Densité des eaux et circulation océanique · 2019-04-08 · e e2 année du 2 cycle du secondaire...

2eannéedu2ecycledusecondaire:ST-STE

©Crédits:Document conçupar IsabelleArseneau,Centrededémonstrationen sciencesphysiques, etÉricArsenault, enseignant,Commission scolaire des Premières Seigneuries (CSDPS); avec la collaboration de LineRinguet, technicienne en travaux pratique(CSDPS),DanielBourgaultetDanyDumont,ISMER.

Densitédeseauxetcirculationocéanique-Documentdel’enseignant-

1.IntroductionLacirculationocéaniqueestfondamentalepourlathermorégulationdesclimatsetlaredistributionde plusieurs constituants des eaux: substances dissoutes ou en suspension, plancton, polluants,sédiments,etc.Lescourantsdans lesocéanstransportentde l’énergiesous formedechaleur,maiségalement sous la forme de biomasse (comme le plancton). Ce transport relève d’unemécaniqueextrêmementcomplexeetestencoretrèsdifficileàprévoir.Malgrétout,cettedynamiquereposesurdesphénomènesconnusetaccessiblespourdesélèvesdequatrièmesecondaire.

Nouscroyonsquelesnotionsintroduitesparcetteactivitépermettrontdefaireapprécierauxélèvesquelqueseffetsfascinantsetencoremalconnusdelacirculationocéanique,maisaussidegoûteruninstant à l’idée de complexité, ce qui saura peut-être intriguer et susciter une attitude dequestionnement,importantedansl’apprentissagedessciences.2.IntentionspédagogiquesL’intention pédagogique de cette activité est de permettreaux élèves d’observer concrètement des facteurs quiinfluencentlacirculationdescourantsocéaniquesensurfaceet en profondeur. 1 Plus particulièrement, les élèvesexpérimenteront les effets de la salinité sur la densité del’eau.Unedémonstration surprenantepermettra ensuitedetransférerleurobservationpourcomprendrelesfondementsde la circulation thermohaline. En complément, il seraquestiondesforcesquicausentlacirculationocéanique,soitlapression, la friction, lagravitéet la forcedeCoriolis (uneforcefictive).

Outre la présentation d’éléments issus de la progression des apprentissages (voir en ce sens lasection qui suit), l’intention de cette activité est aussi de faire apprécier la beauté de certainsphénomènestouteninitiantlesélèvesàl’idéedecomplexitépropreàlacompréhensionscientifiquedephénomènesocéaniquesetclimatiques.Ils’agitlàd’une«scienceentraindesefaire»,c’estàdired’un champ de recherches actuel impliquant des incertitudes et posant encore de nombreusesquestionsimportantes.Pensonsparexempleàl’impactdeschangementsclimatiquessurlafontedesglaciersoudesbanquisesquiperturbelacirculationocéanique,unexempleparmitantd’autres…

Parailleurs,nouscroyonsqu’ilimportedeprésenterauxjeunesdusecondairedesportraitsréalistesde chercheur(e)s ouvert(e)s sur la société et qui choisissent de partager leur expertise, soit pourcommuniquer lascienceautrement,soitpourparticiperaux conversationspubliques.Celapermet,entreautres,deparlerdepratiquesderechercheactuellesdanslebutd’enrichir laconceptiondessciencesdesélèvesetdelesintéresseràl’activitéscientifique.Lesportraitsdedeuxocéanographesphysicienssontprésentésàlasection7decedocument. 1Notonsquelecontenudecedocument(conceptsscientifiquesetdémonstration)s’inspirefortementdutravailréalisépardeux océanographes physiciens. Il a été adapté pour en faire une situation d’apprentissage destinée aux élèves de 4esecondaire (STE).Référence complète: Bourgault,D., etDumont,D. (2014).Circulationocéaniqueet légendesurbaines–Notions intermédiaires et démonstrations attrayantes. p. 1-11. [En ligne: https://www.pistes.fse.ulaval.ca/fichiers/site_pistes/documents/version/2754/SaliniteMasseVolumiqueCirculationOceanique.pdf]

Sourceimage:https://en.wikipedia.org/wiki/Thermohaline_circulation

3.Élémentsdelaprogressiondesapprentissages

3.1Élémentsprincipaux:a)Concentration

• Déterminerlaconcentrationd’unesolutionaqueuse(g/L,pourcentage,ppm,mol/L).

b)Hydrosphère-Salinité• Définirlasalinitécommeétantunemesuredelaquantitédeselsdissousdansunvolume

donné.• Décrirel’influencedelasalinitésurlamassevolumiqued’unesolution.

c)Hydrosphère-Circulationocéanique• Décriredesfacteursquiinfluencentlacirculationdescourantsensurfaceetenprofondeur

(ex.:vents,rotationterrestre,température,salinité,massevolumique).• Décrirelerôledelacirculationthermohalinesurlarégulationduclimatplanétaire(ex.:effet

duGulfStreamsurleclimatdelacôteestdel’AmériqueduNord).

d)Hydrosphère–Glacieretbanquise• Distinguerunglacierd’unebanquise.• Décrirecertainsimpactsliésàlafontedesglaciersoudesbanquises(ex.:hausseduniveau

delamer,perturbationdelacirculationthermohaline). 3.2Élémentscomplémentaires:a)Effetdeserre

• Décrirel’effetdeserre.• Expliquerdesconséquencesdel’augmentationdelaconcentrationdesgazàeffetdeserre

(ex.:réchauffementclimatiquepouvantcauserunehausseduniveaudelamer,uneperturbationdesécosystèmes,lafontedesglaciers).

b)Régionsclimatiques• Facteursinfluençantladistributiondesbiomes:Décriredesfacteursgéographiqueset

climatiquesquiinfluencentladistributiondesbiomes(ex.:latitude,humidité,température,salinité).

