L'océan. dans ta cuisine. Des expériences faciles pour comprendre l'océan. GHER Univeristé de Liège

Transcription

1 L'océan dans ta cuisine Des expériences faciles pour comprendre l'océan GHER Univeristé de Liège

2 Comment ça fonctionne: Une série d'expériences sont proposées pour apprendre des concepts basiques sur l'océanographie physique. Les matériaux utilisés sont en général faciles à trouver. Derrière chaque page, on trouve les solutions aux questions posées, ainsi que quelques questions supplémentaires pour approfondir la réflexion. Les expériences peuvent se faire séparément, mais si on envisage de les faire toutes, alors il vaut mieux les faire dans l'ordre proposé.

3 Expérience 1 Distribution des masses d'eau dans l'océan Objectif: revoir quelques propriétés de l'eau Matériel: Un récipient transparent De l'eau 1 canette d'une boisson normale 1 canette d'une boisson light Pas à pas: Remplir le récipient d'eau Mettre les 2 canettes (fermées) au fond du récipient Pour aider à la discussion... Qu'est-ce qu'on observe? Quelle est la différence entre les 2 canettes? Pourquoi une flotte et l'autre plonge?

4 Quelques réponses: La boisson normale contient du sucre, la boisson light de l'édulcorant. Le sucre est plus dense que l'édulcorant: la canette normale a une densité plus élevée que l'eau et elle plonge. La canette light a une densité plus petite que l'eau, et elle flotte. (Il faut aussi tenir en compte l'aluminium du récipient, et l'air qui est à l'intérieur). Et dans l'océan? Il y a pas du sucre, mais bien du...?? Dans l'océan on trouve des masses d'eau avec des densités différentes... pourquoi? Lorsqu'une masse d'eau dense et une masse d'eau plus légère se rencontrent, l'eau plus dense va plonger jusqu'à se retrouver en équilibre avec la densité de l'eau qui l'entoure. Au Détroit de Gibraltar se rencontrent l'eau de la Méditerranée (plus dense) et de l'océan Atlantique (moins dense). L'eau de l'océan Atlantique entre en Méditerranée en surface tandis que celle de la Méditerranée sort par dessous.

5 Expérience 2 Formation d'eau profonde Objectif: revoir encore quelques propriétés de l'eau : l'effet de la température Matériel: Un récipient transparent (une carafe) De l'eau Un glaçon avec du colorant bleu Pas à pas: Remplir le récipient d'eau Ajouter le glaçon Pour aider à la discussion... Qu'est-ce qu'on observe? Pourquoi le glaçon flotte? Pourquoi l'eau du glaçon plonge? Pourrait-on trouver ce phénomène dans l'océan? Comment pourrait-il être généré?

6 Quelques réponses: L'eau à l'état solide (glace) a une densité plus petite qu'à l'état liquide (eau). (Cette propriété de l'eau a été très importante pour permettre à la Terre de sortir des ères glacières) L'eau froide, par contre, a une densité plus élevée que l'eau chaude. Et dans l'océan? Dans le Golfe de Lion en Méditerranée, lorsque le vent souffle de manière soutenue, l'eau de surface refroidit et devient alors plus dense, et elle plonge en profondeur.

7 Expérience 3 Les ondes de surface Objectif: visualiser le mouvement ondulatoire Matériel: Un grand récipient transparent (un ancien aquarium..) De l'eau Un bouchon de liège Du ruban adhésif Un objet solide de ~10-15 cm de long (un morceau de bois, une pierre...) Pas à pas: Remplir 3/4 du récipient d'eau Déposer le bouchon de liège au milieu du récipient. Marquer sa position avec le ruban adhésif sur la paroi du récipient Dans une extrémité de l'aquarium, faire des mouvements ascendants et descendants avec l'objet solide, de manière douce. Pour aider à la discussion... Qu'est-ce qu'on observe? Est-ce que le bouchon se déplace? Comment décrirais-tu ses mouvements?

8 Quelques réponses: L'énergie des ondes générées par l'objet solide se propage, mais pas l'eau. L'eau décrit un mouvement circulaire (dans le sens de déplacement de l'énergie dans les crêtes et dans le sens contraire dans les creux). Au final, le bouchon ne se déplace pas, mais il décrit aussi des mouvements circulaires (mouvements d'aller-retour, et de haut en bas) Et dans l'océan? Lorsque le vent souffle sur l'océan, il génère des ondes de surface qui peuvent se propager sur de très longues distances. Seule l'énergie se propage, et pas l'eau. Vous pouvez observer cela en regardant un bateau à l'arrêt sur une série d'ondes: il monte et descend quand les ondes passent en dessous, mais il n'est pas entraîné par ces ondes.

9 Expérience 4 Stratification (1) Objectif: comprendre l'effet de la température et de la densité dans l'océan Matériel: Un grand récipient transparent (un ancien aquarium..) De l'eau froide De l'eau encore plus froide De l'eau chaude Deux petits bocaux en verre transparent avec couvercle (un pot de marmelade...) Colorant (rouge et bleu) Pas à pas: Remplir 3/4 du récipient d'eau froide. Laisser reposer Remplir le bocal avec l'eau «encore plus froide» et ajouter du colorant bleu Déposer le bocal (fermé de préférence) très soigneusement au fond de l'aquarium, et ouvrir la couvercle, Essayez de bouger le moins possible l'eau de l'aquarium Répéter la procédure avec l'eau chaude, teintée de rouge Pour aider à la discussion... Qu'est-ce qu'on observe? Quelle est la différence entre l'eau rouge et l'eau bleue?

