Circulation thermique des courants

De Wikidebrouillard.

(Présentation de l'expérience)
 
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=='''Présentation de l'expérience'''==
=='''Présentation de l'expérience'''==
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Comment se créent les courants marins ?
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Cette expérience nous montre le fonctionnement des courants marins grâce à un colorant.
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La température est l'un des moteurs des courants océaniques, comment cela fonctionne-t-il ?
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Pour ce faire, nous avons placé un glaçon dans un aquarium rempli d'eau et nous avons introduit du colorant près du glaçon. Ensuite nous avons suivi le colorant.
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== '''Matériel''' ==
== '''Matériel''' ==
* Un [[aquarium]]
* Un [[aquarium]]
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* [[Image:Glaçon.jpg|50px]] Un [[glaçon]]
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* [[Image:Glaçon.jpg|50px]] Un gros [[glaçon]] ou un pain de glace
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* Un congélateur
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* [[Image:Cartouche d'encre.jpg|50px]]De l'[[encre]] ou du colorant
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* [[Image:Cartouche d'encre.jpg|50px]]De l'[[encre]] de couleur bleue
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* [[Image:Spot.jpg|50px]] Une lampe chauffante
* [[Image:Spot.jpg|50px]] Une lampe chauffante
* [[Image:Eau.jpg|50px]] De l'eau
* [[Image:Eau.jpg|50px]] De l'eau
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==='''Que voit-on ?===
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On observe qu'en se refroidissant, l'eau devient plus dense et descend dans le fond de l'aquarium. Quand elle arrive du côté chaud, elle devient plus légère et remonte. Cela crée un mouvement entre l'eau chaude et l'eau froide.
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On observe que l’eau colorée déposée au bord du glaçon plonge vers le fond de l'aquarium. Quand elle arrive du côté chaud, elle remonte jusqu'en surface. Si on dépose ensuite de l’eau colorée au niveau du côté chaud, celle-ci glisse vers le glaçon avant de plonger à son tour. Cela crée un mouvement de circulation continue.
== '''Explications''' ==
== '''Explications''' ==
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==='''De manière simple'''===
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''À gauche de l'aquarium''
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Le gros glaçon flotte et il refroidit l'eau en surface autour de lui. Lorsqu’on dépose l'eau colorée près du glaçon, celle-ci est refroidie à son contact. Comme sa température descend, sa densité augmente par rapport à l’eau de surface plus chaude, c’est pourquoi elle descend.
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Le gros glaçon flotte et il refroidit l'eau en surface autour de lui. L'eau sous ce gros glaçon est donc plus chaude que cette eau de surface.
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En glissant dans le fond de l’aquarium, l’eau froide continue sur son élan jusqu’à atteindre le côté réchauffé par la lampe, et elle se réchauffe à son contact. Comme sa température augmente, sa densité diminue, et l’eau remonte donc jusqu’en surface.
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On voit que l'eau de surface (colorée) descend. Eh oui, puisqu'elle est plus froide, elle "coule" dans l'eau plus chaude !
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''À droite de l'aquarium''
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En remontant, cette eau réchauffée pousse devant elle l’eau de surface, qui atteint à son tour le glaçon, se refroidit, et donc sa densité augmente, et l’eau ainsi refroidie coule en poussant l’eau du fond vers le côté chaud, et ainsi de suite. Cette circulation se perpétue tant qu’il existe une forte différence de température qui modifie la densité de l’eau d’un côté à l’autre de l’aquarium.
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C'est le raisonnement inverse ! Si l'eau froide descend dans l'eau chaude, c'est que l'eau chaude monte dans l'eau froide.
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Donc si on chauffe le fond de l'aquarium avec une lampe (à droite), l'eau chaude monte (dans l'eau du dessus plus froide).
