La stabilité des masses d'air chaudes et froides

1. Objectifs

Cette leçon est consacrée aux mouvements des masses d'air. Elle vous fera comprendre quelle est l'origine de ces mouvements et quelle en est la conséquence.

A la fin de cette leçon vous devrez être capable de:

d'expliquer pourquoi un milan noir ou la buse variable (oiseaux de proie communs dans nos contrées) peuvent s'élever dans les airs sans un battement d'aile,
de prédire le comportement d'une masse d'air froide arrivant sur un sol chaud et, inversément, celui d'une masse d'air chaude arrivant sur un sol froid,
décrire le déroulement de la rencontre de deux masses d'air ayant une température différentes.

Un test d'auto-contrôle vous sera présenté à la fin de la leçon pour vérifier l'acquisition des notions enseignées dans cette leçon.

2. Motivation et place de la leçon dans le module

Dans la leçon précédente vous avez appris que l'atmosphère était composée de plusieurs gaz et que ceux-ci étaient comme des billes, les molécules d'air, en mouvement constant. Cette masse d'air a un poids qui exerce une certaine pression

Nous allons maintenant maintenant voir que l'atmosphère n'a pas une température uniforme et qu'elle se déplace selon des lois physiques. La connaissance de ces lois vous permettra de prédire le déplacement de ces masses d'air.
Nous illustrerons ces mouvements par un certain nombre d'expériences que nous vous invitons à réaliser en groupe. Discutez entre-vous des phénomènes que vous observerez, tentez d'expliquer leur origine.

3. Pré-requis

Avant de passer à la leçon proprement-dites, répondez aux questions ci-dessous. Elles ont pour but de vous rappeler les connaissances dont vous avez besoin pour comprendre cette leçon. Vous pourrez accéder au corrigé de ces questions à la fin du questionnaire.

4. Test des connaissances pré-requises

Note: une réponse correcte par question. Chaque question vaut 1 point. Si tu obtient 4 points, tes connaissances sont suffisantes pour débuter cette leçon, sinon je te conseille de bien lire et comprendre le corrigé. Les notions de densité, molécules d'air et de conduction de chaleur doivent t'être familières.

1. L'air est constitué par plusieurs gaz dont la proportion est constante. Parmis les propositions ci-dessous, laquelle correspond à la réalité ?

a) 50% d'oxygène, 10% de dioxyde de carbone, 20% d'eau et 1% de gaz divers
b) 78% d'azote, 20% d'oxygène et 2% final constitué de vapeur d'eau, dioxyde de carbone et gaz d'argon.
c) 50% d'oxygène, 15% d'azote, 15% de dioxyde de carbone, 5% de dioxyde de soufre, 3% de vapeur d'eau, le restant àtant constitué de gaz rares.
d) 50% de vapeur d'eau, 30% d'azote, 18% d'oxygène, 1% de dioxyde de carbone, 1% de gaz divers.
e) 60% de vapeur d'eau, 20% d'oxygène, 10% d'azote, 5% de dioxyde ce carbone, le reste étant constitué de gaz divers.

2. Parmis les figures ci-dessous, laquelle représente le mieux la structure de l'air ?

5 figures representant la structure de l'air

3. Pourquoi un tronc de sapin flotte-t-il sur l'eau ?

a) parce qu'il est plus léger que l'eau
b) parce qu'il est hydrophobe (c.à.d, qu'elle repousse l'eau comme la graisse ou le téflon)
c) parce que sa densité est plus faible que celle de l'eau
d) parce qu'il est plus long que large
e) parce qu'il a des petits trous d'air

4. Les 4 cubes ci-dessous contiennent chacun 5 billes ayant toutes le même poids. Si l'on admet que le récipient tout seul n'a pas de poids, lequel des cubes est le plus lourd ?

4 cubes e) ils ont tous le même poids

5. Quel phénomène est à l'origine de l'élévation de la température de l'eau qui se trouve dans une casserole déposée sur la plaque chauffante d'une cuisinière ?

a) le frottement de deux corps
b) la formation de bulles d'air dans l'eau
c) l'établissement d'un courant électrique
d) la conduction de chaleur
e) la résistance du fond de la casserole

Corrigé du test ci-dessus.

5. Corps de la leçon:
La stabilité des masses d'air chaudes et froides

5.1 Une masse d'air chauffé se dilate et, par conséquent, sa densité diminue.

Nous avons vu dans la leçon précédente que l'atmosphère était formé de molécules d'air en mouvement constant. Ce mouvement moléculaire varie selon la température. Si la température est basse, le mouvement des molécules est lent alors que si la température est élevée il est rapide.

Expérience 1: sous l'action de la chaleur, l'air se dilate

Nous allons illustrer ce fait par une expérience qui va te régaler. Demande à ton maître le matériel suivant:
une plaque chauffante électrique, une casserole avec un couvercle en verre percé et une poignée de grains de maïs pour faire des pop-corns.

