PREMIERE PARTIE LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT

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1 PREMIERE PARTIE LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT III LES ENVELOPPES EXTERNES DE LA TERRE A Observation de la Terre depuis l espace 1) Les satellites Il existe différents types de satellites : * Les satellites géostationnaires : situés à très haute altitude au niveau de l orbite géostationnaire ( km). Il sont qualifiés de géostationnaires car ils sont toujours situés à la verticale du même point (ex : SPOT, résolution pixel 10 x 10 m) * Les satellites à défilement : sont situés plus bas (250 à 1000 km). Il font un tour de la Terre en quelques heures (ex : Météosat, résolution pixel 5 x 5 km) 2) Les images satellitales Qu est ce qu une image satellitale? L image satellitale n est pas une photographie, mais une image recomposée à partir de l enregistrement par le satellite de différents rayonnements réémis par la Terre. Des radiomètres à bord du satellite captent les ondes émises ou réfléchies dans différentes longueurs d onde. Les énergies reçues par surface élémentaire ou pixel sont transcrites en valeurs numériques qui sont envoyées dans une station au sol qui traduit ces données en images colorées. 3) L utilisation des images satellitales A quoi servent les images satellitales? Les satellites permettent d observer en détail la surface de la Terre. Ils apportent des données importantes sur la structure et l évolution des enveloppes externes de notre planète : l atmosphère (enveloppe gazeuse), l hydrosphère (enveloppe externe regroupant l eau sous ses différents états liquide, solide, gazeux), la lithosphère (ensemble des roches superficielles) et la biosphère (ensemble des êtres vivants et de leurs milieux de vie). Les images satellitales permettent notamment d observer et de suivre les mouvements des masses atmosphériques et océaniques. B Les mouvements des enveloppes fluides 1) L atmosphère terrestre

2 a Structure et composition L atmosphère comporte un ensemble de couches de caractéristiques physiques et chimiques variées. Les deux premières couches la troposphère et la stratosphère- comprennent la presque totalité des gaz atmosphériques, dont la pression diminue régulièrement à mesure que l on s écarte de la surface. Les variations de température, de la richesse en vapeur d eau ou de l ozone déterminent la structure verticale de l atmosphère en fonction de l altitude. L ozone, formé à partir d atomes d oxygène (O3), est situé majoritairement dans la stratosphère. Elle absorbe les rayons UV et a une épaisseur de 37km. b Les mouvements atmosphériques

3 ACTIVITE N 9 ORIGINE DES VENTS DANS LA BASSE ATMOSPHERE Durée : 1 heure Problématique : Comment expliquer les mouvements des masses d air? Objectif : Manipuler, modéliser, interpréter des expériences, raisonner. 1. Premier modèle : Expérience de l encens. Allumez un bâton d encens et positionnez quelques centimètres au dessus de la fumée du bâton d encens un accumulateur de froid pour glacière. - Décrivez en quelques mots le trajet de la fumée. Comment peut-on l expliquer? La fumée se dégageant du bâton d encens incandescent est chaude et légère, elle monte. En contact avec l accumulateur de froid, la fumée refroidit et redescend. - A l aide du modèle précédent, comment expliquer l origine d une haute pression au niveau des pôles et d une basse pression au niveau de l équateur? L équateur reçoit plus d énergie solaire que les pôles. L air froid dense descend au niveau des pôles alors que l air chaud moins dense s élève au niveau de l équateur, créant ainsi une haute pression au niveau des pôles et une basse pression au niveau de l équateur 2. Deuxième modèle : Expérience de la boite à encens. Dans une boîte possédant deux ouvertures, allumer une bougie et la placer, sous le conduit vertical. Placer un bâton d encens dans le conduit horizontal, puis l allumer. - Décrivez en quelques mots le trajet de la fumée de la bougie et du bâton d encens. Comment peut-on l expliquer?

4 Deux phénomènes peuvent être observés. Dans un premier temps, l'air dans la boîte est chauffé par la bougie. Cet air diminue donc de densité et s'échappe par la cheminée A. Le vide d'air créé une dépression au sein de la boîte par rapport à l'extérieur de celle-ci. On a donc un courant d'air de la "haute pression" vers la dépression à l'intérieur de la boîte. Ce mouvement est observable grâce au déplacement de l'encens. - A l aide des deux modèles, expliquez l origine et le mouvement des masses d air dans la troposphère? L équateur reçoit plus d énergie solaire que les pôles. L air froid dense descend au niveau des pôles alors que l air chaud moins dense s élève au niveau de l équateur. Une circulation tend à s établir : elle transporte les masses d air froid des pôles vers l équateur contribuant à son refroidissement et les masses d air chaud de l équateur vers les pôles, contribuant à son réchauffement. 3. Schéma bilan des mouvements des masses d air dans la troposphère. Ajoutez sur ce schéma une flèche bleue et une flèche rouge indiquant les mouvements de masse d air mis en évidence dans le premier modèle, puis deux flèches noires pour le mouvement mis en évidence dans le deuxième modèle. Ajoutez les légendes suivantes : Haute Pression, Basse Pression ; Anticyclone et Dépression. Dans la troposphère, les masses d air sont animées de courants horizontaux et verticaux dont les vents sont les signes les plus évidents. On voit ce que l on appelle une cellule de convection. 4. Conséquences de la rotation de la Terre sur le mouvement des masses d air. Déposer une goutte de colorant sur le sommet de la ½ sphère immobile. Renouveler la même manipulation mais en faisant tourner la ½ sphère. Qu observez-vous? Quelles sont les conséquences sur les cellules de convection qui s établissent entre les pôles et l équateur? La goutte tombe tout droit lorsque la ½ sphère est immobile et lorsque celle-ci tourne, la goutte est déviée. Les masses d air se déplaçant des pôles vers l équateur doivent être déviées. Ce qui entraîne l existence de six cellules de convection au lieu des deux attendues. Pôle Pôle

