrie ; - nivologie. Relever les températures : - chaud ou froid ; - le thermomètre. Les connaissances attendues : 1. L eau. Sur Terre, l'eau peut se trouver sous des formes très variées : à l'état solide : glace, neige, givre, grêle à l'état liquide : eau des océans, des mers, des lacs, des rivières ; eau des nuages, des brouillards, de la buée et de la rosée à l'état gazeux : sous forme de vapeur d'eau invisible (et inodore). Pour passer de l état solide à l état liquide (fusion), puis de l état liquide à l état gazeux (vaporisation), un apport d énergie est nécessaire, énergie apportée naturellement par le Soleil. Ces changements d état sont réversibles. Liquéfaction de la vapeur d eau (eau liquide), solidification de l eau liquide (glace). Dans la nature, ces changements successifs se nomment «cycle naturel de l eau». Par exemple, un nuage se forme lorsque de l air humide subit un refroidissement et se transforme en gouttelettes qui tombent, par exemple, en pluie. On parle de précipitations. On peut dire que le brouillard et la brume sont des nuages qui touchent le sol. 2. L air. L air que nous respirons est un mélange de gaz (azote et oxygène) qui entoure la Terre et forme l atmosphère. Cette atmosphère permet à la Terre de garder une température moyenne de 15 C. Ce phénomène est appelé «effet de serre». L augmentation de la quantité de certains gaz dans l atmosphère, comme le gaz carbonique (dioxyde de carbone ou CO2), sont responsables d une augmentation de cet effet de serre. Par ailleurs, l air que nous respirons peut-être chargé de gaz nocifs, de particules, entraînant des problèmes de santé, on dit alors que l air est pollué. 3. Mesures et relevés Présente dans l air, l eau à l état gazeux se mesure avec un hygromètre. La direction de l air en mouvement, du courant d air, du vent est donnée par un manche à air ou une girouette, sa vitesse de déplacement est mesurée à l aide d un anémomètre. L échelle de Beaufort, graduée de 0 à 12, caractérise un vent calme, un coup de vent, une tempête ou un ouragan Un thermomètre indique sa propre température, il faut donc le placer à l extérieur mais à l abri des rayons du soleil, par exemple. Certains thermomètres dits à maxima et minima, indiquent les températures extrêmes entre deux relevés Les précipitations peuvent être liquides le calcul de la quantité d eau tombée se fait à partir des mesures du pluviomètre- ou solides. Attention, la quantité d eau contenue dans la neige est très variable! 3.4. Les relevés de température ainsi que la pluviométrie, donnent lieu à des graphiques et à des calculs de moyennes mensuelles, annuelles ou décennales, permettant de mettre en évidence des variations saisonnières, des constantes climatiques, des comparaisons dans le temps et dans l espace. Parc Naturel Régional du Haut Languedoc CPIE des Pays Tarnais - Centre Pilote Main à la Pâte DSDEN et Atelier Canopé du Tarn

2 A- La glace est-elle de l eau? Sous quelles formes trouve-t-on l eau sur Terre? Objectifs Sur Terre, l'eau peut se trouver sous des formes très variées : à l'état solide : glace, neige, givre, grêle à l'état liquide : eau des océans, des mers, des lacs, des rivières ; eau des nuages, des brouillards, de la rosée à l'état gazeux : sous forme de vapeur d'eau invisible (et inodore). 1. Situation initiale. Ci-dessous : extrait d'une image (prise à partir du satellite NOAA) des îles du Spitzberg (80 de lat. nord, 20 de long. est) et acquise par la station de réception de Dundee en Écosse. à gauche : banquise (glaces d'eau de mer) ; à droite : neige et glace sur le Spitzberg (eau douce) ; au centre et en bas : eau de mer (salée, liquide), en noir ; rues de nuages (eau douce condensée), en gris clair.

