2nde

Les mouvements atmosphériques et hydrosphériques
Samuel Remerand


Place dans la progression et objectifs

Cette activité fait suite à la compréhension des mécanismes responsables des climats et des saisons. Les élèves savent que la sphéricité de la Terre est à l'origine de l'inégale répartition de la chaleur à la surface du globe et donc de zones climatiques. L'inclinaison du globe génère, quant à lui, des saisons. Enfin, la distance au soleil est responsable des contrastes saisonniers plus ou moins importants en fonction de l'hémisphère considéré.

Cette activité doit permettre aux élèves de rechercher les moteurs responsables des mouvements :
- atmosphériques (différence de densité de l'air liée à la sphéricité de la Terre via la température)
- hydrosphériques (différence de densité de l'eau liée d'une part à la sphéricité de la Terre via la température et d'autre part à la salinité)

Objectifs de savoir-faire : extraire des informations d'un schéma, d'une expérience, mettre en relation des données et tirer des conclusions.

Objectifs de savoir : nommer et expliquer les facteurs à l'origine des différents mouvements atmosphériques et océaniques.

Supports et informations scientifiques

Par Groupe :
- 1 sachet de thé vidé de son contenu, dans une coupelle avec des allumettes
(Attention certains sachets de thé ne conviennent pas comme la marque Eléphant, préférer la marque Lepton ou Monoprix !!)
- 1 bécher 200 mL d'eau très froide (glaçons juste fondus)
- 1 bécher 200 ml d'eau chaude
- 1 bécher 200 ml d'eau douce
- 1 bécher 200 ml d'eau salée (85g/250 mL)
- 1 pipette de 1mL pour le bleu de méthylène
- 1 pipette de 5 mL pour l'éosine

Collectif :
- 2 globes terrestres sur lesquels il est possible d'écrire
- un bécher 100 mL d'eau très froide avec du bleu de méthylène et 1 pipette 5 mL spécifique
- un bécher 100 mL d'eau très chaude avec de l'éosine et 1 pipette 5 mL spécifique
- un bécher 100 mL d'eau salée (85g/250 ml) avec du bleu de méthylène et 1 pipette 5 mL spécifique
- un bécher 100 mL d'eau douce avec de l'éosine et 1 pipette 5 mL spécifique
- du bleu de méthylène
- de l'éosine

Déroulement de l'activité

L'activité nécessite 1 heure 30.

1. Les cellules de convection et les moteurs des mouvements atmosphériques

1.1 Les mouvements verticaux

Placer un sachet de thé vidé de son contenu, verticalement dans une coupelle.
Mettre le feu au sachet, par le haut.

Quel constat peut-on faire ?
Que fait donc l'air chaud ? l'air froid ?

Les cendres du sachet de thé, légères, sont aspirées par l'air chauffé par la flamme et finalement montent. Puis l'air se refroidit et l'aspiration du courant chaud diminue, la gravité reprend le dessus, les cendres redescendent. L'air chaud, léger, monte ; l'air froid, plus dense descend.

Rappeler où l'énergie reçue par unité de surface est la plus importante, la plus faible ?
La zone équatoriale reçoit un maximum d'énergie, les pôles reçoivent moins d'énergie par unité de surface.

L'air chaud équatorial crée un appel d'air ou dépression.
Placer D pour dépression sur le schéma ci-dessous.

Les masses d'air froides s'affaissent, redescendent sur le globe. Les masses d'air chaudes des dépressions en s'élevant, se refroidissent et tendent à s'alourdir et donc à redescendre, formant des anticyclones, notés A.

Placer A sur le schéma précédent.

Sur le schéma ci-dessus, représenter maintenant en rouge les mouvements d'air chaud et en bleu les mouvements d'air froid observables à la surface du globe.

1.2 Les mouvements horizontaux

Connaissant le comportement des masses d'air au niveau des dépressions et des anticylones, en déduire les mouvements d'air : A vers D ou D vers A.
De l'anticyclone (A) vers la dépression (D) qui crée un appel d'air.

Ajouter, sur le schéma précédent, les mouvements horizontaux des masses d'air entre D et A.
La boucle formée est une cellule de convection. En réalité il existe 3 cellules de convection par hémisphère.

1.3 La force de Coriolis

La Terre est en rotation et génère donc une force centrifuge ou force de Coriolis, plus fortement ressentie à l'équateur qu'aux pôles. Cette force de Coriolis agit sur les mouvements d'air au sein des cellules de convection, surtout au niveau de l'équateur où cette force est donc plus importante.

Remarque : Cette force de Coriolis est d'ailleurs utilisée pour propulser les fusées dans l'espace. En effet, pour s'extraire de l'attraction terrestre il faut atteindre la vitesse de 39.600 km.h-1, c'est la vitesse de libération de l'attraction terrestre. Or, si aux pôles la vitesse centrifuge est nulle, elle atteint 1.600 km.h-1 à l'équateur. Cette vitesse de rotation de la Terre permet aux ingénieurs de prévoir une vitesse de 39.600 - 1.600 = 38.000 km.h-1 et donc une poussée plus faible pour s'extraire de la gravité terrestre. On dépense donc moins d'énergie à lancer une fusée lorsque cette dernière est sur un pas de tir proche de l'équateur, et donc on limite d'autant le coût des lancements. Les bases de tirs sont le plus proche possible de l'équateur : Cap Canaveral, Kourou. Une base flottante norvégienne est actuellement en passe de réussir le pari de se positionner juste sur l'équateur !

