Océan - Séance I.5 L'inertie thermique des océans

Résumé

A l’aide d’une expérience montrant l’inertie thermique de l’eau et d’une étude documentaire, les élèves mettent en évidence le rôle des océans dans la régulation des climats.

Notions

· Les océans jouent un rôle de régulation des climats

· Les océans adoucissent le climat près des côtes, en favorisant des hivers moins froids et des étés moins chauds

Modalités d’investigation

Etude documentaire, expérimentation

Matériel

· Pour chaque binôme :

o   1 photocopie de la Fiche 5

· Pour toute la classe :

o   Trois saladiers

o   Trois thermomètres

o   De l’eau, de la terre, du sable, de la semoule…

Lexique

Inertie thermique, climat océanique, climat continental, amplitude thermique, latitude

Durée :

2 heures (en plusieurs fois)

Cette séance, facultative au primaire, cible principalement les classes de collège, plus habituées à l’interprétation de graphes complexes. De plus, il vaut mieux démarrer cette séance en début de journée, et la finir en fin de journée, car la seconde expérimentation nécessite plusieurs heures de chauffage (ou de refroidissement).

Question initiale

La classe rappelle les conclusions de la précédente séance : Les différences de température et de salinité gouvernent l’existence de grands courants marins à la surface du globe.

L’enseignant annonce que, désormais, on va étudier l’influence des océans sur les climats. On parle parfois de climat océanique : qu’est-ce que cela signifie ? comment les océans peuvent-ils avoir une influence sur le climat d’une région ?

Recherche (étude documentaire)

Après avoir rassemblé au tableau les diverses hypothèses, l’enseignant distribue la Fiche 5. Les élèves étudient, par binômes, les variations annuelles de température sur une paire de villes situées à des latitudes similaires. Cependant, chaque paire propose une ville côtière, et une ville « continentale », quelques centaines de kilomètres à l’intérieur des terres.

Avant de laisser les élèves travailler en autonomie, s’assurer que la consigne est bien comprise, notamment les termes « latitude » et « amplitude thermique ».

Mise en commun

Les premières conclusions vont peut-être se contenter d’un descriptif général de ces courbes de température : plus chaudes en été qu’en hiver, et plus chaudes aux basses latitudes qu’aux hautes latitudes. L’enseignant peut alors orienter l’analyse sur des détails plus fins : en particulier, l’amplitude des températures entre hiver et été est moins grande près des côtes qu’au cœur des terres. Autrement dit, le climat de type « océanique » présente des hivers plus doux et des étés moins chauds que le climat dit « continental ».

Note scientifique :

  • La présence de l’océan influence la température de l’air, mais également son humidité : près des côtes, les précipitations seront souvent plus importantes, et les vents également.
  • Un effet supplémentaire sera décrit dans la séance « L’observation des océans » . Le Gulf Stream est un courant chaud, qui adoucit le climat de l’Europe de l’Ouest. En comparaison, à des latitudes égales, le Canada et les Etats-Unis subissent l’influence des courants froids issus du Groenland, et connaissent des hivers bien plus rigoureux.

Recherche (expérimentation)

L’enseignant amorce alors une seconde discussion sur l’origine de cette régulation des températures par les océans. Si les élèves n’ont pas d’idée, il peut les guider en leur demandant : est-ce que l’eau et la terre se réchauffent ou se refroidissent de la même façon ?

Notes scientifiques

  • Plusieurs facteurs peuvent entrer en ligne de compte : la capacité thermique du matériau (la façon dont il se réchauffe en recevant de l’énergie), également appelée « inertie thermique », l’albédo (la façon dont il réfléchit ou absorbe la lumière), qui dépend elle-même de la couleur, de l’état de la surface, etc. Ce qui nous intéresse, ici, c’est l’inertie thermique (l’albédo est étudié plus loin).
  • Pour cette raison, il faut éviter d’utiliser une source lumineuse (spot, soleil) pour réchauffer le matériau.

La classe réfléchit collectivement à un protocole expérimental permettant de voir si l’eau se réchauffe de la même façon que la terre, sous l’effet d’une source de chaleur. Le plus simple est de placer ces matériaux dans un récipient posé sur un radiateur. L’enseignant doit s’assurer qu’un seul paramètre change au cours de l’expérience : par exemple il faudra utiliser des récipients identiques (saladier, boîte en plastique…), des masses égales (1kg par exemple) de terre, d’eau, de sable, de semoule, etc…

La température sera relevée toutes les 5 ou 10 minutes, pendant au moins 1/2 heure.

 
Posée à même un radiateur bien chaud, il suffit d’une demi-heure pour que la semoule (à gauche) gagne 17°c. Dans le même laps de temps, la même quantité d’eau (1kg) n’aura gagné que 6°c.

Notes scientifiques :

  • Dans notre exemple, nous avons utilisé de la semoule (sèche) et de l’eau, en masses égales (1kg), posées sur un radiateur sur thermostat 6. Ceci explique pourquoi l’expérience a été si rapide (une demi-heure). Avec un thermostat plus raisonnable, l’expérience durera plus longtemps, mais avec des résultats similaires.
  • L’interprétation de cette expérience est simple : en un temps donné, l’eau se réchauffe moins que la semoule. De même, en un temps donné (quelques mois), l’océan se réchauffe moins que le continent, c’est pourquoi il fait moins chaud en été.
  • On peut décider de prolonger cette expérience jusqu’à atteindre l’équilibre thermique : la température va se stabiliser pour les 2 bacs, à la même valeur. La conclusion porte alors non pas sur l’ampleur du réchauffement (qui est la même), mais sur sa vitesse (qui est plus lente pour l’eau que pour la semoule).

On peut faire une autre expérience similaire : au lieu de placer l’eau et le sable/la terre/la semoule sur un radiateur, on les place au réfrigérateur (même étage si possible pour avoir la même température)… et on mesure à quelle vitesse ces matériaux se refroidissent. Là aussi, on verra que l’eau se refroidit plus lentement. On parle ici « d’inertie thermique » des océans. Ils sont moins sensibles aux variations de chaleur, et permettent donc aux régions côtières de bénéficier d’un environnement thermique plus stable.

Mise en commun et conclusion

Les élèves débattent d’une conclusion commune, qu’ils recopient dans leur cahier d’expériences. Les climats océaniques sont plus doux que les climats continentaux grâce à l’inertie thermique des océans : l’eau est moins sensible aux variations de température que la terre.

Partenaires du projet

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