3 2. Comment passer d un état à l autre? Matériel nécessaire Petit cristallisoir, boîte de Pétri, glace, ballon, tube à essai, lampe de bureau, source de chauffage, Cocotte-Minute. Expérience n 1 : fusion de la glace, évaporation de l'eau. Au soleil (A) ou sous une lampe (B), déposer un glaçon dans un petit cristallisoir ou une boîte de Pétri. La situation A présentée ci-dessous exige un temps assez long (une demi-journée au soleil, pour mener l'expérience à terme). La situation B s'impose en l'absence de soleil. La situation C permet d'accélérer les changements d'état, mais elle diffère des processus mis en œuvre dans la nature (rôle de l'énergie solaire). Expérience n 2 : la vapeur d'eau, son obtention par ébullition de l'eau, sa condensation à l'état liquide, son caractère invisible L'ébullition de l'eau génère des bulles d'un gaz incolore, la vapeur d'eau. À la surface libre du liquide, les bulles éclatent et le gaz ainsi libéré se mélange à l'air sans qu'il soit détectable à l'œil nu. Lors de la libération brutale de la vapeur d'eau par la soupape d'une Cocotte-Minute, il est aisé de détecter la présence d'un jet de vapeur invisible sur quelques centimètres, entre la soupape et le nuage d'eau condensée qui se forme (cf. schéma). D'autres ressources : Changements d'état, des modules, des séances et des témoignages : Quizz sur les états de l'eau

4 B- Peut-on prouver qu il y a de l eau dans l air? Evaporation et condensation. Attention! Le mot «condensation», d'usage courant pour décrire le changement d'état gaz liquide de l eau, devrait être remplacé par «liquéfaction». Objectifs : Les expériences suivantes ont pour objectif de mettre en évidence les phénomènes physiques fondamentaux affectant l'eau présente dans l'air atmosphérique et soumise au rayonnement solaire. Elles introduisent la notion de chaleur latente importante en météorologie puisqu'on lui attribue environ 50 % de l'énergie transférée de la zone équatoriale vers les pôles. La représentation des états de l'eau dans l'atmosphère peut être introduite à l'aide d'une analogie expérimentale simple. Matériel nécessaire : béchers de différentes dimensions, couvercle transparent (boîte de pétri), balance, lampe de bureau, thermomètres à liquide, thermomètre électronique, gaze, dispositif de chauffage, glace, sel de cuisine, deux petits pots en terre cuite, deux soucoupes ou sous-pots, un thermomètre (infrarouge de préférence). Expérience n 1 : évaporation condensation. Une même quantité d'eau est introduite dans deux récipients identiques dont l'un est ouvert à l'air libre et l'autre fermé par un couvercle transparent. Après exposition au soleil, comparer les volumes de liquide restants et l'aspect du couvercle (présence de gouttelettes d'eau condensée). En l'absence de soleil, une expérience similaire réalisée à l'aide d'une lampe permet de conduire, plus rapidement, à des constatations identiques.

5 Expérience n 2 : aspects énergétiques liés aux changements d'état. La fusion du glaçon en eau liquide, puis le passage de l'eau liquide à l'état de gaz (vapeur d'eau) nécessitent un apport d'énergie. Activités complémentaires : Réaliser les deux expériences ci-dessous qui correspondent à des changements d'état effectués dans le sens opposé à celui des expériences précédentes. Identifier la provenance des gouttelettes d'eau observables à l'extérieur du flacon de glace (1). Observer ce que devient l'eau du flacon (2) lorsqu'elle cède progressivement de la chaleur au mélange réfrigérant constitué de glace et de sel. Expérience n 3 : évaporation et température indiquée par un thermomètre humide. Deux thermomètres identiques A et B donnent la température de l'air de la pièce. Le thermomètre B est immergé dans de l'eau à la température de la pièce, puis ressorti de l'eau. Les gouttelettes d'eau situées sur le bulbe mouillé du thermomètre s'évaporent progressivement. Le thermomètre B indique alors une température inférieure à celle du thermomètre A. L'évaporation des gouttelettes d'eau nécessite de la chaleur qu'elle prélève au milieu environnant (le bulbe du thermomètre B). Le même résultat peut être obtenu avec des thermomètres électroniques. L'expérience est améliorée si la sonde est entourée d'un manchon de gaze qui trempe dans l'eau «chambrée» (à la température de la pièce) et s'humidifie par capillarité. Remarque : ces mesures peuvent être associées à la sensation de froid éprouvée en sortant d'un bain, impression renforcée lorsque le vent souffle. Expérience n 4 : un procédé simple et traditionnel pour garder des boissons fraîches. Deux petits pots de fleurs en terre cuite sont placés côte à côte. De l'eau à la température de la pièce est versée dans le sous-pot de l'un des deux pots de fleurs. Prendre la température des parois de chacun de ces deux pots, l'idéal étant de le faire avec un thermomètre à infrarouge (Cf. ci-dessous,).