Reporter à la craie sur le globe terrestre, les zones anticycloniques A et dépressionnaire D comme ci-dessous.

Connaissant le mouvement des masses d'air dans une cellule de convection, tracer le parcours des vents de A vers D, dans un hémisphère puis dans l'autre, tout en faisant tourner la Terre de gauche à droite afin de simuler la force de Coriolis. On considèrera pour simplifier, que la planète n'est pas inclinée par rapport à l'axe de révolution.
Reporter maintenant sur le schéma que gardera l'élève, les vents identifiés appelés Alizés.

Quels sont donc les moteurs des mouvements atmosphériques ?
Les moteurs des mouvements atmosphériques sont :
- la sphéricité du globe qui engendre une inégale répartition de l'énergie solaire à la surface du globe génératrice de mouvements verticaux et horizontaux
- la force de Coriolis.

2. Les mouvements hydrosphériques et leur moteur

Remplir un bécher avec 200mL d'eau froide. Déposer 4 gouttes de bleu de méthylène.
Remplir une pipette de 5 mL d'eau chaude colorée à l'éosine puis déposer cette eau au milieu du bécher.

Remplir un bécher avec 200mL d'eau chaude. Déposer 3 mL d'éosine.
Remplir une pipette de 5 mL d'eau froide colorée au bleu de méthylène puis déposer cette eau au milieu du bécher.

Quels constats peut-on faire pour ces deux expériences ?
L'eau chaude est moins dense et remonte au contraire de l'eau froide plus dense qui se maintien au fond.

Quels courants d'eau venez-vous de mettre en évidence avec ces deux expériences ?
Les courants profonds : eaux de surface chaudes, moins denses, et les eaux froides profondes, plus denses. Les eaux chauffées dans la zone équatoriale se refroidissent en allant vers les pôles. Les eaux froides polaires plongent, entrainant à la manière d'un tapis roulant, les eaux de surface. Ces eaux froides profondes glissent sur le fond des océans pour remonter vers l'équateur à la faveur d'up-welling (zones de pêche très poissonneuse).

Remplir un bécher avec 200mL d'eau douce colorée avec 3mL d'éosine.
Déposer avec l'aide d'une pipette, au centre du bécher, 5 mL d'eau salée (85g/250 ml) colorée au bleu de méthylène.

Remarque : La salinité de l'Océan atlantique est de 34.9 g.Kg-1 d'eau, celle de l'Océan indien et de 34.76 g.Kg-1 et celle de l'Océan Pacifique de 34.62 g.Kg-1. Le record de salinité est détenu par la Mer morte : 260 g.Kg-1 (d=1.2, celle du corps = 1.05 : on flotte).

Remplir un bécher avec 200mL d'eau salée colorée avec 4 gouttes de bleu de méthylène.
Déposer avec l'aide d'une pipette, au centre du bécher, 5 mL d'eau douce colorée avec 3mL d'éosine.

Quels constats peut-on faire pour ces deux expériences ?
L'eau douce reste en surface, l'eau salée, plus dense plonge.

Quels courants d'eau venez-vous de mettre en évidence avec ces deux expériences ?
Les courants profonds : eaux de surface moins salées et les eaux profondes plus salées. Les eaux salées qui arrivent au niveau des zones polaires forment des icebergs et autre banquise. Mais ces formations glacées ne contiennent pas de sel, ce qui signifie que l'océan s'est alors enrichi en sel, augmentant du même coup la densité des eaux polaires. Ces eaux, déjà froides et denses, plongent d'autant plus facilement vers le fond qu'elles se sont chargées en sel. Le tapis roulant est encore plus efficace.

Quels sont les moteurs de la circulation des eaux marines profondes ?
La température de l'eau (liée à la sphéricité de la Terre et l'inégale répartition de la chaleur à la surface du globe par unité de surface = origine externe, solaire), et la salinité (origine externe, solaire, par le jeu de l'érosion hydrolique et atmosphérique). Ce sont des différences de densité quiu expliquent les mouvements hydrosphériques.

Quels sont les moteurs de la circulation des eaux marines de surface (vagues) ?
Les mouvements hydrosphériques sont à l'origine de vagues. Les mouvements atmosphériques sont également liés à la sphéricité de la Terre et l'inégale répartition de la chaleur à la surface du globe par unité de surface (= origine externe, solaire)

Schématiser et expliquer les mouvements d'eaux sur le dessin ci-dessous après avoir observer l'expérience.
Deux bouteilles en plastique sont reliées par deux tubes horizontaux. L'étanchéité est réalisée à l'aide de silicone, voire de pâte dentaire, matériau plus résistant dans le temps. L'une des bouteilles baigne dans un cristallisoir remplie d'eau chaude, le second dans un cristallisoir rempli de glaçons. Verser de l'eau à température ambiante dans chacune des bouteilles. Puis déverser en même temps et au milieu des deux bouteilles 5 mL de bleu de méthylène froid dans un compartiment et 5 mL d'éosine chaude dans le second.


Académie de Poitiers
Courrier électronique : samuel.remerand@ac-poitiers.fr
Dernière mise à jour : 10/06/05