Enclanche la plaque chauffante et pose la casserole dessus.Dépose une poignée de grains de maïs dans la casserole et recouvre-la du couvercle en verre. Après quelques minutes qu'observes-tu ?
Eteind la plaque maintenant. Que se passe-t-il ?

Discussion :

On peut s'imaginer que les molécules d'air sont ces grains de maïs: lorsque on les chauffe, leur agitation augmente, les molécules s'éloignent les unes des autres et prennent plus de volume. On dit que l'air se dilate: un même nombre de molécules prend un espace plus grand.
La figure ci-dessous représente schématiquement ce que vous avez observé: en gris la position de trois molécules au temps 0 et en noir leur position une fraction de seconde plus tard, la ligne brisée entre chaque boule représentant le chemin parcouru.

mouvement de molecules d'air en fonction de la temperature

Si vous regardez ce document avec Netscape 2.0 ou plus et que vous disposez d'une machine assez rapide, vous pouvez voir une version animée du schéma ci-dessus.

La dilatation d'une masse d'air implique que sa densité diminue. Or une masse d'air dont la densité diminue deviendra plus légère que l'air environnant et s'élévera. Ce concept est démontré par l'expérience 2.

Expérience 2: l'air chaud monte

Une belle utilisation des propriétés de l'air chaud est celle des montgolfières ou ballons à air chaud. L'aérostier (le pilote du ballon) chauffe l'air du ballon à l'aide d'un réchaud à gaz situé à la base de l'ouverture du ballon. Cet air chaud gonfle les parois du ballon et y reste prisonnier. Ainsi le ballon contenant de l'air très léger peut s'élever dans les airs et emporter avec lui des passagers. De temps en temps l'air du ballon doit être réchauffé pour le maintenir à l'altitude désirée.
A toi maintenant d'expérimenter. Ton maître dispose de tout le matériel nécessaire pour la construction d'un ballon à air chaud. Sois très prudent, le travail avec le feu est dangereux.
Je te souhaite beaucoup de plaisir.

5.2 Les courants d'air

Jean, ferme la fenêtre de ta chambre, il y a un courant d'air et les portes vont claquer ! Je suis sûr que vous avez entendu plusieurs fois cette exclamation chez vous à la maison ou ailleurs. Mais y avez vous réfléchi; pourquoi y a-t-il des courants d'air ?
Nous avons vu qu'une masse d'air chaude était plus légère que l'air environnant et montait. Dans l'expérience 2 ci-dessus, cette masse d'air chaude était emprisonnée dans un ballon, mais en général les masses d'air ne sont pas cloisonnées et sont en contact avec tout l'air environnant. Donc quand de l'air chaud se déplace il crée un mouvement d'air dans son sillage. C'est ce qui se passe dans les courants d'air de la maison. La température de l'air qui entoure ta maison n'est pas la même sur toutes ses faces: un côté de la maison est ou a été chauffé par le soleil alors que le côté opposé est à l'ombre. Cette différence de température crée un courant d'air qui est particulièrement perceptible lorsque tu ouvres les fenêtres de deux faces opposées. Tu crées une sorte de court-circuit où l'air froid s'engouffre.

Expérience 3: les courants de convections

On peut visualiser les courants d'air par la fumée. Cependant, pour notre expérience, il est plus facile d'utiliser l'eau comme élément pour simuler une masse d'air.

Tu as besoin du matériel suivant:
un aquarium rectangulaire rempli d'eau, une plaque chauffante, un plot en bois et une bouteille de colorant alimentaire.

1. Dépose un coin de l'aquarium rempli d'eau sur la plaque chauffante et l'autre coin sur le plot en bois de telle sorte que l'aquarium soit horizontal et en équilibre. Dépose une goutte du colorant dans un coin de l'aquarium. Qu'observes-tu ?
Brasse l'eau de façon à ce celle-ci ait une couleur homogène.
2. Allume maintenant la plaque chauffante. Après quelques minutes, ajoutes 3 gouttes du colorant alimentaire dans un des coins de l'aquarium. Que vois-tu maintenant ?

5.3 Une masse d'air froide arrivant sur un sol chaud est instable

Nous avons vu que la différence de température entre deux masses d'air ou d'eau était le moteur d'un courant de convection.
Cette section s'appuie sur l'ensemble des connaissances que tu as acquises pour te faire comprendre pourquoi une masse d'air froide arrivant sur un sol chaud est instable alors qu'une masse d'air chaud arrivant sur un sol froid est stable. Pour illustrer ce fait, nous allons réaliser deux expériences.

Expérience 4: la stabilité de l'air

Pour cette expérience, tu as besoin du matériel suivant:
un bécher en verre Pyrex de 1 litre, une plaque chauffante, un bac rempli de glace, une bouteille de colorant alimentaire, du papier ménage.