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''Et au milieu ?''
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Une explication est que l'eau qui descend sous le glaçon va "s'étaler" au fond de l'aquarium et va donc finir par atteindre la lampe à droite de l'aquarium ! De la même façon, l'eau réchauffée par la lampe va monter, "s'étaler" à la surface, atteindre le glaçon, replonger...
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=== '''Questions sans réponses''' ===
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La lampe doit éclairer le fond de l'aquarium à droite, non ?
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Sinon, l'eau chaude en surface ne bougerait pas par rapport à l'eau sous elle...
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Cela illustre-t-il le principe de circulation océanique ? Où le glaçon symboliserait un pôle, et la lampe le soleil à l'équateur (mais cela est incompatible avec l'interrogation précédente...) ?
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=== '''Allons plus loin dans l'explication''' ===
=== '''Allons plus loin dans l'explication''' ===
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Imaginez que vous êtes assis sur le quai d'un port. Vous voyez passer un cargo de plusieurs milliers de tonnes. ''"Comment ce monstre de ferraille peut faire pour flotter ?"'' pensez-vous... Un "PLOUF", vous sort de votre méditation. Ce sont vos clés de voiture qui sont sorties de votre poche pour prendre un bain. Et même si elles ne pèsent que quelques grammes, elles coulent.
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Dans cette expérience, la notion phare est la densité. Plus on est dense, plus on coule ! Et logiquement, moins on est dense, plus on flotte !
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Cette douloureuse histoire illustre le fait qu'il n'y a pas de lien direct entre le fait d'être léger et le fait de flotter !
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Qu'est-ce que la densité ? Pour faire simple, c'est le rapport entre le poids et le volume.
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Par exemple, un kilo de plomb prend moins de place qu'un kilo de plume.
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Cela montre que le plomb est plus dense que les plumes, car pour le même poids, le plomb occupe un volume plus faible que celui occupé par les plumes.
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Revenons à notre expérience, la notion phare qui se cache derrière c'est la densité. Plus on est dense, plus on coule ! Et logiquement, moins on est dense, plus on flotte !
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En se réchauffant l’eau, comme l’air, se dilate. Un kilo d’eau chaude prend donc plus de place qu’un kilo d’eau froide, on dit que l’eau chaude est moins dense que l’eau froide. L’eau chaude, moins dense, aura tendance à remonter en surface tandis que l’eau froide, plus dense, va couler.
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(Voir les articles [http://fr.wikipedia.org/wiki/Masse_volumique Masse volumique] et [http://fr.wikipedia.org/wiki/Densité Densité] sur Wikipédia)
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Alors c'est quoi la densité ? Pour faire simple, c'est le rapport entre le poids et le volume.
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Dans notre expérience, on a provoqué une différence importante de température et donc une différence de densité entre les masses d’eau, qui coulent et remontent en se poussant les unes les autres, au fur et à mesure que leur densité change.
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Deux images servent à comprendre ce rapport :
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- Un kilo de plomb prend moins de place qu'un kilo de plume.
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Ce mouvement cyclique reconstitue une partie des mécanismes qui contrôlent la circulation des courants marins. En effet la densité des masses d’eaux des océans  dépend d’une part de leur température (plus l’eau est froide plus elle est dense), et d’autre part de leur salinité (plus l’eau est salée, plus elle est dense).
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Le plomb est donc plus dense que les plumes.
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- Un litre d'eau est plus lourd qu'un litre d'huile.
