La fonte des glaces de mer entraîne-t-elle une élévation

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La fonte des glaces de mer entraîne-t-elle une élévation
du niveau marin ?
par Marie-Thérèse LEHOUCQ
Lycée Victor Duruy - 75007 Paris
[email protected]
L
s’appuie sur cinq documents et s’attaque au problème complexe de la montée
des eaux due au réchauffement climatique. Par le calcul, il s’agit de montrer que la fonte de
la totalité des glaces de mer n’entraîne qu’une élévation très faible du niveau marin. Cette
séquence est une résolution de problème. Son corrigé est proposé.
a séquence
DURÉE DE LA SÉQUENCE
Les élèves des classes de terminale scientifique travaillent pendant une heure et
demie.
PRÉREQUIS DES ÉLÈVES
♦♦ Connaître et exploiter les lois de Newton.
INTRODUCTION
Aujourd’hui, l’homme est confronté au problème de l’accélération de la montée
des eaux. La surveillance par satellites de l’océan indique une augmentation du niveau
moyen global de la mer de 6,5 cm sur les vingt dernières années. Soit une vitesse d’élévation sur la période 1993-2012 égale à 3,2 ± 0,4 mm/an alors que cette même vitesse
n’est que de 1,7 mm/an sur tout le xxe siècle. Cet article s’attaque aux causes possibles
de la hausse actuelle du niveau marin. En particulier, il est demandé aux élèves des
classes de terminale scientifique ayant choisi la spécialité physique-chimie de résoudre
le problème suivant : la fonte de la totalité des glaces de mer entraîne-t-elle une élévation significative du niveau marin ?
1.DOCUMENTS
1.1. Formation de la glace de mer (document 1)
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
Vol. 109 - Février 2015
Marie-Thérèse LEHOUCQ
Article scientifique et pédagogique
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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. La glace de mer s’adoucit donc au fil du temps.
1.2. Fonte d’un glaçon dans un verre d’eau (document 2)
En toute rigueur la figure 1 n’est valable que si l’eau qui constitue la glace et l’eau
dans lequel flotte le glaçon ont la même salinité (et donc la même masse volumique
lorsqu’elles se retrouvent à la même température).
Figure 1 - Fonte d’un glaçon dans un verre d’eau :
le niveau de l’eau ne varie pas.
1.3. La cause exacte de la montée des eaux due au réchauffement (document 3)
L’une des principales menaces du réchauffement climatique est la montée des
eaux, condamnant d’importantes zones de vie humaines et modifiant profondément la
géographie de la planète. On estime qu’une élévation de 1 °C entraînerait une montée
de l’eau d’un mètre. Mais selon quel mécanisme ?
♦♦ Est-ce la fonte de la banquise ?
Non. De la même manière que la fonte d’un glaçon dans un verre ne fait pas monter
le niveau du liquide (une fois que le glaçon a été placé dedans bien sûr).
♦♦ Est-ce la fonte des glaciers de l’Antarctique, du Groenland, et autres ?
En partie, car le volume de glace est considérable, mais ce phénomène n’expliquerait
qu’une toute petite proportion de la montée des eaux.
♦♦ Une autre raison est la dilatation thermique de l’eau : la température, ne l’oublions
pas, mesure l’agitation des molécules, aussi à une température plus élevée, les molécules d’eau s’agitent, donc occupent (macroscopiquement) plus de volume, donc le
volume global de l’eau augmente, et le niveau s’élève.
1.4. Quelques données (document 4)
Voir tableau 1, page ci-contre.
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Le Bup n° 971
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Océan
Banquise totale
(arctique + antarctique)
V  =  1 370 000 000
V S  = 64 000
h = 3 790
h S  = 1,89
S  =  361 220 420
S S   =  34 000 000
t l  = 1 027,68
t S  = 917 (920 à – 45 °C)
t f  = 999,8
Salinité (g/L)
35
0
0
Température (°C)
5
0
0
Volume total (km3)
Épaisseur (m)
Surface (km )
2
Masse volumique (kg/m )
3
Eau de fonte
de la banquise
Tableau 1
1.5. La poussée d’Archimède (document 5)
Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou
traversant sa surface libre, subit une force verticale Pva , dirigée de bas en haut et opposée
au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d’Archimède.
