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SVT au lycée
Cours de Mme Marquet et M Viora
TP Modélisation de l’impact du réchauffement sur le volume des océans
Les variations de climat ont des conséquences sur de nombreux phénomènes à la surface du globe. Par exemple, un refroidissement du climat s’accompagne d’une modification de la végétation et de plus de glaciers à la surface de la Terre. Si ces phénomènes ont lieu dans le passé et ont laissé des indices observables aujourd’hui, ces indices deviennent des indicateurs des climats du passé. L’analyse de ces indicateurs permet de reconstituer les climats de passé en utilisant le principe d’actualisme : « les lois régissant les phénomènes actuels étaient également valables dans le passé ».
Un des but de ce TP est de comprendre la modélisation : on va donc créer un modèle de notre système physique aussi proche que possible de la réalité du système. En possession de ce modèle, il sera possible de simuler le système et d’en déduire des lois de comportement, plus ou moins proches de la réalité.
Cette séance repose sur deux activités :
-
- Préparer un oral présentant une trace de variation climatique passée aux choix parmi 4 choix : volume des océans, cernes de croissance des arbres, forage des glaces, analyse des pollens.(consigne en bas dans le genially)
- Activité pratique : Peut-on prévoir l’impact de l’élévation de la température sur les variations du niveau moyen des océans?
Nous cherchons dans cette activité expérimentale à savoir quelles sont les causes de l’augmentation du niveau des océans.
Plusieurs hypothèses peuvent être formulées
| Votre point de vue concernant cette hypothèse
Indiquez vrai ou faux |
Avant les manipulations | Après les manipulations |
| 1. L’augmentation du niveau marin est due à la fonte de la banquise arctique | ||
| 2. L’augmentation du niveau marin est due à la fonte des glaciers continentaux : Antarctique, Groenland et chaînes de montagne continentale | ||
| 3. L’augmentation du niveau marin est due au fait que l’eau chaude occupe un plus grand volume que l’eau froide |
La banquise est la couche de glace qui se forme à la surface d’une étendue d’eau par solidification des premières couches d’eau.
Une calotte glaciaire est un type de glacier formant une étendue de glace continentale de grandes dimensions.
Manipulation 1 : Modélisation de la dilatation thermique de l’eau
Lorsqu’un corps de volume Vi change de température, son volume peut varier. Nous voulons montrer ici qu’une variation de la température de l’eau peut entraîner une variation du volume initial d’eau.
Faire l’expérience à température ambiante, l’autre en faisant chauffer l’erlenmeyer.
Protocole
a. Remplir l’erlenmeyer de 100 ml avec un volume d’eau connu, noté Vi. Le fermer avec un bouchon à deux trous. Ne pas laisser d’air.
b.Dans le premier trou, placer un thermomètre. Noter la température initiale Ti. Dans le second trou, placer une pipette graduée.
c. Placer l’ensemble du montage dans un chauffe ballon et commencer le chauffage. De l’eau doit monter dans l’éprouvette graduée. Noter la température à chaque fois que l’eau atteint une nouvelle graduation.
d.Chauffer jusqu’à une augmentation maximale de 20°C par rapport à la température initiale
Noter dans le tableau ci-dessous les résultats obtenus.
| Température mesurée (en °C) | |||||
| Volume mesuré (en ml) | |||||
| ΔV = V – Vi (en mL) | |||||
| ΔT = T°C – Ti |
Manipulation 2 : Modélisation des conséquences de la fonte de la banquise de l’océan Arctique
La banquise arctique perd 8 % de sa superficie totale par décennie depuis les années 1980. Cependant, à partir de la décennie 2010, son déclin s’accélère.
| Protocole | Réalité modélisée |
| 1. Placer 50 ml d’eau dans un bécher de 250ml | |
| 2. Ajouter deux glaçons. Repérer le niveau d’eau | |
| 3. Laisser fondre la glace. |
Observer, mesurer et conclure
Manipulation 3 : Modélisation des conséquences de la fonte des glaciers continentaux (calotte glaciaire, glaciers alpins, inlandsis)
| Protocole | Réalité modélisée |
| 1. Placer 50 ml d’eau dans un bécher de 250 ml. | |
| 2. Placer un caillou et placer le gros glaçon dessus. Repérer le niveau d’eau dans le bécher. | |
| 3. Laisser fondre la glace. |
Observer, mesurer et conclure.
Photo du protocole : à gauche dans le cas de la fonte de la calotte, à droite, dans le cas de la fonte du glacier.
Conclusion :
La fonte des banquises ne fait pas augmenter le niveau moyen des océans (le volume d’eau liquide ainsi créé compense seulement la place occupée par la partie immergée de la glace). En revanche, la fonte des glaces continentales fait bien augmenter le niveau moyen des océans.
L’augmentation de volume est plus importante dans le ballon d’eau placé à 50°C que dans le ballon à température ambiante. L’augmentation de température provoque une dilatation thermique de l’eau ; Comme tous les corps, la masse volumique de l’eau varie en fonction de la température. Comme la quantité de matière ne varie pas en fonction de la température, c’est donc le volume occupé par cette quantité de matière qui varie. Ce phénomène est appelé dilatation thermique de l’eau.
