Circulation thermique des courants

De Wikidebrouillard.

Version du 2 septembre 2015 à 12:40

Présentation de l'expérience

En appliquant une différence de température importante entre les deux côtés d’un aquarium, on créé des courants d’eau qui circulent en continu entre un pôle chaud et un pôle froid, et entre la surface et le fond.

Cette expérience permet d‘illustrer la formation des grands courants océaniques provoquée par les changements de densité de l’eau.

Matériel

• Un aquarium
• Fichier:Glaçon.jpg Un gros glaçon
• Un congélateur
• 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

• Circulation thermique des courants 2

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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