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Le « moteur » principal de la circulation des courants océaniques est la différence de densité, liée aux différences de température et de salinité entre les zones tropicales et les pôles. On appelle ce phénomène « circulation thermo-haline ».
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L'eau est donc plus dense que l'huile.
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Aux pôles, les eaux se refroidissent et leur salinité augmente lors de la formation des masses de glace (dont le sel est expulsé), ce qui augmente leur densité. Les eaux qui atteignent les pôles plongent donc vers le fond des océans. Lorsque ces eaux froides (entre 0 et 4°C) et profondes arrivent en zone tropicale, elles se réchauffent, donc leur densité diminue, et elles remontent en surface. Il faut plus d’un millier d’années pour qu’une goutte d’eau qui voyage dans les courants océaniques effectue un circuit complet depuis un même point de l’océan.
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Il se trouve, ensuite, que plus l'eau est froide, plus elle est dense. Et plus elle est chaude, moins elle est dense.
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Conclusion :
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- Plus on est froid -> plus on est dense -> plus on coule.
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- Plus on est chaud -> moins on est dense -> plus on flotte.
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Donc la notion qui relie la température au mouvement de l'eau, c'est la densité !
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Par contre on n'a pas encore répondu à "Pourquoi la température change la densité ?"
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La définition de la densité donnée ici ne donne pas d'image trompeuse, mais elle est imparfaite. Voir les articles [http://fr.wikipedia.org/wiki/Masse_volumique Masse volumique] et [http://fr.wikipedia.org/wiki/Densité Densité] sur Wikipédia pour aller encore plus loin !
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== '''Liens avec d'autres expériences''' ==
== '''Liens avec d'autres expériences''' ==
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==='''Expériences sur Wikidébrouillard'''===
==='''Expériences sur Wikidébrouillard'''===
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* [[Thermo-circulation des courants]]
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* [[Circulation thermique des courants 2]]
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==='''Autres expériences'''===
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== '''Applications : liens avec le quotidien''' ==
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Liens internet.
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La circulation thermo-haline est le principal phénomène qui contrôle le déplacement des masses d’eaux profondes dans les océans du globe. En surface, les mouvements des courants crées par la circulation thermo-haline sont également influencés par les vents.  
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Pourquoi ne pas [[Aide:Aide#Comment_cr.C3.A9er_une_nouvelle_page_.3F|créer la fiche expérience]] !
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Les transferts de chaleur liés au déplacement de ces courants océaniques participent à la régulation des climats sur le globe.
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== '''Applications : liens avec le quotidien''' ==
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* Les courants marins
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Le courant chaud qui remonte de l’équateur le long des côtes atlantiques américaines est le Gulf Stream. La plongée d’eaux froides et denses au niveau de l’Arctique aspire une partie des eaux du Gulf Stream, en formant un courant appelé « Dérive Nord-Atlantique », qui traverse l’Atlantique et vient réchauffer les côtes européennes.
=='''Catégories'''==
=='''Catégories'''==
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[[Catégorie:Géosciences]]
[[Catégorie:Géosciences]]
[[Catégorie:Physique]]
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[[Catégorie:expérience]]
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[[Catégorie:sciences de la vie et de la Terre]]
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[[Catégorie:mediaspip]]
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Version actuelle en date du 1 juillet 2016 à 14:19