Le réchauffement des eaux superficielles provoque une dilatation thermique qui est responsable d’une élévation du niveau de la mer. Un consensus scientifique semble émerger pour dire que celle-ci serait liée pour 50% à la dilatation thermique et pour 50% à la fonte des glaces continentales contrairement à ce qui était présenté il y a quelques années. D’après le site Météo France, on estime l’élévation du niveau moyen des mers à environ 1,7 mm par an en moyenne entre 1901 et 2011, et à 3,2 mm par an entre 1993 et 2014. Soit une élévation moyenne du niveau des mers de 17 cm pendant le vingtième siècle. On peut donc estimer que pendant le vingtième siècle, sur 17 cm de hausse du niveau marin, la dilatation thermique contribue pour 5 à 6 cm.
Manipulation 4 : modélisation mathématique
Copier/coller le fichier python dans Pyscripter. Calculer de la hausse du niveau marin en fonction de la température. Relever vos mesures.
# Programme de calcul de la dilatation des mers par réchauffement climatique
from scipy import interpolate, array, arange, integrate
# Table de variation de la température (°C) de l’eau en fonction de la profondeur
xTemp = array([0.0,100.0,200.0,300.0,400.0,500.0,600.0,700.0,800.0,900.0,
1000.0,1250.0,1500.0,2000.0,2500.0,3000.0,4000.0,5000.0])
yTemp = array([22.0,22.0,21.8,21.2,18.0,13.5,10.5,8.3,7.0,6.0,5.5,4.8,4.4,
4.0,3.7,3.5,3.2,2.9])
# Table de variation du coeff de dilatation thermique (°C^-1) en fonction de la
# température (°C)
xCDT = array([0.0,2.0,4.0,6.0,10.0,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0])
yCDT = array([-0.5e-04,-0.5e-04,0.15e-04,0.15e-04,0.6e-04,1.5e-04,3.01e-04,
4.56e-04,5.84e-04,6.82e-04])
# paramètres de modélisation
# je choisis la profondeur d’eau qui est en équilibre thermique avec l’atmosphère
# et l’élévation de température max dans le meilleur des scénarii de RC
hColonne = 1000.0 # profondeur en mètres
dh = 1 # épaisseur d’une tranche horizontale de la colonne en mètres
dT = float(input()) # variation de température en °C
# Calcul des fonctions d’interpolation (spline cubique) sur les différentes tables
fTemp = interpolate.interp1d(xTemp,yTemp,kind=’linear’)
fCDT = interpolate.interp1d(xCDT,yCDT,kind=’linear’)
# calcul de la hausse du niveau de la mer
h = arange(0.0,hColonne,dh)
zh = []
for i in h:
# chercher la température en fonction de la profondeur
Ti = fTemp(i)
# chercher le CDT en fonction de la température
CDTi = fCDT(Ti)
# calculer la variation verticale de la tranche i
dz = CDTi*dT
zh.append(dz)
# intégration des hausses unitaires
hausseTotale = integrate.simps(zh,x=h)
print (‘Hausse du niveau de la mer: ‘,hausseTotale,’ m’)
Exercice
Le réchauffement des eaux superficielles provoque une dilatation thermique qui est responsable d’une élévation du niveau de la mer. Un consensus scientifique semble émerger pour dire que celle-ci serait liée pour 50% à la dilatation thermique et pour 50% à la fonte des glaces continentales contrairement à ce qui était présenté il y a quelques années. D’après le site Météo France, on estime l’élévation du niveau moyen des mers à environ 1,7 mm par an en moyenne entre 1901 et 2011, et à 3,2 mm par an entre 1993 et 2014. Soit une élévation moyenne du niveau des mers de 17 cm pendant le vingtième siècle. On peut donc estimer que pendant le vingtième siècle, sur 17 cm de hausse du niveau marin, la dilatation thermique contribue pour 5 à 6 cm.
- Calculez l’augmentation du niveau moyen des océans dû à la dilatation thermique entre 1880 et aujourd’hui (soit une augmentation de la température de 0.3 °C). La surface totale des océans est de 360.106km2.
Dans une plage de température de +10°C, le coefficient de dilatation thermique de l’eau est α =1,0.10-4 °C-1
On peut considérer que seule la couche superficielle océanique H (correspondant aux 1000 premiers mètres de l’océan) a subi le réchauffement climatique.
2. Calculer l’augmentation de ce niveau si la température océanique augmente de 3°C en 2100.
Découvrir l’impact de l’augmentation du niveau marin dans différentes régions du monde : Flood map
Savoir :
Connaitre les autres traces de variations climatiques passées.
Savoir faire
Identifier des traces géologiques de variations climatiques passées (pollens, glaciers).
Interpréter des documents donnant la variation d’un indicateur climatique en fonction du temps (date de vendanges, niveau de la mer, extension d’un glacier, …).
Source TP : http://acces.ens-lyon.fr/acces/thematiques/CCCIC/ccc/hydrosphere/dilatation
Source du fichier python.(modifié par Lolézio Viora-Marquet)
Manipulation 1 : Fonte des glaces et élévations des océans
Manipulation 2 :
Je n’ai plus de créneau de TP en enseignement scientifique depuis 2 ans.
Je propose donc aux élèves qui le souhaitent de faire les TP à la maison.
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