6 C- Peut-on obtenir de la buée, de la rosée ou de la gelée blanche? Objectifs : Les expériences suivantes ont pour objectif de montrer quels sont les effets de la condensation au contact de surfaces froides, d'établir la distinction entre buée et gelée blanche, d'aborder la notion de point de rosée et de point de gelée. Matériel nécessaire : Bouteilles en plastique, béchers, eau chaude, eau froide, glace pilée, mélange réfrigérant (2/3 de glace pilée, 1/3 de sel), cornière en aluminium (1m de longueur, section 30 mm, découpée dans le sens de la longueur sur 70 cm environ) support et noix, boite métallique pour le mélange réfrigérant (15 cm. 5 cm. 3 cm), thermomètre électronique, élastique pour maintenir la sonde du thermomètre sur la cornière. Expérience n 1 : conditions de formation de la buée Une bouteille préalablement séchée est refroidie par un courant d'eau (A), puis on y verse un peu d'eau chaude et on agite fortement pour y créer un air fortement humide (B). On vide ensuite la bouteille et on la refroidit par un courant d'eau (C1). Il apparaît alors de la buée à l'intérieur de la bouteille, par contact de l'air très humide avec une paroi froide. En versant de l'eau chaude sur la bouteille (C2), la buée disparaît. Un long refroidissement de la bouteille sous un courant d'eau très froide (C3) peut également entraîner la formation de buée sur la paroi externe, cette fois en provenance de l'air ambiant. Expérience n 2 : conditions de formation de la rosée et de la gelée blanche Deux béchers identiques sont remplis de glace pilée pour l'un (A) et d'un mélange réfrigérant pour l'autre (B). Après quelques minutes, on constate : - la présence de gouttelettes d'eau sur la paroi externe du bécher A (formation de rosée) ; Expérience n 3 : point de rosée, point de gelée L'expérience consiste à disposer un bac contenant un mélange réfrigérant sur une cornière en aluminium (métal dont la conductivité thermique est élevée). Si l'air de la pièce est humide, il se produit une condensation sur la tige d'aluminium : cristaux de glace, puis gouttelettes d'eau, en s'éloignant de la source réfrigérante. Lorsque la température d'équilibre est atteinte, la température du point de rosée peut être estimée à la limite de la condensation. - la présence de cristaux de glace sur la paroi externe du bécher B (formation de gelée blanche).