• Biomesterrestres:Décrirediversbiomesterrestres(ex.:faune,flore,climat,typedesol).• Biomesaquatiques:Décrirediversbiomesaquatiques(ex.:faune,flore,température,

salinité). 4.Variationdeladensitédel’eauselonsasalinité:uneintroduction4.1 Amorce:démonstrationsurlaflottabilitédecanettesdeboissonsgazeusesDansungrandbassin(unaquariumdepréférence),l’enseignantdéposedansl’eau,uneaprèsl’autre,descannettesdeboissonsgazeusesdedifférentesmarquesdontcertainessontdiètes.Onobserveraquecertainescoulentaufonddubassinalorsqued’autresflottentàlasurface.Cettedémonstrationsurprenante permet d’engager une discussion avec les élèves afin de trouver ce qui pourraitexpliquerpourquoicertainescannettesflottenttandisqued’autrescoulent.

4.2 LaboratoireexpérimentalMatériel:

• Unbecherde600mL• Troispetitssacsàfermeture

hermétique(detypeZiplock)• Unebalance• Eaudurobinet• Alcool• Seldepiscine(ouseldetable)• Cylindregraduéde100mL

• Fiolejaugéede100mL• Fiolejaugéede500mL• Compte-gouttes• 2nacellesdepeséegrandformat• Spatule• Entonnoiràsolide• Flaconlaveur

A) Lesélèvesélaborentunprotocolepourpréparer100mLd’eausaléedontlasalinitéseracelle

de lamoyenne des océans dumonde (35‰)2. Ce protocole doit faire intervenir l’utilisationd’unefiolejaugée.

B) Les élèves élaborentunprotocolepourpréparer500mLd’une solutiondont la salinité seracelledelaMerMorte(275‰).Ceprotocoledoitfaireintervenirl’utilisationd’unefiolejaugée.

C) Lesélèvessuiventleprotocoleci-dessous.Protocole:

1. PréparerlesdeuxsolutionssalinesensuivantlesprotocolesélaborésauxétapesAetB.2. Mesurer100mLd’eaudurobinetàl’aideducylindregradué.3. Versercetteeaudansunpetitsacàfermeturehermétique.4. Fermersoigneusementlaglissièredusacens’assurantdenepaslaisserdebullesd’airdansle

sac.Faireattentionque le liquidenesortepasdusacenfaisantcetteopération.Sinon, il fautrecommencer.

5. Recommencerlesétapes2à4enremplissantundeuxièmesacavecdel’alcooletuntroisièmesacaveclasolutionsaléeà35‰,préalablementpréparée.

6. Peserchacundestroissacsàl’aidedelabalance.7. Remplir le becher de 600 mL approximativement à 500 mL avec de l’eau du robinet à

températuredelapièce.8. Déposersuccessivementchacundessacsdeplastiquedansl’eaudubecher.9. Noterlecomportementdeceux-cidansl’eau.10. Viderl’eaudubecher.11. Remplir le becher avec la solutionpréparéed’eau saléedont la salinité est celle duLac salé

LittleManitousituéenSaskatchewan.12. Déposerànouveauchacundessacsdanscebecher.13. Noterlesobservations.14. Récupérerl’alcooldanslerécipientprévuàceteffet.15. Rincerlessacsetlesassécher.2LasalinitémoyennedesocéansestdeS=35g/kg.Commeilyaunfacteur1000,ilestpossibled’exprimerlasalinitéenpourmille(‰),doncS=35‰.Onretrouvedanscertainsmanuelsscolaireslasalinitéexpriméeenpourcentage, soit S = 3.5%. Il semble toutefois intéressant de noter que cela est très inhabituel enocéanographie,oùonpréfèregénéralementindiquerlasalinitésansdimension:S=35.

4.3 RésultatsetanalyseLes élèves devront ensuite préparer un tableau pour consigner les masses, les volumes et lescomportementsobservésdechacundessacs(voirencesens ledocumentde l’élève).Notonsqu’ilestsuggéréd’indiquerauxélèveslavaleurduvolumedessacsdeplastique,enconsidérantquelessacs sontde fabrication trèsuniforme.Lesmettre toutefois engardedenepas systématiquementfairecegenredegénéralisations.Àpartirdecesdonnées, lesélèvespourronteffectuer lescalculsafin de déterminer leurmasse volumique respective. Ils expliqueront enfin leurs observations enfonction des valeurs demasses volumiques qu’ils viennent de calculer. En somme, ce laboratoireexpérimentaldevrait avoirpermisauxélèvesdecomprendreque l’eausalée,demassevolumiqueplusélevée(doncplusdense)que l’eaudouce,aura tendanceàcoulersous l’effetde lagravité,unaspectimportantpourlasuitedel’activité.5.DesdémonstrationspourexpliquerlesbasesdelacirculationocéaniqueLaséquencededémonstrationprésentéeci-dessousviseàobserverdesphénomènesfondamentauxpermettant de comprendre quelques aspects de la circulation thermohaline. Ces démonstrationsexplorent plus particulièrement les forces de flottabilité agissant sur les fluides. Elles constituentégalementunmodèleintéressantpourparlerdescourantsocéaniques.

