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Etude espérimentale de la fonte des calottes polaires

dimanche 8 juin 2008 par Joëlle Mirabaud

Atelier scientifique au Lycée Mansart :

Recherche documentaire à la bibliothèque du lycée :
La banquise arctique est mouvante au grès des vents, elle se fragmente. Un bateau bloqué dans cette banquise arctique bouge avec et dérive avant de s’échouer 2 ou 3 ans plus tard entre Spilberg et le Groenland. En 2007, l’échouage volontaire du Tara (bateau habité par l’équipe Tara-Damoclès) a permit de nombreuses études de l’évolution de la glace, des courants marins, du réchauffement... Ce bateau en est sorti mi-2008.
La glace de mer est de l’eau de mer solidifiée en surface. Elle est différente des icebergs formés de glace douce, formée à partir de neige tombée sur les calottes polaires déjà formées. Plusieurs types de glace de mer existent selon leur âge : le sel migre petit à petit par gravité et la glace de mer se dessale en vieillissant. Les mesures faites en altitude, grâce à des radiosondes en ballon, montrent que la température et la salinité conditionnent les mouvements verticaux des masses d’eau eau. Les eaux salées, étant plus dense que les eaux douces, créent un effet de "down-welling" ou plongement des eaux froides et salées. Au contraire, les eaux douces et chaudes ont tendance à s’étaler en surface c’est ce qui se passe à l’embouchure des fleuves. Comme le débit des fleuves a tendance à augmenter avec le réchauffement du climat, cette grande quantité d’eau douce stratifierait les océans en empêchant l’eau de surface de plonger. L’arrêt des courants marins, et surtout des courants "up-welling" remontant les sels minéraux en surface, appauvrit le plancton donc affame le poisson et diminue les quantités pêchées.

Puis nous avons choisir le protocole :

Nous avons rempli 2 bacs à glaçon du même modèle, avec des loges de même taille pour préparer des glaçons d’eau douce (déminéralisée) et des glaçons d’eau salée (eau déminéralisée +30gr/L de NaCl).
Ensuite, nous avons hésité entre des béchers et des éprouvettes graduées. Le diamètre du bécher permet de mettre facilement le glaçon, mais la graduation est peu précise. Nous avons finalement décidé d’utiliser des béchers pendant l’expérience tout en mesurant les volumes d’eau avant et après avec des éprouvettes graduées.

Réalisation du premier protocole choisi :

Nous avons mesuré précisément 200ml d’eau salée pour chacun des 4 béchers en faisant attention à ne pas faire d’erreur de parallaxe : il faut se baisser pour avoir l’œil au niveau du trait de l’éprouvette graduée de façon à bien voir le bas du ménisque affleurer le repère des 200ml.
Lever l’éprouvette à hauteur d’oeil c’est révélée une mauvaise idée car c’est difficile de la garder horizontale.
Sachant qu’il ne faut faire varier qu’un seul facteur à la fois pour pouvoir lui attibuer la modification du résultat du test par rapport au témoin, nous avons cherché à éliminer les différences entre les expériences. Nous avons pris des glaçons de même volume, les loges du bac étant remplis à même hauteur.

Nous les avons pesé : les 2 glaçons d’eau douce de 30ml pesaient 29gr, les 2 glaçons d’eau salée de 30ml pesaient 30,9 et 31gr. Le sel rend le glaçon plus lourd car l’eau de mer est plus dense (D=1,03 au lieu de D=1 pour l’eau douce), les molécules de sel se glissent entre les molécules d’eau sans augmenter le volume initial. Il faudra donc les comparer 2 à 2.
Zut, on a un problème : en mettant le glaçon dans l’eau, on a vu nettement le niveau augmenter. Il faudra recommencer vendredi prochain (non vendredi après les vacances) en mesurant les 200ml après avoir mis les glaçons dans les éprouvettes graduées de 1L dont le diamètre est supérieur à la longueur du glaçon. Heureusement qu’il reste des glaçons au congélateur !