7 D Qu est-ce que la pluie? Pourquoi les gouttes de pluie ont elles des tailles différentes? Objectifs : Il s'agit ici d'établir la distinction entre condensation et précipitation, de montrer comment les dimensions des gouttelettes ou des particules solides influent sur la genèse et la nature des précipitations. Matériel nécessaire : Tube à essai, soucoupe, pince en bois, vaporisateur, arrosoir, ciseaux, glace pilée, eau chaude, sèche-cheveux, balle de ping-pong, bouteilles en plastique (1,5 et 5 litres). Expérience n 1 : condensation et précipitation. L'expérience consiste à porter à ébullition un peu d'eau contenue dans un tube à essai, puis à exposer une soucoupe froide à l'air chaud humide pour qu'il y ait condensation, puis croissance des gouttelettes jusqu'à la précipitation. À noter que c'est l'accroissement de masse des gouttelettes qui finit par leur faire quitter la face inférieure de la soucoupe. En aucun cas la condensation «de contact» sur la soucoupe ne doit être comparée aux processus d'accroissement des dimensions des gouttelettes qui deviennent précipitantes dans un nuage. Expérience n 2 :genèse des précipitations, formes et dimensions des gouttelettes. Observer la chute de : - la glace finement pilée et broyée ; - gouttelettes émises par un vaporisateur ; - de brouillard répandu en comprimant un flacon déformable dans lequel il a été «créé». - de morceaux de papier de dimensions et formes variées (plats, en boules), lâchés ensemble. Expérience n 3 : précipitations et turbulence. Les turbulences contribuent dans de nombreux cas à maintenir dans le nuage des gouttelettes qui, sans cela, chuteraient. L'expérience consiste à soumettre une balle de ping-pong (modèle de gouttelette) au courant d'air produit par un sèchecheveux (en fonction simple ventilation) muni d'un évent réalisé par découpe d'une bouteille en plastique de 5 litres (schéma). Diverses orientations montrent qu'il n'est pas nécessaire que le flux soit vertical ascendant pour que la balle de ping-pong ne chute pas. Remarquer que les mouvements et les vitesses de chute sont très divers (rôle des frottements aérodynamiques).

8 E Qu est-ce que le cycle naturel de l eau? Objectifs : L'expérience suivante a pour objectif d'introduire la notion de cycle de l'eau, l'un des éléments essentiels à la compréhension des phénomènes atmosphériques, et des précipitations en particulier. Matériel nécessaire : petit cristallisoir ; film plastique translucide (film alimentaire, sac plastique ) ; bille ; autant d'élastiques qu'il faut pour tenir l'ensemble en équilibre ; verre à liqueur ; eau salée ; soleil (ou lampe puissante d'au moins 100 W). Expérience n 1 : cycle de l'eau. Verser 2 à 3 cm de hauteur d'eau salée dans le cristallisoir, placer au centre le verre, puis recouvrir avec le plastique en le fixant hermétiquement avec le(s) élastique(s). Placer une bille en verre sur le film. On peut exposer le tout, soit, idéalement, au soleil, soit à la lampe. On constate l'apparition progressive de gouttelettes d'eau sous le film de plastique. Ces gouttelettes d'eau liquéfiées sont recueillies dans le verre. Expérience n 2 : évaporation (vaporisation), liquéfaction. Repérer la différence de qualité des eaux du cristallisoir et du verre (saveur, apparence), identifier les différents états et changements d'état ainsi que les échanges d'énergie mis en jeu. Noter que la production d'eau distillée peut être réalisée par un montage analogue. Une même quantité d'eau est introduite dans deux récipients identiques, dont l'un est ouvert à l'air libre et l'autre fermé par un couvercle transparent. Après exposition au soleil quelques heures, comparer les volumes de liquide restants et l'aspect du couvercle (présence de gouttelettes d'eau liquéfiée). En l'absence de soleil, une expérience similaire réalisée à l'aide d'une lampe de puissance supérieure à 100 W permet de conduire, plus rapidement, à des constatations identiques.

9 F- Chaud ou froid? Objectifs : Il s agit de mettre en évidence la subjectivité associée à la sensation de chaud et de froid, d'introduire la nécessité de mesurer " l'état " de chaleur d'un corps et de faire apparaître la distinction entre chaleur et température. Matériel nécessaire : Trois cuvettes, trois thermomètres, deux sources de chaleur de même modèle, un récipient de 1 litre, un récipient de 250 ml, glace, sel de cuisine, chronomètre. Expérience n 1 : Chaud ou froid? - Plonger la main droite dans l'eau chaude, la main gauche dans l'eau glacée et rester ainsi environ une à deux minutes. - Plonger ensuite et simultanément les deux mains dans l'eau à température ambiante. Expérience n 2 : La nécessité de la mesure L'expérience précédente est maintenant reconduite avec prise de température simultanée dans les trois récipients. Expérience n 3 : Chaleur et température Deux récipients contiennent l'un 1 litre et l'autre 250 ml d'eau initialement à la même température. Ils sont chauffés à l'aide de dispositifs identiques pendant la même durée, de façon à recevoir la même quantité de chaleur (ne pas dépasser 50 à 60 C). En fin d'expérience, leurs températures diffèrent. Une expérience similaire peut être réalisée avec des récipients contenant un même volume d'eau pure et d'eau salée. Voir aussi : Comment utiliser un thermomètre? p 26 Comment fabriquer un thermomètre - à liquide?.p 42 - à aiguille? p 58 Les températures en météorologie p 64 Le vent P 168 Voir aussi : La météo des écoles