Figure 2
2.TRAVAIL
À partir des documents et de vos connaissances, répondre alors à la question :
la fonte de la totalité des glaces de mer entraîne-t-elle une élévation significative du
niveau marin ?
Vous schématiserez la fonte de la totalité des glaces de mer en précisant les notations attribuées aux paramètres pertinents à prendre en compte dans le calcul de l’élévation du niveau marin. Cette schématisation de la situation qui permet de juger de la
façon dont vous vous êtes approprié le problème devra être soignée.
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3.CORRIGÉ
La schématisation de la fonte des glaces de mer donne la figure 3.
Figure 3
État initial : océan avec glace de mer
(banquise).
État final : banquise fondue.
La hauteur du niveau marin est DH = hauteur
d’eau après fonte - hauteur d’eau avant fonte
Écrivons la conservation de la masse d’eau après fusion :
t S VS
qui conduit à
Finalement
t S VS
= t f _h Si S S + DH Si
– t f h Si S S = t f DH S DH =
t S VS
– t f h Si S S
(1)
S
tf
La banquise est en équilibre d’un point de vue mécanique. La poussée d’Archimède qui s’exerce sur celle-ci est donc compensée par son poids. En simplifiant par la
valeur de la pesanteur g de part et d’autre de l’égalité, on obtient :
tl
qui se réécrit
h Si S S = t S V S
h Si S S =
t S VS
tl
(2)
En plaçant l’équation (2) dans l’équation (1), on obtient :
tf
t f t S VS
m t h S
t S V S c1 –
t S VS –
tl
tl
1 1
DH =
=
= S SS S c t – t m
tf S
tf S
f
l
On peut vérifier que si la banquise est faite d’eau de mer _t f = t li et non d’eau
moins salée ou d’eau douce alors le niveau marin ne s’élève pas _DH = 0i . Ce qui est
en accord avec le document 2.
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Le Bup n° 971
L’application numérique donne :
917 # 1, 89 # 34 000 000
DH =
361 220 420
199
#c
1
1
999, 8 – 1 027, 62 m = 4, 4 mm
Le calcul de la fonte de la totalité des eaux de mer donnerait une élévation faible
du niveau marin : quelques millimètres. Remarquons que ce calcul a été réalisé en
supposant que la glace d’eau de mer était de la glace d’eau douce, ce qui maximise
l’effet attendu. C’est avec une très bonne approximation, comme le fait d’ailleurs le
document 3, que l’on peut écrire que la fonte de la banquise ne modifie pratiquement
pas le niveau marin. Et qu’il faut donc envisager un autre scénario pour expliquer la
montée des eaux.
CONCLUSION
La session du baccalauréat 2014 s’est achevée en Métropole et les élèves avaient
un exercice de spécialité, noté sur cinq points, qui était une résolution de problème.
La question posée était : pourra-t-on entendre le joueur de cor des Alpes à Haute Nendaz
si le niveau d’intensité sonore est de 100 dB à un mètre de l’instrument ? Le candidat était
évalué sur l’analyse des données, la démarche suivie et l’analyse critique du résultat.
L’activité proposée constitue un entraînement à ce type d’exercice. La séquence trouve
naturellement sa place dans le domaine d’étude « Eau et environnement » du nouveau
programme de l’enseignement de spécialité des classes de terminale scientifique.
NETOGRAPHIE
♦♦ Formation de la glace de mer :
http://recherchespolaires.inist.fr/?Glace-de-mer
♦♦ La cause exacte de la montée des eaux due au réchauffement :
http://www.linternaute.com/science/magazine/dossier/s-il-ne-fallait-connaitre-que-10-choses-enscience/la-cause-exacte-de-la-montee-des-eaux-due-au-rechauffement.shtml
♦♦ Fonte de la banquise (glace de mer) et élévation du niveau marin :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/fonte-banquise-2005-10-06.xml
Marie-Thérèse LEHOUCQ
Professeur de physique-chimie
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