Comment expliquer les résultats de ce protocole ?
Après avoir recommencé le protocole décrit ci-dessus, nous pouvons maintenant utiliser les résultats :

TESTS
RESULTATS après fonte de glaçon d’eau douce On lit sur la graduation une augmentation du volume d’eau de 27ml Il n’y a pas eu d’augmentation du niveau de l’eau.
RESULTATS après fonte de glaçon d’eau salée Après fonte du glaçon d’eau salée, on lit sur la graduation une augmentation du volume d’eau de 27,2ml Le glaçon salée est plus enfoncé dans l’eau par rapport au glaçon d’eau douce. Malgré cette légère différence de départ, il n’y a pas eu d’augmentation du niveau de l’eau.
INTERPRETATION Toute la glace s’est transformée en eau liquidequi a coulé dans le récipient (en dehors de l’eau restée sur la grille). Cependant, la différence entre le volume du glaçon et le volume d’eau liquide obtenu indique que ce changement d’état entraîne une perte d’environ 10% à cause de la disposition des molécules d’eau les unes par rapport aux autres. Par contre la présence de sel ne fait que accélérer la fonte. Toute la glace qui s’est transformée en eau liquide a juste rempli le creux formé par le glaçon dans l’eau du récipient. Pourtant une partie du glaçon dépassait ! C’est le principe d’Arcimède basée sur la différence de densité et la surface de contact entre glaçon et eau. Dans le protocole "antarctique" on a pu mesurer que 10% du volume disparaît à cause de la disposition des molécules d’eau les unes par rapport aux autres. La pointe de l’iceberg doit correspondre à ces 10%.

Conclusion :En cas d’augmentation de la température terrestre, 90% volume des glaces polaires posées sur un continent se répendraient à la surface des mers et feraient augmenter ce niveau, mais de combien de mètres ? D’autres facteurs doivent intervenir..
Vendredi prochain, nous retournons au CDI du lycée pour en savoir plus sur le conséquences envisageables de la fonte des glaces pôlaires

Réalisation du deuxième protocole, choisi par les 3 premières S :
Inquiétées par la fonte de la banquise constatée actuellement, nous nous sommes demandés si la nature de la glace (douce ou marine) pouvait modifier les résultats obtenus par le protocole adopté ci-dessus. Pour nous rendre compte de ce problème, nous avons effectué une expérience, où nous mettions deux glaçons, un d’eau douce, l’autre d’eau salée dans des béchers remplit d’eau, pour modéliser la banquise arctique et sa la vitesse de fonte. Nous avons utilisé une lampe pour accélérer le procéssus en gardant la même distance entre l’ampoule et le glaçon.

temps en minutes 0 1 2 3 4 5 6 7
température de l’eau en °C 21 18 16 14 13,5 13 12,5 12
température de l’air en °C 23 25 26 27 28 28 28 28
masse du glaçon non salé en gr 23 15,4 10,2 6,0 2,9 1,5 0,7 fondu
masse du glaçon salé en gr 23 15,5 8,8 4,2 1,3 0,4 fondu

Interprétation : Le glaçon salé fond plus rapidement que le glaçon d’eau douce. Le sel glissé entre les molécules d’eau fragilise leur disposition géométrique à l’état solide et abaisse la température de retour à l’agitation moléculaire correspondant à l’état liquide :

Eau douce à l’état de vapeur : Les molécules d’H2O sont séparées par l’agitation due à la chaleur, malgré la force d’attraction des H+ sur les O= des molécules voisines. Eau douce à l’état liquide : Les molécules d’eau sont partiellement séparées par l’agitation due à la chaleur, la force d’attraction des H+ sur les O= l’emportant par moment Eau douce à l’état solide : Les molécules d’eau sont liées en hexagones, la force d’attraction des H+ sur les O= l’emportant sur l’agitation faible à basse température
L’eau se dessale en se vaporisant : L’eau salée qui bout passe à l’état de vapeur en laissant les atomes de sel dans la casserole où ils précipitent, formant une croûte blanche si toute l’eau s’évapore. Eau salée à l’état liquide : Na+ (en vert) attire les O= et Cl- (en violet) attire les H+, la molécule de sel est ionisée. L’eau salée a le même volume que l’eau douce donc est plus dense. Eau salée à l’état solide : Na+ (en vert) attire les O- et Cl- (en violet) attire les H+, l’hexagone de glace se casse, l’eau salée reste liquide entre 0 et -10°C. La glace de mer salée se dessale en vieillissant, le sel "coulant" par gravité.

Conclusion : La calotte polaire antarctique et le glacier du Groenland sont formées de neige tassée donc d’eau douce tandis que la banquise est formée d’eau de mer salée. La banquise fond donc plus vite que les glaces continentales. Ce sont cependant ces dernières qui posent le plus de problèmes car, comme l’a montré le premier protocole, elles reposent sur un continent et leur fonte progressive entraîne la montée du niveau des océans, au contraire de la banquise qui peut être assimilée à un glaçon flottant sur la mer.


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Lycée Jules-Hardouin Mansart de Saint Cyr L’Ecole (académie de Versailles)
Directeur de publication : Christine Joureau