La vidéo "Circulation thermique des courants"

Sommaire

Présentation de l'expérience

Comment se créent les courants marins ?

La température est l'un des moteurs des courants océaniques, comment cela fonctionne-t-il ?

Matériel

  • Un aquarium
  • Un gros glaçon ou un pain de glace
  • De l'encre ou du colorant
  • Une lampe chauffante
  • De l'eau

L'expérience

En vidéo

La manipulation

  • Remplir l'aquarium d'eau, allumer la lampe chauffante et attendre 5 minutes que l'eau se réchauffe près de la lumière.
  • Déposer le glaçon du côté opposé à la lumière et déposer de l'encre au bord du glaçon.
  • Attendre et observer le mouvement de l'eau dans l'aquarium. Ensuite, déposer de l'encre du côté de la lumière et observer la réaction.

Que voit-on ?

On observe que l’eau colorée déposée au bord du glaçon plonge vers le fond de l'aquarium. Quand elle arrive du côté chaud, elle remonte jusqu'en surface. Si on dépose ensuite de l’eau colorée au niveau du côté chaud, celle-ci glisse vers le glaçon avant de plonger à son tour. Cela crée un mouvement de circulation continue.

Explications

De manière simple

Le gros glaçon flotte et il refroidit l'eau en surface autour de lui. Lorsqu’on dépose l'eau colorée près du glaçon, celle-ci est refroidie à son contact. Comme sa température descend, sa densité augmente par rapport à l’eau de surface plus chaude, c’est pourquoi elle descend.

En glissant dans le fond de l’aquarium, l’eau froide continue sur son élan jusqu’à atteindre le côté réchauffé par la lampe, et elle se réchauffe à son contact. Comme sa température augmente, sa densité diminue, et l’eau remonte donc jusqu’en surface.

En remontant, cette eau réchauffée pousse devant elle l’eau de surface, qui atteint à son tour le glaçon, se refroidit, et donc sa densité augmente, et l’eau ainsi refroidie coule en poussant l’eau du fond vers le côté chaud, et ainsi de suite. Cette circulation se perpétue tant qu’il existe une forte différence de température qui modifie la densité de l’eau d’un côté à l’autre de l’aquarium.

Allons plus loin dans l'explication

Dans cette expérience, la notion phare est la densité. Plus on est dense, plus on coule ! Et logiquement, moins on est dense, plus on flotte !

Qu'est-ce que la densité ? Pour faire simple, c'est le rapport entre le poids et le volume.

Par exemple, un kilo de plomb prend moins de place qu'un kilo de plume. Cela montre que le plomb est plus dense que les plumes, car pour le même poids, le plomb occupe un volume plus faible que celui occupé par les plumes.

En se réchauffant l’eau, comme l’air, se dilate. Un kilo d’eau chaude prend donc plus de place qu’un kilo d’eau froide, on dit que l’eau chaude est moins dense que l’eau froide. L’eau chaude, moins dense, aura tendance à remonter en surface tandis que l’eau froide, plus dense, va couler. (Voir les articles Masse volumique et Densité sur Wikipédia)

Dans notre expérience, on a provoqué une différence importante de température et donc une différence de densité entre les masses d’eau, qui coulent et remontent en se poussant les unes les autres, au fur et à mesure que leur densité change.

Ce mouvement cyclique reconstitue une partie des mécanismes qui contrôlent la circulation des courants marins. En effet la densité des masses d’eaux des océans dépend d’une part de leur température (plus l’eau est froide plus elle est dense), et d’autre part de leur salinité (plus l’eau est salée, plus elle est dense).

Le « moteur » principal de la circulation des courants océaniques est la différence de densité, liée aux différences de température et de salinité entre les zones tropicales et les pôles. On appelle ce phénomène « circulation thermo-haline ».

Aux pôles, les eaux se refroidissent et leur salinité augmente lors de la formation des masses de glace (dont le sel est expulsé), ce qui augmente leur densité. Les eaux qui atteignent les pôles plongent donc vers le fond des océans. Lorsque ces eaux froides (entre 0 et 4°C) et profondes arrivent en zone tropicale, elles se réchauffent, donc leur densité diminue, et elles remontent en surface. Il faut plus d’un millier d’années pour qu’une goutte d’eau qui voyage dans les courants océaniques effectue un circuit complet depuis un même point de l’océan.

Liens avec d'autres expériences

Expériences sur Wikidébrouillard

Applications : liens avec le quotidien

La circulation thermo-haline est le principal phénomène qui contrôle le déplacement des masses d’eaux profondes dans les océans du globe. En surface, les mouvements des courants crées par la circulation thermo-haline sont également influencés par les vents.

Les transferts de chaleur liés au déplacement de ces courants océaniques participent à la régulation des climats sur le globe.

Le courant chaud qui remonte de l’équateur le long des côtes atlantiques américaines est le Gulf Stream. La plongée d’eaux froides et denses au niveau de l’Arctique aspire une partie des eaux du Gulf Stream, en formant un courant appelé « Dérive Nord-Atlantique », qui traverse l’Atlantique et vient réchauffer les côtes européennes.

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