10 G- La pluviométrie Objectifs : Initier aux mesures de précipitations liquides, à la pluviométrie, paramètre important de la climatologie. Matériel nécessaire : Bouteille plastique de 5 L, cutter, gros tube de PVC, éprouvette graduée, un peu de ciment à prise rapide (facultatif). Expérience : Réalisation d'un pluviomètre. Prendre une bouteille plastique transparente, de 5 L. Sectionner la partie supérieure à l'aide d'un cutter (1). Prélever le haut de la bouteille et le retourner sur le corps de celle-ci (2). Une amélioration possible consiste à placer une éprouvette graduée directement à l'intérieur de la bouteille de 5 L (3). Une autre amélioration consiste à isoler la bouteille pour réduire la condensation sur les parois du pluviomètre. Installation du pluviomètre. Activités annexes. Le placer dans un endroit dégagé, à au moins 1,30 m de la surface du sol. Le stabiliser soit : - en utilisant un tube de PVC de grande section ; - en coulant au fond du corps du pluviomètre un peu de ciment liquide à prise rapide. Cela permet également de ménager un "logement" immobilisant le pied de l'éprouvette. H- La nivologie Etalonnage du pluviomètre (modèle sans éprouvette graduée) - verser dans le pluviomètre un volume V d'eau, connu et aussi important que possible ; - mesurer la hauteur h de liquide correspondante, - en déduire la surface captant la pluie : S = V/h - graduer le pluviomètre, à partir des calculs précédents. Etalonnage du pluviomètre (modèle avec éprouvette graduée) La section de l'éprouvette étant inférieure à la surface de captation du pluviomètre, la hauteur des précipitations est "amplifiée" par l'éprouvette. L'activité consiste à établir la table de conversion entre la hauteur lue sur l'éprouvette et la hauteur réelle des précipitations. Objectifs : Initier aux mesures de précipitations solides, à la nivologie, à la climatologie. Matériel nécessaire : Mètre à ruban métallique, boite métallique cylindrique de grand diamètre (ou morceau de tube de PVC de forte section), feuille plastique semi-rigide, récipient pour le "bain-marie", film plastique alimentaire, éprouvette graduée. Mode opératoire : Il importe d'effectuer deux mesures : - la hauteur de la précipitation ; - la hauteur équivalente en eau à l'état liquide. Choisir le lieu de mesure et de prélèvement (non balayé par le vent ; pas d'amoncellement). A - Mesurer la hauteur de précipitations (avec un mètre ruban métallique, par ex.) ; B - Effectuer un prélèvement des précipitations : - prendre une boite métallique cylindrique d'aussi grande section que possible, et de hauteur supérieure à celle des précipitations (1) ;

11 - enfoncer l'ouverture dans la neige (ou la grêle), glisser en dessous une feuille plastique semi-rigide (2) et retourner l'ensemble. Remarque : pour la grêle, mesurer la masse et le diamètre des grêlons moyens et exceptionnels. - attendre la fusion (3) ou l'accélérer très légèrement par un bain-marie à 20 C maxi (pour éviter l'évaporation, placer un film plastique) ; - mesurer le volume d'eau de fusion (4) Activités annexes : Calcul de la hauteur de pluie H, équivalente à la neige tombée : H = V : S V volume d'eau de fusion S surface de réception (ou section de la boite de prélèvement)

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