Matériel(pourl’ensembledesdémonstrations):

• 1 réservoir de plexiglas (dimensionsintérieuresde1,00mdelongx0,10mdelargex0,20mdehaut)

• 1 division amovible pour séparer leréservoir en deux. Cette divisioncentrale n’a pas besoin d’êtreparfaitement étanche, mais elle doitminimiser les échangesd’eauentre lesdeuxsections.

• 1 guide central (optionnel) pourréduire l’écartement possible entre lesdeuxparoisdeplexiglas.

• 2sceaux(ouballonde6L)

• Environ 250 g de sel (idéalement dugrosselàmarinade,duselcasheroudusel de piscine qui produiront unesolutionplusclaireetmoinslaiteuse.)

• 1agitateurmanuel• 1paquetdecolorantalimentaire• 1compte-gouttes• Dupapierabsorbant• Un bout de tuyau d’environ 1 cm de

diamètre et 1,5 m de long servant àviderleréservoir

• 2blocsdeglace(ouice-packs)

5.1 Démo1:Salinitéetmassevolumique3Lapremièredémonstrationmodélisecequ’onappelle lastratification(verticale)de l’océan,soit lefait que les fluides plus denses se retrouveront sous les fluidesmoins denses. Contrairement à laconception commune, l’océan n’est pas homogène. Plus précisément, la démonstration permetd’observerlecomportementd’eauxdemassesvolumiquesdifférentesquiserencontrent,créantparle fait même des mouvements importants du point de vue océanique. Il sera aussi possibled’observer(cequiestd’ailleursfortjoli)desphénomènesdeturbulencesetd’oscillationinterne.

3Enfonctiondutempsdisponible,ilseraitpossibledefairecetteexpérienceavecdel’eauchaudeetdel’eaufroide.Danscecas,procédezdelamêmefaçonenremplaçantl’eausaléeparl’eauchaudedansleprotocole.

Protocole:

1. Dissoudreenviron210gdeseldans6Ld’eaudansundessceaux(ouballon).2. Ajoutergénéreusementducolorantalimentairebleudanscettesolution.3. Dansledeuxièmesceau,ajoutersimplement6Ld’eaudouce.4. Ajouter généreusement du colorant alimentaire

jaunedansl’eau.5. Insérerleséparateuraucentredubassin.6. Remplir simultanément les deux sections du

réservoiravecl’eausalée(bleue)d’uncôtéetl’eaudouce (jaune) de l’autre. L’aide de deux ou troisélèvespourraitêtreutile.

7. Attendre environ une minute pour que l’eau dechaquecôtésestabiliseunpeu.

8. Demander aux élèves de se pencher pour bienobservercequisepasseraetenleverdélicatement,maisassezrapidement,ladivisioncentrale.

9. Observerlemouvementetlesturbulences.10. Apprécier!Note:Lorsqu’onretireleséparateur,oncréeunmouvement*,soit larencontrededeuxmassesdefluide, ce qui a pour effet de créer des turbulences et un mélange partiel des eaux de densitédifférente.Lescourantsserontréfléchislorsqu’ilsfrapperontlesparois.Parlasuite,ilserapossibled’observerdesgrandesoscillations(ouondes)internesquiperdurerontpendantplusieursminutesà l’interface entre les deux fluides. Il est intéressant de remarquer qu’il n’y aura que très peu demouvementensurface.Onsaitquelesocéanssontremplisdecesondes,comparablesauxondesdesurface,maisdanscecasilestextrêmementdifficiledelesobserverdirectement.

*Précisionssurlesaspectsquiinfluencentlavitessedesmouvements:

- Plus la différence de salinité est grande, plus la force de flottabilité est grande et plus lesmouvementsengendrésdanslebassinserontrapides.

- Plusleniveaud’eauestélevé(hauteurdesfluides),pluslescourantsgénérésserontrapides.5.2 Démo2:Phénomèned’intrusionProtocole(suite):

1. Lorsque lesmouvements d’eau de ladémonstration précédente se serontstabilisés, retirer la division centraledesapositionetl’inséreràenviron10cmdel’unedesextrémités.

2. Ajouterplusieursgouttesdecolorantd’uneautrecouleurquelejauneoulebleuàcetteextrémité.

3. Àl’aidedel’agitateur,bienmélangercettecolonned’eaucolorée(assezfoncée).4. Demander aux élèves de s’approcher pour bien observer ce qui se passe et enlever

délicatement,maisassezrapidement,ladivision.

5.3 Démo3:Remontéed’eau(upwelling)danslacirculationthermohalineProtocole(suite):

1. Àl’aidedutuyau,viderpargravitéleréservoir.2. Remplirleréservoird’eauchaudedurobinet.3. Inséreràchaqueextrémitéunblocdeglace(ouice-pack)etlesgarderenplace.4. Aveclecompte-gouttes,ajouterunjetdecolorant(bleuetvert)auxdeuxextrémités.5. Lorsque les courants colorés se rencontrent, ajouter quelques gouttes de colorant rouge au

centreduréservoir.6. Demanderauxélèvesdes’approcherpourbienobservercequisepasse.