5 Equateur Equateur Equateur Pôle Pôle c Bilan Les mouvements des masses atmosphériques sont des mouvements verticaux et des mouvements horizontaux. Les mouvements verticaux (ascendance et subsidence) sont dus à des différences de température qui engendrent des différences de densité : l air chaud est plus léger et monte, l air froid est plus dense et descend. Les mouvements horizontaux (vents) sont dus à des différences de pression : les masses d air s écoulent des zones de haute pression vers les zones de basse pression. La circulation des masses atmosphériques est découpée en 3 cellules de convection (mouvements qui s établissent dans un fluide) par hémisphère. La force de Coriolis due à la rotation de la Terre autour d elle même dévie les vents vers la droite dans l hémisphère Nord et vers la gauche dans l hémisphère Sud. La circulation atmosphérique dépend donc des différences de température, des différences de pression ainsi que de la rotation de la Terre. Rem : il existe aussi des mouvements horizontaux dans la stratosphère, les «courants-jets». Les mouvements atmosphériques sont rapides (de l ordre de la dizaine de m/s) et permettent un mélange efficace des gaz et polluants (CO 2, CFC, poussières, etc) à l échelle planétaire. 2) L hydrosphère a Les mouvements océaniques ACTIVITE N 10 ORIGINE DES MOUVEMENTS OCEANIQUES Durée : 1 heure Problématique : Comment expliquer les mouvements océaniques superficiels et profonds? Objectif : Manipuler, modéliser, interpréter des expériences, raisonner. Les masses océaniques sont animées de mouvements de deux types : les courants de surface (qui peuvent être visualisés depuis l espace) et les courants profonds. 1 Comment peut-on expliquer l existence de ces mouvements océaniques à la surface du globe? Emettez des hypothèses sur l origine de ces courants. Les masses d eau superficielles sont en contact avec les masses d air qui comme nous l avons découvert sont en mouvement. Les mouvements des masses d air sont à l origine des mouvements océaniques superficiels.

6 Les océans suivant leur localisation n ont pas la même température, la même salinité, Ces deux facteurs température et salinité sont les moteurs des mouvements océaniques profonds. 2 Origine des mouvements océaniques superficiels. Cartes de la progression de la nappe de pétrole, ainsi que direction et vitesse du vent, pendant les trois semaines qui ont suivi le naufrage de l Amoco Cadiz (d après documents du CEDRE, Brest) Etablissez une relation entre la direction du vent et la propagation de la nappe. Entre le 18/3/78 et 1/4/78 les vents sont à dominantes sud-ouest, et on observe que la nappe se dirige vers le nord-est. A partir 3/4/78 jusqu au 10/4/78 les vents sont à dominantes nord-est, et la nappe se dirige vers le sud-ouest. Du 10 au 15/4/78, les vents sont nord-ouest, la nappe continue à descendre vers le sud en suivant les côtes. La nappe de pétrole et par conséquent les eaux superficielles sont mises en mouvement par les vents. 3 Origine des mouvements océaniques profonds. Expérience 1 :

