Océan - Séance I.3 Les courants thermiques

Résumé

Les élèves s’interrogent sur l’origine et l’entretien des courants océaniques et réalisent, par une expérience, que l’eau chaude est moins dense que l’eau froide.

Notions

· l'eau, comme tous les éléments, se dilate quand on la chauffe

o   les différences de température entre la surface et le fond ou entre plusieurs zones géographiques peuvent créer des courants océaniques

o   le réchauffement planétaire perturbe les courants marins

Modalités d’investigation

Modélisation

Matériel

Pour chaque groupe

· un bac transparent

· un petit flacon

· de l’eau froide (mise au réfrigérateur)

· de l’eau tiède (température ambiante)

· de l’eau chaude ou une bouilloire

· du colorant alimentaire rouge et bleu

Pour chaque élève :

· une photocopie de la Fiche 3 (d’abord la première partie puis, en fin de séance, la seconde partie)

Lexique

courant thermique, densité, débit

Durée :

1 heure

Question initiale

L’enseignant demande aux élèves ce qu’ils connaissent comme grands courants océaniques. Certains peuvent citer le Gulf Stream, mais d’autres peuvent citer des courants plus « exotiques », comme le Courant Est Australien (CEA), célèbre depuis la sortie du film d’animation Le monde de Némo

Il distribue à chaque élève la première moitié de la Fiche 3. Ce document montre l’organisation des grands courants océaniques de la planète (l’ensemble de ces courants est appelé « circulation thermohaline », l’étymologie, donnée en fin de séance suivante, n’a pas à être spécifiée pour le moment, afin de ne pas court-circuiter la réflexion des élèves).

Pour une meilleure visibilité, on peut demander aux élèves de colorier en rouge les courants de surface et en bleu les courants profonds. L’enseignant demande aux élèves de s’intéresser plus particulièrement au Gulf Stream, ce courant qui forme une boucle dans l’Atlantique Nord. Il leur fait remarquer que l’eau, en arrivant vers l’Islande, plonge dans les profondeurs, puis repart vers le Sud en longeant la côte Est-Américaine.  Pour certains élèves, ceci est déjà en soi une surprise, car ils s’imaginent que les courants chauds sont autour de l’équateur et les courants froids autour des pôles uniquement.

La question est : pourquoi le Gulf Stream plonge-t-il en arrivant près de l’Islande… ou, dit autrement : comment peut-on faire couler de l’eau ?

Recherche (expérimentation)

Les élèves peuvent proposer plusieurs explications (température, salinité, etc.). Celle qui vient la plus facilement est en général la température (cette proposition est encouragée ici par le fait que le courant vient de l’équateur et se dirige vers le Pôle Nord). La proposition des élèves est par exemple : quand on mélange de l’eau chaude et de l’eau froide, l’eau froide « coule » et l’eau chaude « flotte ». Ou : l’eau froide est plus « lourde » que l’eau chaude.

La classe discute collectivement d’une ou plusieurs expériences qui permettraient de vérifier ces hypothèses.

Une expérience simple, et très efficace, consiste par exemple à prendre un bac d’eau à température ambiante (eau tiède). Dans ce bac, on va plonger un petit flacon contenant de l’eau chaude, que l’on aura colorée (en rouge par exemple). Lorsque l’on débouche le flacon, l’eau chaude monte en surface. La même expérience peut être réalisée en versant de l’eau froide (colorée en bleu par exemple) dans de l’eau tiède.

Avant de réaliser l’expérience, prendre le temps de bien la décrire pour toute la classe et demander aux élèves d’anticiper le résultat. Certains auront peut-être une idée différente de l’hypothèse dominante…

L’expérience (ou une autre du même type proposée par les élèves) est réalisée par chaque groupe.


A gauche, de l’eau chaude (colorée en rouge) se déverse dans de l’eau tiède, et monte à la surface. A droite, même expérience mais avec de l’eau froide (colorée en bleu), qui plonge vers le fond.

Note pédagogique

  • Attention : pour éviter les brulures mais aussi pour ne pas faire fondre le flacon, s’il est en plastique, il importe de ne pas trop chauffer l’eau. L’expérience n’a d’ailleurs pas besoin d’eau très chaude pour fonctionner. Une eau à 40°C suffit largement. Pour l’eau froide, il est préférable de l’avoir placée au réfrigérateur.
  • Le flacon doit être positionné de façon à ce que sa sortie soit horizontale, afin de ne pas « orienter » le jet d’eau froide ou d’eau chaude à sa sortie.
  • Au début de l’expérience, il faut remplir le flacon à ras-bord afin d’éviter les bulles, et boucher le flacon avec le doigt. Pour éviter tout problème (créer un courant artificiel par exemple), il faut soit laisser l’eau sortir toute seule du flacon, soit appuyer très légèrement dessus pour la faire sortir tout doucement.

Mise en commun et conclusion

L’expérience réalisée par les élèves, pourtant très simple, est une vraie surprise pour eux : on peut faire couler ou flotter de l’eau !

S’appuyant sur ce que les élèves savent au sujet de la flottabilité, on interprète l’expérience par le fait que l’eau froide est plus dense que l’eau chaude (à masse égale, son volume est plus faible), c’est pourquoi elle coule. Cela peut être vérifié expérimentalement si la classe dispose d’une balance précise (peser un même volume d’eau chaude et d’eau froide et constater que l’eau chaude est moins lourde, c’est-à-dire moins dense)

La classe en déduit que les écarts de températures peuvent être à l’origine de certains courants océaniques. Cette conclusion est notée dans les cahiers d’expériences.

Cependant, nous allons maintenant voir que le cas du Gulf Stream n’est pas si simple. L’enseignant distribue en effet la seconde partie de la Fiche 3,  qui pose le problème : la différence de température ne peut pas expliquer pourquoi le Gulf Stream s’enfonce en arrivant près du pôle puisque, le courant étant plus chaud que l’eau environnante, il devrait rester en surface.

A ce stade, il s’agit simplement de recueillir les hypothèses des élèves : elles seront explorées à la séance suivante.

Prolongement

Une autre expérience est possible pour modéliser les courants de température. Plus spectaculaire, elle est néanmoins plus difficile à concevoir : il est peu probable qu’elle soit proposée par les élèves… mais elle peut l’être par l’enseignant en prolongement ! Il s’agit de faire communiquer 2 bouteilles, l’une contenant de l’eau chaude (colorée en rouge), et l’autre contenant de l’eau froide (colorée en bleu). La communication se fait à l’aide de 2 pailles, comme sur la photo ci-dessous (on étanchéifie le dispositif à l’aide d’un pistolet à colle). Initialement, la circulation est bloquée par des pinces à linge placées sur les pailles. Quand on retire les pinces, l’expérience démarre…


Au bout d’une dizaine de minutes, le résultat est assez parlant : l’eau froide (bleue) et l’eau chaude (rouge) ont circulé entre les 2 bouteilles.
L’eau froide, plus dense, circule dans la paille du bas, et l’eau chaude, moins dense, circule dans la paille du haut.

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte ESA SHOM Expéditions TARA Editions Le Pommier