6.Élémentsd’explicationcomplémentaires6.1Conceptionscourantessurlescourantsdedensité

La circulation thermohaline est un mécanismecomplexeimpliquédanslarégulationduclimatterrestre. Plusieurs phénomènes, dont certainssont aujourd’hui bien compris tandis qued’autres sont encore mal compris, sontinterreliés pour créer cette dynamiqueocéanique. En ce sens, des erreurs peuvent seglisser dans les explications et ainsi entraînerune certaine confusion. Daniel Bourgault etDany Dumont, océanographes physiciens àl’Institut des sciences de la mer de Rimouski(ISMER),enontrelevédeuxexemples.

6.1.1LadensitédeseauxfroidesdesrégionspolairesenfonctiondelatempératureIln’estpasraredelireoud’entendrequeleseauxdesrégionspolairesquiparticipentàlacirculationthermohalinesontcaractériséespardestempératuresd’environ4°C,doncqu’ellessontplusdensesque les eaux chaudes des zones tropicales, ce qui expliquerait la plongée de ces eaux dans cesrégions.Pourtant,celas’avèreinexact.

SelonBourgault etDumont, «l’eau de surface qui est refroidie par l’atmosphère dans l’AtlantiqueNord(merdeNorvègeetduGroenland)etquiparticipeàlacirculationthermohalineenplongeantprofondémentestplutôtcaractériséepardestempératuresprèsou légèrementendessousde0°C.Parcontre,plusaunord,danslebassinarctiquecentral,l’eaudesurfaceestsipeusaléequemêmelestempératuresglacialesn’arriventpasàcontrer l’effetde flottabilitédûàsa légèreté[cetaspectparticulierestdiscutéaupointsuivant].Surlepourtourdel’Antarctique,l’eaufroidequiparticipeàlacirculationthermohalineestcaractériséepardestempératuresdeprèsde-2°C,c’est-à-direprèsdupointdecongélationpourl’eaudemer.»

Il serait donc plus juste de dire que l’eau des régions polaires qui entretient la circulationthermohalineestcaractériséepardestempératurestrèsfroides(entre-2°Cet0°C)qui,silasalinitén’estpastropfaible,estplusdensequel’eauchaudeettrèssaléedelazoneintertropicale(environ28°C).

Aperçudutrajetdelabouclethermohaline.[Sourceimage:http://www.alloprof.qc.ca/BV/pages/s1343.aspx]

6.1.2LasalinitédeseauxfroidesdesrégionspolairesUne autre conception courante et qui porte à confusionconcernelasalinitédeseauxfroidesdesrégionspolaires.Ilestsouventdit,àtort,quel’eaudesrégionspolaires,enplus d’être plus froide, est également plus salée. Onexplique cela par l’idée que l’eau de mer qui gèle pourformer les glaces des banquises libère les sels, ce qui apour effet d’augmenter sa salinité et par conséquent samassevolumique.

Commenousl’indiquentBourgaultetDumont,«bienqu’ilsoitvraiquelaformationdeglacedemerlibèreduselquipeutalorsfavoriserlaconvection, l’inverseestaussivrai,c’est-à-direquelorsquelaglacedemerfondauprintempscela libère une grande quantité d’eau douce. Sur unemoyenne annuelle, on ne peut pas évoquer la formation de la glace pour expliquer que l’eau desrégionspolairesseraitplussalée.Detoutefaçon,l’eaudesrégionspolairesn’estjustementpasplussalée. C’est tout le contraire. L’eau des régions polaires est beaucoup moins salée que les eauxintertropicales,particulièrementenArctique.»

La figure ci-contre montre la distribution moyenne de la salinité de surface des océans où cettedifférencesevoitclairement.«Leseauxintertropicalessontlesplussaléespuisqu’ilyalàbeaucoupd’évaporation. L’eau des régions polaires est beaucoup moins salée parce qu’il y a là moinsd’évaporationetungrandapportd’eaudouce,surtoutsur lebassinarctiquequireçoitde l’eaudeplusieursgrandesrivièrescanadiennesetrusses.»

Enrésumé,«l’eaudesurfacedesrégionspolaires,surtoutenArctique,estbeaucoupmoinssaléequeleseauxintertropicales,car ilyamoinsd’évaporationetbeaucoupplusd’apportsd’eaudoucedesgrandsfleuves.Parcontre,lorsquel’eaudemergèleenhiverpourformerlesglacesdelabanquise,ellelibèrelessels,cequiaugmentelocalementlasalinitéet,parconséquent,lamassevolumiquedel’eaudemer.Cecipeutfavoriserlaconvectionsilasalinitéestsuffisammentaugmentéepourcontrerl’effetdeflottabilitéqueprocurel’eaumoinssaléedecesrégions.» 6.2L’influencedesmaréesdanslacirculationocéaniqueLephénomènedesmaréesestlerésultatdelaforce gravitationnelle de la Lune et du Soleilsur la Terre. Les marées influencent lacirculation océanique puisqu’il s’agit d’unmouvementd’oscillationpériodiqueduniveaudelamer.Poursaisirl’importancedesmaréessurladynamiqueocéanique,ilfautprendreencomptelescourantsquiysontassociésetquisontdusauxdifférencesdeniveaud’eauqu’ilyaentredeuxendroits.Parexemple, lorsquelamaréeesthauteàRimouski,ellenel’estpasexactement aumêmemoment à Gaspé. Cettedifférence de niveau représente en fait unedifférencedepressiondanslefluide,cequi lemetenmouvement.

Salinitéannuelleensurfacedesocéansmondiauxd'aprèsleWorldOceanAtlas2001.[Source:https://fr.wikipedia.org/wiki/Salinité]

Remontéedeseaux,ParcMarinduSaguenay-Saint-Laurent.[Créditimage:http://parcmarin.qc.ca/remonte_eau.html]

Lesmaréescréentdelaturbulenceauxendroitsoulescourantsfrottentaveclefondetrencontrentdes irrégularités (voir image ci-dessus). Cette turbulence crée un brassage, ce qui a pour effet demodifier lespropriétésde température etde salinitédesmassesd’eau. Surunegrandeéchelle, lamaréeengendreainsideseffetsimportantssurlacirculationdesocéans.

6.3Levent:unmoteurpuissantLe vent force et maintient la circulationocéanique globale. L’air, comme l’eau, est unfluide. Les vents sont donc générés un peucommelescourantsmarins,c’est-à-direpardesgradients de pression et des forces deflottabilité.Eneffet,l’airchaufféparlesoleilestmoins dense que l’air froid. Lorsqu’une massed’airchaudrencontreunemassed’airfroid,celacréedumouvementetdes turbulences: cequ’on ressent commeétant levent.Lorsque certainesconditions particulières sont réunies, il est même possible d’observer des «vagues» de nuages,nomméesinstabilitésdeKelvin-Helmholtzendynamiquedesfluides(voirphotographieci-dessus).

Lorsque le vent souffle à la surface de l’océan, il entraîne par friction l’eau de surface, qui elleentraîneàsontourl’eauquisetrouveendessous(etainsidesuitejusqu’àunecertaineprofondeur).La frictionest iciune force fondamentalequi transfèreunepartiedumouvementd’unecouchedefluide aux couches voisines. Ce phénomène est facile à observer: ajouter quelques gouttes decolorantàlasurfaced’uncontenantremplid’eauetsoufflerdessusavecunséchoiràcheveuxafindecréerunmouvementd’eau.Vousverrezquelavitessedel’eauestplusgrandeensurfaceetdiminueaveclaprofondeur.

6.4LaforcedeCoriolis:quelquesrepères

LaforcedeCoriolisestuneforcefictivedontil faut tenir compte pour comprendre lacirculation océanique globale, puisque noussommes sur la Terre, qui est en rotation.SelonunedesloisdeNewton,unobjetquiesten mouvement rectiligne uniforme (donc àvitesseconstante)continueraàallerenlignedroite si aucune force n’agit sur lui. Il s’agitdu principe d’inertie. Par contre, si leréférentiel est enmouvement de rotation, lasituation est différente. Prenons l’exempled’un tourniquet dans un parc. Si vous voustrouvezsurce tourniquetetquevous lancezune balle vers le haut, en ligne droite, vousconstaterez qu’il faudra déplacer votremainpourlarattraper,carenapparencecetteballeaura été déviée. Comme observateur dans le référentiel du tourniquet, nous aurons l’impressionqu’uneforceaagisurnotreballe.

LaTerre tourne sur elle-mêmed’ouest en est et constituedoncun référentiel accéléré. En faisanttournerunesphèresurunaxe,commelaTerre,lavitessederotationserapresquenulleauxpôlesettrèsrapideàl’équateur.Ainsi,sionsetrouvedansl’hémisphèrenordetqu’onlanceunprojectile,il

InstabilitédeKelvin-Helmholtz.[Sourceimage:http://www.sciencebase.com/science-blog/cloud-

spotting.html]

Cetteimageesttiréed’unemodélisationinformatiquequiillustrelacomplexitédescourantsocéaniquesobservésdepuis

l'espaceentrejuin2005etdécembre2007.[Source:http://www.nasa.gov/topics/earth/features/perpetual-

ocean.html]

noussembleradéviédans lesenshoraire,puisque laTerretournesurelle-mêmed’ouestenest.Àl’opposé,sionsetrouveplutôtdansl’hémisphèresud,ceprojectilenoussembleradéviédanslesensantihoraire. Mais attention, cela est seulement vrai en l’absence d’autres forces. En effet, lestourbillons océaniques de l’hémisphère nord ne tournent pas tous dans le sens horaire, car il y ad’autresforcesenjeu(commelesforcesdeflottabilitéetdefriction)quis’additionnentàlaforcedeCoriolis. Autrement dit, la force de Coriolis n’entraîne pas forcément une déviation dans un sensparticulierselonl’hémisphère,maissoneffets’ajouteàceluid’autresforces.

Néanmoins, la force de Coriolis et son interaction avec les autres forces sont en grande partieresponsablesdesgrandstourbillonsdansl’atmosphèreetdanslesocéans(associésauGulfStream,par exemple). Comme en témoigne cette modélisation de la NASA (ci-dessus), même si cestourbillonssonteffectivementaffectéspar la forcedeCoriolis, leurdynamiqueresteextrêmementcomplexe. Pour en savoir davantage sur la force de Coriolis en lien avec la circulation océanique,l’articledeBourgaultetDumont(2014)estuneréférencefortutile.

6.5Liensutiles

• Surlacirculationocéaniqueetlesforcesenjeu:Bourgault,D.,etDumont,D.(2014).Circulationocéaniqueetlégendesurbaines–Notionsintermédiairesetdémonstrationsattrayantes.p.1-11.[Enligne:https://www.pistes.fse.ulaval.ca/fichiers/site_pistes/documents/version/2754/SaliniteMasseVolumiqueCirculationOceanique.pdf]

• Ladémonstrationenimages:Bourgault,D.,etDumont,D.(2014).VidéoYouTube.[Enligne:https://www.youtube.com/watch?v=anOyNBGNBmw]

• IlestpossibledetéléchargerlamodélisationréaliséeparlaNASAquiillustrelastructure

complexeettourbillonnairedescourantsocéaniques.[Enligne:http://www.nasa.gov/topics/earth/features/perpetual-ocean.html]

• Surl’histoiredeGustaveCoriolisvoirlebulletindelaSABIXàcesujet.[Enligne:

http://www.sabix.org/bulletin/b5/coriolis.html]7.PortraitsdescientifiquesetpratiquesderechercheactuellesNous faisons face aujourd’hui à de nombreuses questions scientifiques complexes, comme cellesliéesauxchangementsclimatiques.Encesens,lePFÉQviseàformerdescitoyen.ne.spossédantunealphabétisation scientifique afin qu’ils et elles soient capables de participer aux débats et d’êtrecritiquesquantauxmultiplesenjeuxsoulevésparcesquestions.Pouryparvenir,unefaçondefaireest demobiliserdes casdeparticipation citoyenne et scientifique. Il semblepertinentd’offrir auxélèves des portraits réalistes d’acteurs compétents. À cette fin, nous croyons intéressant deprésenterenclassedesportraitsdescientifiquesquisontnonseulementsensiblesauxdébats liésaux sciences et aux technologies, mais qui participent également de façon publique auxconversations qui leur sont liées. Nous présentons ici le portrait de Daniel Bourgault et DanyDumont,deuxocéanographesphysiciensbieninspirants.

7.1DanielBourgault:Danielestprofesseur-chercheuràl’Institutdessciencesdelamerde Rimouski (ISMER). Ses recherches portent notamment surl’océanographie-physique côtière des milieux arctiques etsubarctiques, principalement le golfeduSaint-Laurent et le fjorddu Saguenay. Il s’intéresse au renouvellement des eaux, à ladistributiondel’oxygènedissousetauxtransportssédimentaires.Il travaille également sur les ondes internes et les turbulences,qu’ilétudiegrâceàdesmesuresprisesenmeràborddenaviresocéanographiquesetàdessimulationsinformatiques.

Outrecestravauxderecherche,Danielaimetisserdesliensentreles arts et les sciences. Il le fait notamment par le biais des artsnumériques,delamusique,desécritsetdesexpérimentations.Sesinitiatives artistiques lui permettent de montrer d’une manièreoriginale une facette de son travail, comme la turbulence desfluides,enrejoignantdifférentspublics.Parexemple,ilatravailléen2015avecuneartisteenartvisuel,MarianePapillon.Elleétaitalors en résidence de création pour concevoir des œuvres surl’importance du Saint-Laurent. Dans ce contexte, ils ont crééTrajectoirespétrolières,desinstallationsmultidisciplinairessurl’universpétroliermaritime.

Daniel tient aussi un blogue dans le Huffington Post, où il est décrit comme un chercheur qui«s’intéresse beaucoup à la vulgarisation scientifique rigoureuse qu’il considère comme étant unélémentessentielpouréclairer lesdébatsdesociétéet lesprisesdedécisions.»Sursonblogueetailleurs,ilmetàprofitsonexpertisepourdémystifierauprèsdupubliccertainsphénomènescommelesmarées ou la circulation océanique. Cela dit, il engage aussi son expertise publiquement pouroffrir aux citoyen.ne.sde l’informationplus juste lorsqu’il constatequ’on lui offrede l’informationinexacte, fallacieuseouayant recoursàdesargumentspseudoscientifiques,enparticulier lorsquecelatouchelasantéoul’environnement.Eneffet, ilvalorisebeaucoupledéveloppementdel’espritcritiqueauprèsdesesétudiantsetdugrandpublic.

Daniel est préoccupépar certains enjeuxde société,enparticulier ceuxqui touchent le fleuve et le golfedu Saint-Laurent. Il s’interroge notamment sur lesrisques associés à l’exploration et l’exploitation deshydrocarbures dans ces régions aux dynamiquescomplexes et fragiles. Il met donc à profit sonexpertisescientifiqueauservicedelacollectivité,afinqu’elle puisse prendre des décisions éclairées. Avecses collègues Dany Dumont, Frédéric Cyr et AngelaCarter, il a mené une recherche sur les risquesassociésàl’éventuelleexploitationdupétroledanslegolfeduSaint-Laurent.Leurrechercheaétéretenuecommel’unedesdixdécouvertesdel’année2014auQuébec. Lui et Dany collaborent d’ailleursrégulièrementdansdifférentsprojets.

DanielBourgaultlorsd’uneexpéditionenmer.©PeterGalbraith.

Danielàbordd’unnaviredelagardecôtière.©PascalBourgault.

7.2DanyDumont:Dany Dumont est océanographe-physicien àl’ISMER, où il occupe un poste de professeur-chercheur.Ils’intéresseauxmerspolaires,plusparticulièrement aux interactions vagues-banquise, à la dynamique de la banquise et àl’océanographiedesmilieuxcôtierscouvertsdeglace. Ses recherches portent également sur laréponsedesécosystèmesmarinsauxprocessusphysiquesdelacolonned’eauqu’ilétudieparlebiais de la modélisation numérique. Un aspectimportant de son travail est de chercher descorrespondances entre ses modèles et lecomportement des glaces qu’il observe sur leterrain, à l’aide de caméras ou de bouéesdérivantes.

Danyutilise l’estuaireduSaint-Laurentcommeunvéritablelaboratoirenaturelderecherche.Àbord d’un canot à glace, Dany et son équipes’aventurent dans les eaux glaciales afin demenerdesexpériences.Auplusfroiddel’hiver2016,ilssontallésétudierl’effetdesvaguesdel’estuaire sur les glaces qui le recouvrent. Àpartirdesimagesdumouvementdelabanquiseprise par une caméra installée sur le picChamplain dans le parc national du Bic,l’expédition visait à mieux expliquer lesprocessus complexes responsables de cesmouvements. Par ce projet, Dany tisse une

collaboration avec le parc du Bic avec qui il partagera ses résultats. Outre leur pertinencescientifique, ses résultats peuvent servir à mieux représenter l’état de l’océan dans les mersenglacées,plusparticulièrementdanscequ’onappelleleszonesmarginalesglaciaireoùl’ons’attendàuneintensificationdutraficetdesopérationsmaritimes.

Danyestunchercheurquiengagesonexpertiseauservicedescommunautés.Encollaborationavecle comitéZIPBaie-des-Chaleurs, il a par exemple réaliséunprojet debouéesdérivantes et donnéplusieurs conférence pour outiller des citoyens afin qu’ils participent eux-même à la cueillette dedonnées.Ceprojetavaitpourobjectifdemieuxcomprendre lesmouvementsdeseauxdesurfacespour permettre à la fois une réponse plus efficace des intervenants en cas d’un déversementpétrolier,mais aussi pour que les citoyen.ne.s entretiennent une relation informée avec lemilieumarin.PourDany,ilestimportantquelescitoyen.ne.ss’intéressentàcetypedeprojetsquitouchentleurcommunauté.Enparticipantauxconversationsportant sur lesenjeuxqui leur sont liés,Danycontribueàlaprisededécisionéclairéedescitoyen.ne.s.

Bienqu’ilsespécialisesurdesaspectstrèsparticuliersdeladynamiquedesmersetdesglaces,Danyreste toujours l’esprit ouvert et participe régulièrement à des projets qui touchent de nombreuxsujetsoù l’océanographie-physiqueest impliquée.CommeDanielBourgault, il faitpartieduréseauNotreGolfe,unréseaud’innovationmultisectorielpour l’étudede l’environnementsocioécologiquedugolfeduSaint-Laurent.

DanyDumont,lorsd’unesortiesurleterrainpourétudierlesglaces.

Danyetsonéquipe,àl’hiver2016,lorsdeleurexpéditionencanotàglacedansleSaint-Laurent.

LaprochaineexpéditiondeDany(prévueàl’été2016)auralieuenArctique,àborddubrise-glacederechercheAdmunsen.Dany irarecueillirdesdonnéespourmieuxcomprendreladynamiquedelazonemarginaledeglace,soitlazonequidélimitel’endroitoùilyadelaglaceetcelleoùiln’yenapas.Ils’agitd’unezonetrèsricheen biodiversité, peu connue jusqu’à maintenant. Grâce à cesdonnées, il pourra raffiner les théories et les modèles ducomportementducouvertdeglace.Àaimerautantétudierlaglaceetlesmerspolaires,onpeutdiresanssetromperqueDanyestunchercheurquin’apasfroidauxyeux!7.3Hyperliensinclusdanslesportraits(enordred’apparition)

• Trajectoirepétrolière:https://danielbourgault.com/portfolio/trajectoires-petrolieres/• BloguedansleHuffingtonPost:http://quebec.huffingtonpost.ca/daniel-bourgault/• PourquoiDavisestdanslechamp(deblé):

http://demeter.uqar.ca/Triticum/index.php/Accueil• Quelquesfactssurl'environment:http://quebec.huffingtonpost.ca/daniel-

bourgault/transcanada-faits-environnement_b_6290126.html• Pétroleàhautrisque:http://www.quebecscience.qc.ca/10-decouvertes-2014/5-Petrole-a-

haut-risque• LesglacesduSaint-Laurentàl’étude:http://ici.radio-canada.ca/regions/est-

quebec/2016/02/18/012-etude-glaces-fleuve-bic-saint-laurent.shtml• Lesdonnéespréliminairesduprojetdebouéesdérivantesprésentées:

http://www.lechodelabaie.ca/actualites/societe/2016/1/27/les-donnees-preliminaires-du-projet-de-bouees-derivantes-present.html

• NotreGolfe:http://notregolfe.ca• Brise-glacederechercheNGCCAmundsen:http://www.amundsen.ulaval.ca/home-fr.php

8.Questionsetréponsesdudocumentdel’élèveA) Élaborerunprotocolepourpréparer100mLd’eausaléedontlasalinitéseracelledelamoyenne

desocéansdumonde(35‰).Ceprotocoledoitfaireintervenirl’utilisationd’unefiolejaugée.

Exemplederéponse:

1. Àl’aidedelabalance,peser3,5gdeseldanslanacelle.2. Verserdel’eaudansunefiolejaugéede100mLpourlaremplirenvironàlamoitié.3. Àl’aided’unentonnoiràsolide,mettreleseldanslafiolejaugée.4. Àl’aideduflaconlaveur,rincerlanacelleetl’entonnoiravecdel’eau.5. Mettrelebouchonsurlafiolejaugéeetagiterpourbiendissoudrelesel.6. Compléteravecdel’eaujusqu’autraitdejauge.7. Agiterànouveauetvérifierlevolumefinal.