7 Deux groupes auront à leur disposition : un cristallisoir contenant de l eau à température ambiante, deux burettes, une bouteille contenant de l eau froide colorée au bleu de méthylène et une contenant de l eau chaude colorée à l éosine. Protocole expérimentale : Ouvrir simultanément les robinets des deux burettes placées à la même hauteur dans le cristallisoir, et contenant chacune une eau de température et de coloration différentes. Expérience 2 : Deux groupes auront à leur disposition : un cristallisoir contenant de l eau à température ambiante, deux burettes, une bouteille contenant une solution saline (NaCl à 10 g/l) colorée à l éosine et une contenant une solution saline (NaCl à 30 g/l) colorée au bleu de méthylène. Protocole expérimentale : Ouvrir le robinet de la burette contenant la solution saline à 10 g/l, jusqu à ce que la coloration à l éosine affecte les 3/5 du cristallisoir. Refermer le robinet. Ouvrir le robinet de la burette contenant la solution saline à 30 g/l, jusqu à ce que la coloration au bleu de méthylène affecte la moitié du cristallisoir. Refermer le robinet a. Complétez les schémas des expériences 1 et 2. Expérience 1 Expérience 2 b. Observez et décrivez les positions relatives des colorations dans les deux expériences. Comment peut-on l expliquer? Dans l expérience 1 La masse d eau froide bleue se place en dessous et au dessus se trouve l eau chaude jaune. Dans l expérience 2 La solution saline à 30 g/l de couleur bleu se situe sous la solution saline à 10 g/l de couleur jaune. Une eau froide ou une eau très salée sont plus denses et donc plus lourdes qu une eau chaude ou peu salée. Expérience 3 : Deux groupes auront à leur disposition : deux récipients reliés par deux tubes, une bouteille contenant de l eau froide colorée au bleu de méthylène et une contenant de l eau chaude colorée à l éosine. Protocole expérimentale : Remplir un des récipients avec l eau froide de couleur orange et l autre avec l eau chaude de couleur bleue. Expérience 4 : Deux groupes auront à leur disposition : deux récipients reliés par deux tubes, une bouteille contenant une solution saline (NaCl à 10 g/l) colorée à l éosine et une contenant une solution saline (NaCl à 30 g/l) colorée au bleu de méthylène.

8 Protocole expérimentale : Remplir un des récipients avec la solution saline (NaCl à 10 g/l) de couleur orange et l autre avec la solution saline (NaCl à 30 g/l) de couleur bleue. a. Complétez les schémas des expériences 3 et 4. Expérience 3 Expérience 4 b. Décrivez les phénomènes observés dans les deux expériences. Comment peut-on l expliquer? Une circulation horizontale s est mise en place entre les deux récipients : l eau chaude (ou peu salée) est venue remplacer de l eau froide (ou très salée) dans le récipient «froid (ou très salé)», par le tube du haut, tandis que l eau froide (ou très salée) est venue remplacer, par la base, de l eau chaude (ou peu salée) dans l autre récipient. (La mise en circulation des deux récipients crée dans chacun d eux des mouvements verticaux : - l eau chaude remonte et elle est remplacée par de l eau froide à sa base, tandis que l eau froide qui descend est remplacée au sommet par de l eau plus chaude. - l eau peu salée remonte et elle est remplacée par de l eau très salée à sa base, tandis que l eau très salée qui descend est remplacée au sommet par de l eau peu salée.) c. Quelle conclusion pouvez-vous tirer de ces quatre expériences? Des différences de densité des eaux (liées à la température et à la salinité) sont donc responsables, non seulement de mouvements verticaux (expériences 1 et 2), mais par le biais de ceux-ci, également de mouvements horizontaux (expériences 3 et 4). d. A l aide de l interprétation des expériences réalisées précédemment, représentez les mouvements des eaux entre la surface et la profondeur suivant la latitude, sur le schéma cidessous. Sachant que la formation de glace, aux pôles, prélève de l eau douce dans la mer et entraîne, par conséquent, une augmentation de la salinité océanique à cet endroit. Pôle Nord Glace Niveau de la mer Equateur Citez les caractéristiques de la circulation thermohaline. Les eaux des régions polaires plongent dans l Atlantique Nord d une part, autour de l Antarctique d autre part. Elles parcourent ensuite lentement le fond des bassins océaniques, à une vitesse de l ordre du mm/s.

9 Ces eaux finissent par remonter en surface, très loin de la région où elles ont plongé et très longtemps après (plusieurs siècles). b bilan Les masses océaniques sont animées de mouvements de deux types : les courants de surface (couplées à la circulation atmosphérique et qui peuvent être visualisés depuis l espace) et les courants profonds (liés aux différences de densités dues à des différences de température et de salinité de l eau de mer). Les mouvements verticaux et horizontaux assurent un transfert de chaleur depuis les régions intertropicales vers les régions tempérées et polaires. Ces deux types de courants ont des vitesses de déplacement différentes. Ces vitesses sont plus faibles que celle de l atmosphère et disséminent moins rapidement les polluants à l échelle planétaire. C La lithosphère et la biosphère 1) La lithosphère Couche superficielle de la Terre rigide d épaisseur moyenne comprise entre 70 Kms sous les océans à 150 Kms sous les continents. 2) La biosphère Ensemble de la matière vivante, capable de respiration, de fermentation et de synthèse chlorophyllienne. Respiration : D une manière générale, la respiration désigne tous les processus allant : - De l échange de dioxygène et de dioxyde de carbone entre un organisme et son environnement. - Au niveau cellulaire de la dégradation complète d un substrat organique à la production d énergie. Dans un sens plus restreint : dégradation complète du glucose en CO 2 et H 2 O avec libération d énergie chimique. C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + énergie Fermentation : Dégradation incomplète d un substrat organique avec production d énergie. D une manière générale les fermentations sont anaérobies. Photosynthèse : Fabrication de matière organique à partir de matière minérale (CO 2 + H 2 O + NO 3 - ) et d énergie lumineuse qui se déroule chez les végétaux chlorophylliens.