10 Quelques réponses: L'eau chaude est moins dense que l'eau froide, donc elle reste en haut. L'eau «très froide» est plus dense que l'eau froide, donc elle reste en bas. Et dans l'océan? Les masses d'eau dans l'océan sont «ordonnées» du plus chaud au plus froid (en allant de la surface vers le fond). C'est la stratification (disposition de l'eau en couches ou strates). Le soleil réchauffe la surface de l'océan et favorise cette disposition. Par contre, des tempêtes et basses pressions refroidissent l'eau de surface. Cette eau plus froide, comme on a vu précédemment, va alors plonger jusqu'à sa profondeur d'équilibre pour rétablir «l'ordre» des densités.

11 Expérience 5 Stratification (2) Objectif: comprendre l'effet de la température et de la densité dans l'océan Matériel: Un grand récipient transparent (un ancien aquarium..) De l'eau froide De l'eau chaude Colorant (rouge, jaune... pas bleu) Pas à pas: Remplir 3/4 du récipient d'eau froide. Laisser reposer Ajouter du colorant à l'eau chaude Ajouter l'eau chaude, très doucement, au dessus de l'eau froide (éviter au maximum le mélange avec l'eau froide) Pour aider à la discussion... Qu'est-ce qu'on observe? Pourquoi l'eau chaude reste en haut? Quels processus peuvent générer la stratification dans l'océan? Quels processus peuvent détruire la stratification dans l'océan?

12 Quelques réponses: L'eau chaude est moins dense que l'eau froide, donc elle reste en haut. Et dans l'océan? Les masses d'eau dans l'océan sont «ordonnées» du plus chaud au plus froid (en allant de la surface vers le fond). C'est la stratification (disposition de l'eau en couches ou strates). Le soleil réchauffe la surface de l'océan et favorise cette disposition. Par contre, des tempêtes et basses pressions refroidissent l'eau de surface. Cette eau plus froide, comme on a vu précédemment, va alors plonger jusqu'à sa profondeur d'équilibre pour rétablir «l'ordre» des densités.

13 Expérience 6 Mélange Objectif: revoir les mécanismes qui induisent le mélange dans l'océan Matériel: Le récipient transparent de l'expérience 3, avec les 2 couches d'eau Un sèche-cheveux Attention! L'électricité et l'eau ne font pas un bon mélange!! Pas à pas: «Souffler» de manière soutenue avec le sèche-cheveux sur la surface de notre «océan». Le vent doit être parallèle à la surface de l'eau. Pour aider à la discussion... Qu'est-ce qu'on observe? Vois-tu des mouvements à l'interface des 2 masses d'eau? Quelle vitesse ont ces mouvements par rapport à ceux à la surface de l'eau? Observes-tu des mouvements verticaux?

14 Quelques réponses: L'air du sèche-cheveux provoque, par friction, le déplacement de l'eau de surface, qui à son tour induit une friction sur l'eau au dessous, etc. La couche de surface, coloriée, commence alors à se mélanger avec l'eau du fond (claire). Le «vent» génère aussi des ondes internes (des ondes entre l'eau coloriée et l'eau claire). La différence de densité entre ces 2 couches induit une force de rappel (poussée d Archimède) qui est responsable de la propagation de ces ondes. Et dans l'océan? Le vent est un des mécanismes principaux de la génération des courants de surface dans l'océan. Le mélange induit par le vent amène des sels nutritifs essentiels pour la production primaire, à la surface de l'océan. Le vent est aussi responsable des remontées et descentes d'eaux (upwelling et downwelling) près des côtes (avec la force de Coriolis). Les ondes internes dans l'océan peuvent atteindre des amplitudes d'une centaine de mètres! (la surface de l'océan restant quasi immobile).

15 Expérience 7 «Double diffusion» Objectif: Apprendre le concept de double diffusion (concept avancé, mais l'expérience est facile et assez visuelle) Matériel: Le récipient transparent de l'expérience 4, avec les 2 couches d'eau un peu mélangées Des glaçons coloriés (bleu) Pas à pas: Mettre les glaçons coloriés dans le bac d'eau et attendre (5-10 minutes)... facile! Pour aider à la discussion... Qu'est-ce qu'on observe? En quoi diffèrent l'eau de l'aquarium et celle du glaçon? Est-ce que ces différences vont persister indéfiniment?

16 Quelques réponses: La chaleur se diffuse plus rapidement que l'encre. Donc l'eau du glaçon, plus dense que l'eau de surface, plonge mais gagne de la chaleur sur le chemin. Cette eau s'arrête à sa profondeur d'équilibre, ayant toujours une concentration d'encre élevée. Comme l'encre est plus lourd que l'eau pure, sa température doit être alors plus élevée que l'eau en profondeur. À partir de ce moment, si une perturbation amène l'eau chaude teintée vers le bas, elle va rapidement perdre sa chaleur mais pas son encre. Elle devient alors plus dense que l'eau qui l'entoure, et elle plonge d'avantage. Des structures d'encre allongées se forment. Et dans l'océan? Cet événement est appelé «doigts de sel»: le sel joue le rôle de l'encre. Le sel augmente la densité de l'eau, et elle est diffusée plus lentement que la chaleur. Diverses combinaisons peuvent amener à la double diffusion dans l'océan: de l'eau très froide et peu saline des icebergs entouré de l'eau plus chaude et plus salée; de l'eau plus chaude et plus salée (à cause de l'évaporation par l'effet du soleil) de la couche de surface avec l'eau plus froid et moins saline située en dessous... L'effet des doigts de sel sur la distribution des masses d'eau et sur les courants océaniques n'est pas encore bien compris.

17 D'autres sources d'amusement:

18 Une version pdf de cette compilation peut être téléchargée ici: