Le moteur des courants océaniques

Thème : L’eau
Chap. 1 Eau et environnement
Les courants océaniques, régulateurs du climat
Mots-clefs : Mers, océans ; climat ; traceurs chimiques.
Contexte du sujet :
Les eaux profondes des océans, comme les eaux de surface, se déplacent et créent des courants marins.
Quelles sont les causes de ces courants et quel est leur rôle dans la régulation du climat ?
PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES
LE MOTEUR DES COURANTS OCEANIQUES
http://palissy.sciences.perso.sfr.fr/crbst_7.html
https://www.youtube.com/watch?v=MomFqY4sHw4
https://www.youtube.com/watch?v=K1N0hlmq2Yw
Les eaux profondes des océans, comme les eaux de surface, se déplacent et créent de puissants courants
océaniques. Ces courants sont dus aux écarts de température et de salinité des masses d’eau : on parle de
circulation thermohaline. (doc. 1).
Le Gulf Stream est le courant océanique le plus connu. Il s’agit d’un courant d’eaux chaudes de surface qui prend sa
source dans le Golfe du Mexique et se déplace vers l’Europe où des transferts thermiques ont lieu entre l’océan et
l’atmosphère (doc.1). Puis, les eaux du Gulf Stream montent vers les régions polaires et se mélangent avec les eaux
froides de l’Atlantique Nord.
Les eaux liquides de surface de l’Arctique et de l’Antarctique sont très salées. En effet, le sel, non piégé par la glace,
se concentre dans l’eau. Les eaux froides et salées de l’Atlantique Nord plongent au fond de l’océan et alimentent les
courants froids profonds (doc.1&2). Elles rejoignent les eaux froides et salée de l’Antarctique. Réchauffés sous les
tropiques, ces courants froids profonds refont surface au niveau des océans Indien et Pacifique.
Les océans sont chauffés en surface par le rayonnement solaire mais celui-ci ne pénètre pas en profondeur. Les
océans absorbent plus d’énergie thermique près de l’équateur que près des pôles (doc.3). L’énergie solaire stockée
près de la zone équatoriale est transportée, grâce aux vents et aux courants marins, vers d’autres latitudes où elle
est transférée à l’atmosphère. Ainsi, les océans participent à la régulation du climat grâce aux échanges thermiques
entre les courants marins et l’atmosphère.
Document 1 : La circulation thermohaline
La circulation thermohaline est la
circulation permanente de l’eau
des océans de la planète. Elle est
due aux écarts de température
et de salinité des masses d’eau.
Les différences de densité qui en
résultent
contribuent
à
l’apparition des courants. Les
eaux de l’Atlantique Nord
plongent et alimentent les
courants profonds.
Elles se mélangent aux eaux
froides de l’Antarctique qui
plongent au niveau de la mer de
Weddell.
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Réchauffées sous les Tropiques, ces eaux refont surface au niveau des océans Indien et Pacifique, quelques siècles
plus tard, puis remontent vers l’Atlantique Nord grâce, par exemple, au Gulf Stream. Ce phénomène crée un vaste
courant appelé circulation thermohaline. Par ces échanges, l’océan régule le climat, car il stocke l’énergie solaire de
la zone équatoriale et la transporte vers d’autres latitudes où elle est transférée à l’atmosphère.
Document 2 : Température et densité
La température de surface des océans est élevée dans les zones tropicales et diminue à mesure que la latitude
augmente. Les océans absorbent plus d’énergie thermique près de l’équateur que près des pôles. Ce déséquilibre
contribue, associé aux vents, à l’apparition des courants marins.
Dans les régions polaires, les eaux liquides de surface sont très salées, car le sel, non piégé par la glace, se concentre
dans l’eau liquide des océans, sous la banquise.
Salinité
(en g de
Densité
sel / kg
d’eau)
30
1,024
32
1,025
34
1,027
36
1,029
Densité de l’eau de
mer à 0°C en fonction
de la salinité
Température des eaux des océans en degré Celcius
Document 3 : Absorption du rayonnement solaire dans l'eau
Le rayonnement solaire couvre une large gamme des radiations
électromagnétiques, allant des ultraviolets aux infrarouges
(radiations qui réchauffent la Terre). Une partie du rayonnement
solaire est absorbé par la surface de la Terre et par les océans.
Le spectre d'absorption du rayonnement solaire dans l'eau est
représenté ci-contre.
Document 4 : Formation de la glace de mer.
« Les premiers cristaux de glace apparaissent à -1,9°C lors d’un refroidissement brutal au début de l’hiver polaire. Le
processus de congélation provoque une séparation de l’eau et du sel. La glace qui se forme est donc constituée de
cristaux d’eau douce et de gouttelettes d’eau salée. Celles-ci vont migrer progressivement vers le bas avant d’être
rejetées dans l’eau de mer.»
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PARTIE B : ACTIVITE EXPERIMENTALE
Situation problème : Dans les océans, les eaux de surface plongent en profondeur, alors que les eaux profondes
remontent à la surface ou se déplacent horizontalement. Un ensemble de paramètres
constitue le moteur de ces circulations océaniques.
Matériel élève : eau chaude à 60°C (bouilloire), eau froide, encre rouge et colorant bleu, 2 pipettes Pasteur, 3 béchers
de 50 mL, glaçons, eau distillée à température ambiante, sel de cuisine.
Eau de mer, fiole jaugée de 50 mL et balance.
Matériel professeur : 2 dispositifs, chacun constitué de 2 bouteilles reliées par deux tubes.
• Consignes : ne pas mélanger les deux colorants ; ajouter l’eau chaude / froide au goutte à goutte.
1. Rôle de la température des eaux
Avec le matériel de la liste ci-dessus, proposer deux expériences simples permettant de comparer les densités des
eaux chaudes et froides par rapport à celle de l’eau à température ambiante. Schématiser les deux expériences et les
faire valider par le professeur avant de les mettre en oeuvre. Noter les observations. Conclure.
1. Pourquoi les courants chauds sont-ils des courants de surface ?
2. Dans quelle zone la température des eaux des océans est-elle la plus élevée ? Expliquer pourquoi.
2. Rôle de la salinité des eaux
 Proposer une expérience simple permettant de retrouver la masse volumique de l’eau salée et en déduire la
densité de l’eau.
 Proposer une expérience simple permettant de montrer le rôle de la salinité sur la densité de l’eau.
Schématiser l’expérience et les faire valider par le professeur avant de les mettre en oeuvre. Noter les
observations. Conclure.
1. Pourquoi les eaux de surface de l’Antarctique sont-elles très salées ?
2. Pourquoi les eaux de l’Atlantique Nord plongent-elles en profondeur ?
3. Expérience modélisant la circulation thermohaline
Avec l’un des deux dispositifs professeur, proposer une expérience modélisant le rôle de la température et de la
salinité des eaux sur la circulation océanique. La mettre en oeuvre après l’avoir faite valider par le professeur. Noter
les observations.
Expérience 1 : Expériences de modélisation de courants marins
http://www.youtube.com/watch?v=e6pNbbKU6MU
https://interstices.info/jcms/int_70245/comprendre-la-circulation-oceanique
Expérience 2 : Disposer une lampe à incandescence au dessus de l’une des faces d’un aquarium rempli d’eau et
attendre que l’eau se réchauffe de ce coté. Déposer à la surface de l’eau et du coté opposé à la lampe, un morceau
de glace. Verser une goutte d’encre dans l’eau à proximité du morceau de glace.
Décrire le mouvement observé.
http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Circulation_thermohaline
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4. L’eau de mer, une solution plus ou moins salée
Titrage des ions chlorure par une solution de nitrate d’argent par suivi conductimétrique
Un peu de vocabulaire…
 La salinité S de l’eau de mer correspond à la masse totale (en g) de sels dissous (cations et anions) dans un
kilogramme d’eau de mer.
 La chlorinité Cl représente la masse (en g) de chlore équivalente à la quantité d’ions chlorure et d’ions
bromure dans un kilogramme d’eau de mer. La salinité peut être déduite de la chlorinité grâce à la relation :
S = 1,806 55 x Cl
Les ions chlorure peuvent être titrés par une solution de nitrate d’argent (Ag+ + NO3-) par suivi conductimétrique.
Problématique : Comment les courants océaniques participent-ils à la régulation du climat ?
Vous répondrez à la problématique en rédigeant un paragraphe argumenté qui s’appuiera sur les documents mis à
votre disposition et des résultats des expériences menées. Vous justifierez les différences de température des eaux
et expliquerez la circulation de ces eaux en insistant notamment sur la création du courant d’eau profonde au niveau
de l’atlantique nord.
Ce qu’il faut retenir :
L’étude des grands courants océaniques à l’échelle de la planète est indispensable pour comprendre le
climat. Les masses d’eau véhiculées en surface depuis l’équateur vers les pôles contribuent ainsi à transférer
de la chaleur et donc atténuer les différences de température.
Les courants profonds s’expliquent par les différences de densité de l’eau de mer, dues à des modifications
locales de la température et/ou de la salinité : on parle de circulation thermohaline.
Pour étudier ces courants océaniques, les océanographes utilisent des traceurs chimiques, espèces
chimiques dont la présence et la concentration peuvent être déterminées par analyse physico-chimique. Les
prélèvements d’eau de mer permettent des dosages précis de ces traceurs et, par extrapolation, la
réalisation de cartographies à grande échelle des océans.