Brise-glacederechercheAdmunsen.

B) Élaborerunprotocolepourpréparer500mLd’unesolutiondontlasalinitéseracelleduLacsaléLittleManitou situé enSaskatchewan.Ceprotocoledoit faire intervenir l’utilisationd’une fiolejaugée.Exemplederéponse:

1. Àl’aidedelabalance,peser90,0gdeseldanslanacelle.2. Verserdel’eaudansunefiolejaugéede500mLpourlaremplirenvironàlamoitié.3. Àl’aided’unentonnoiràsolide,mettreleseldanslafiolejaugée.4. Àl’aideduflaconlaveur,rincerlanacelleetl’entonnoiravecdel’eau.5. Mettrelebouchonsurlafiolejaugéeetagiterpourbiendissoudrelesel.6. Compléteravecdel’eaujusqu’autraitdejauge.7. Agiterànouveauetvérifierlevolumefinal.

C) Suivreleprotocole(telqu’indiquédansledocumentdel’élève).D) Consigner les résultats dans les tableaux ci-dessous et leur donner un titre. Considérer que le

volumed’unsacvideestde1mL.(Exemplesderéponses)Tableau1:Comportementdechacundessacsdanslesdeuxsolutionssalinespréparées

Concentrationdelasolutionsaline

Sacd’eaudurobinet Sacd’alcool

Sacd’eausaléedeconcentration35

Environ0‰(eaudurobinet)

Ilflotteentredeuxeaux.

Ilémergeenbonnepartie.

Ilcouleaufonddubecher.

180‰ Ilémergeenbonnepartie.

Ilflottesansproblème

Ilémergelégèrement.

Tableau2:Donnéesrelativesauxcalculsdelamassevolumiquedechacundessacs

Massetotaledusac Volumedeliquidedanslesac

Volumedusacdeplastiqueseul

Sacd’eaudurobinet Réponsesvariables

Sacd’alcool

Sacd’eauà180‰

E) Fairevoscalculsdemassevolumiquepourchacundessacs.Laisserdestracesdesopérations.

Exempledecalcul:

Massevolumiquedusac = MassedusacVolumeduliquide+volumedusaclui-même

F) Répondreauxquestionssuivantes.

1. Àpartirdevosobservations,quellienpouvez-vousfaireentrelamassevolumiquedechacundessacsetleurflottabilité?Pluslamassevolumiquedusacestpetite,plusilauratendanceàflotteretviceversa.

2. En quoi la salinité de l’eau dans laquelle les sacs sont immergés influence-t-elle leurflottabilité?Lessacs flottentmieuxdansde l’eauplussalée.Eneffet, plus lamassevolumiquede l’eaudanslaquellelessacssontimmergésestgrande,plusilsauronttendanceàflotter.

3. Enimmergeantdeuxcannettesdeboissongazeuse, l’unesucréeet l’autrediète,onobservequelapremièrecouletandisqueladeuxièmeflotte.Expliquer.

Les boissons diètes contiennent un édulcorant, de l’aspartame, pour remplacer le sucre.L’aspartame a un pouvoir sucrant beaucoup plus grand que le sucre. Ainsi, la massed’aspartamedansuneboissondièteestnettement inférieureà lamassedusucredansuneboissonsucrée(régulière).Decefait,lamassevolumiqued’unecanettedeboissondièteestplusfaibleetcelle-ciauratendanceàflottercontrairementàunecannettedeboissonsucrée.

4. Dans les océans, des masses d’eau froide, d’eau chaude et de salinités différentes serencontrent,engendrantlacirculationocéanique(oucirculationthermohaline).a) Quesepasse-t-illorsqu’unemassed’eauchauderencontreunemassed’eaufroide?

Commelamassevolumiquedel’eauchaudeestinférieureàcelledel’eaufroide,unemassed’eauchaudeflotterasurunemassed’eaufroide.b) Est-il possible qu’une masse d’eau chaude coule dans l’eau froide. Comment cela

pourrait-ils’expliquer?

Oui,siunemassed’eauchaudeestplussaléequ’unemassed’eaufroide,ilestpossiblequesamassevolumique soit supérieure à cellede l’eau froide. Autrementdit, la salinitéde l’eauchaude peut augmenter suffisamment sa masse volumique pour qu’elle coule dans l’eaufroide.

5. Lorsquedeuxmassesd’airdetempératuredifférenteserencontrentdansl’atmosphère,desmouvementssontgénérés.Àpartirdesconceptsutilisésprécédemment(massevolumiqueetflottabilité),quecepasse-t-illorsquedesmassesd’airchaudrencontredesmassesd’airfroidUnemassed’airchaudflottesurunemassed’airfroid,carsamassevolumiqueestinférieure.

6. Auniveaumoléculaire,commentexpliquercephénomène?Lorsque la températured’ungaz(l’air)estplusélevée, lesmoléculessontplusagitées.Parconséquent, le gaz se dilate. Comme l’espace entre les molécules s’agrandit, la massevolumiquedel’airdiminue.L’airchaudayantunemassevolumiqueplusfaiblequel’airfroid,ilflottesurcedernier.

Densité des eaux et circulation océanique · 2019-04-08 · e e2 année du 2 cycle du secondaire...

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