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PARTIE B : ACTIVITE EXPERIMENTALE – CORRECTION
Matériel élève : eau chaude à 60°C (bouilloire), eau froide, encre rouge et colorant bleu, 2 pipettes Pasteur, 3 béchers
de 50 mL, glaçons, eau distillée à température ambiante, sel de cuisine.
Eau de mer, fiole jaugée de 50 mL et balance.
Matériel professeur : 2 dispositifs, chacun constitué de 2 bouteilles reliées par deux tubes.
• Consignes : ne pas mélanger les deux colorants ; ajouter l’eau chaude / froide au goutte à goutte.
1. Rôle de la température des eaux
Avec le matériel de la liste ci-dessus, proposer deux expériences simples permettant de comparer les densités des
eaux chaudes et froides par rapport à celle de l’eau à température ambiante. Schématiser les deux expériences et les
faire valider par le professeur avant de les mettre en oeuvre. Noter les observations. Conclure.
Expérience :
1. Pourquoi les courants chauds sont-ils des courants de surface ?
L’eau chaude est moins dense que l’eau froide donc les courants chauds sont des courants de surface alors que les
courants froids sont des courants profonds.
2. Dans quelle zone la température des eaux des océans est-elle la plus élevée ? Expliquer pourquoi.
Le document 2 montre que la température des océans est plus élevée dans la zone équatoriale (entre 30°N et 30°S)
que dans les zones de latitudes plus élevées. En effet, l’énergie solaire reçue dans cette zone est la plus importante
qu’ailleurs.
2. Rôle de la salinité des eaux
 Proposer une expérience simple permettant de retrouver la masse volumique de l’eau salée et en déduire la
densité de l’eau.
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Thème : L’eau
Chap. 1 Eau et environnement
 Proposer une expérience simple permettant de montrer le rôle de la salinité sur la densité de l’eau.
Schématiser l’expérience et les faire valider par le professeur avant de les mettre en oeuvre. Noter les
observations. Conclure.
Expérience :
1. Pourquoi les eaux de surface de l’Antarctique sont-elles très salées ?
Les eaux de surface de l’Antarctique sont très salées car la glace ne piège pas le sel lorsque l’eau se solidifie. Ainsi le
sel se dissout dans l’eau.
2. Pourquoi les eaux de l’Atlantique Nord plongent-elles en profondeur ?
Les eaux de l’Atlantique Nord sont froides et salées : elles sont plus denses que les eaux chaudes de surface et
plongent donc en profondeur.
Remarque : les eaux de la zone équatoriale sont moins denses que celle des zones polaires. En effet, d’une part elles sont plus
chaudes que les eaux des zones polaires et les pluies des zones équatoriales diminuent la salinité de ces eaux.
3. Expérience modélisant la circulation thermohaline
Avec l’un des deux dispositifs professeur, proposer une expérience modélisant le rôle de la température et de la
salinité des eaux sur la circulation océanique. La mettre en oeuvre après l’avoir faite valider par le professeur. Noter
les observations.
Expérience 1 : Expériences de modélisation de courants marins
http://www.youtube.com/watch?v=e6pNbbKU6MU
https://interstices.info/jcms/int_70245/comprendre-la-circulation-oceanique
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Chap. 1 Eau et environnement
Différence de température et mouvements
d’eau
Eau chaude
Faible densité
Eau froide
L’eau
froide
et
Densité élevée
dense
s’enfonce sous l’eau chaude de
densité plus faible
La zone polaire est modélisée par une eau froide et salée colorée en bleue. La zone équatoriale est modélisée par
une eau chaude colorée en rouge. Lorsque les deux eaux entrent en contact, on observe des courants entre les deux
bouteilles : l’eau froide et salée, plus dense que l’eau chaude, occupe le bas des deux bouteilles alors que l’eau
chaude, moins dense, reste en surface.
Expérience 2 : Disposer une lampe à incandescence au dessus de l’une des faces d’un aquarium rempli d’eau et
attendre que l’eau se réchauffe de ce coté. Déposer à la surface de l’eau et du coté opposé à la lampe, un morceau
de glace. Verser une goutte d’encre dans l’eau à proximité du morceau de glace.
Décrire le mouvement observé.
http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Circulation_thermohaline
4. L’eau de mer, une solution plus ou moins salée
Un peu de vocabulaire…
 La salinité S de l’eau de mer correspond à la masse totale (en g) de sels dissous (cations et anions) dans un
kilogramme d’eau de mer.
 La chlorinité Cl représente la masse (en g) de chlore équivalente à la quantité d’ions chlorure et d’ions
bromure dans un kilogramme d’eau de mer. La salinité peut être déduite de la chlorinité grâce à la relation :
S = 1,806 55 x Cl
Les ions chlorure peuvent être titrés par une solution de nitrate d’argent (Ag+ + NO3-) par suivi conductimétrique.
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