1. Enclanche la plaque chauffante. Pendant que la plaque chauffe, remplis ton bécher d'eau froide. Lorsque la plaque est bien chaude (env. 5 min), dépose le bécher sur la plaque chauffante. Baisse toi de telle sorte que tes yeux soient au niveau de la plaque chauffante et observe le fond du bécher. Tu peux voir des volutes qui se forment à la base du bécher (elles sont mieux visibles si tu mets un fond sombre derrière le bécher). Tu peux encore mieux voir le courant qui se forme en déchirant un bout de papier ménage pour en faire une petite boulette de papier. Trempe cette boulette de papier dans l'eau du bécher puis imbibes-la de quelques gouttes de colorant. Ensuite pose cette boulette à la surface de l'eau et laisse-la tomber vers le fond du bécher. Que se passe-t-il ?

2. Nous allons réaliser l'expérience inverse maintenant. Rempli le bécher d'eau chaude. Attend que toutes les bulles d'air soient remontées à la surface. Depose le bécher sur un bac à glace. Comme dans l'exp. 1, fait une boulette de papier, trempe-la dans l'eau chaude et imbibe-la de colorant. Ensuite pose cette boulette à la surface de l'eau et laisse-la tomber vers le fond du bécher. Comment le colorant se comporte-t-il cette fois-ci ?

Discussion:

Dans la première partie de l'expérience 4, la couche inférieure de l'eau froide du bécher s'est réchauffée au contact de la plaque chauffante, les molécules d'eau se sont agitées plus fortement, donc sa densité a diminué. L'eau réchauffée, devenue plus légère, est remontée au travers de la couche d'eau qui se trouvait au-dessus d'elle, créant ainsi un courant de convection accompagné de fortes turbulences.
C'est exactement ce qui se passe lorsque d'air froid arrive sur un sol chaud: la couche inférieure se laisse réchauffer par la terre plus chaude, cette couche deviendra plus légère et va s'élever au travers des couches plus froide, tandis que ces dernières vont tomber. Cet air est instable.

dessin illustrant de l'air froid instable

Dans l'expérience inverse, la partie inférieure de l'eau chaude s'est refroidie au contact de la glace. Ce couche basse est devenue plus dense et a tendance à se maintenir en position la plus basse. Ceci est aussi vrai pour une couche d'air arrivant un sol plus froid. Si la couche basse est soulevée passagèrement, elle retombera dans sa position intitiale, cet air est stable.

dessin illustrant de l'air stable

5.4 Synthèse.

Dans cette leçon vous avez appris:

que la température modifie la densité d'une masse d'air: une masse d'air chaude a une densité plus faible qu'une masse d'air froide, l'air chaud s'élève alors que l'air froid s'abaisse,
que la différence de température à l'intérieur d'une masse d'air ou entre deux masses d'air crée des courants d'air,
qu'une masse d'air froide arrivant sur une terre chaude est instable alors qu'une masse d'air chaude arrivant sur une terre froide est stable.

6. Test d'acquisition des connaissances

Note: une réponse correcte par question, la 5ième est une question ouverte. Tu devrais pouvoir répondre à ces questions en 30 minutes.

1. L'été tu peux observer que les milans noirs ou les buses variables décrivent des cercles à haute altitude et peuvent tourner ainsi sans battre leurs ailes. Comment cela est-il possible ?
(2 pts)

a) parce qu'ils ont une anatomie spéciale
b) parce qu'à haute altitude l'air est plus léger
c) parce qu'ils maintiennent leurs ailes horizontales
d) parce qu'ils utilisent des courants d'air chaud (des thermiques)
e) parce qu'ils ont une trajectoire en forme de spirale

2. Lorsque ta maman ou grand-maman fait des confitures, elle ferme l'ouverture du pot rempli de confiture encore chaude avec une feuille de plastique et met une élastique pour maintenir cette feuille en place.
Le lendemain, lorsque la confiture a refroidi, tu peux observer que la surface de la membrane qui ferme hermétiquement le pot n'est plus plane, mais concave (courbure vers l'intérieur). Pourquoi ?
(1 pt)

a) parce qu'en refroidissant, l'air qui se trouvait entre la membrane et la confiture s'est contracté et a aspiré cette membrane vers l'intérieur du pot.
b) parce qu'en se refroidissant, la confiture a absorbé l'humidité de l'air qui se trouvait au-dessus d'elle
c) parce que la membrane est devenue sèche
d) parce que le verre de confiture s'est dilaté
e) à cause de la pression de l'air extérieur qui est plus forte qu'à l'intérieur

3. Quelques cubes de glace colorées sont déposés à la surface d'un bac d'eau. Laquelle des propositions suivantes est correcte ?
(1 pt)

a) les cubes descendent au fond de l'eau et le colorant qui s'en échappe remonte lentement à la surface
b) l'eau colorée qui provient de la fonte des glaçons descend au fond du bac
c) les cubes descendent au fond du bac et l'eau colorée qui s'en échappe reste au fond
d) au fur et à mesure que les cubes fondent, une fine pellicule d'eau colorée se forme à la surface de l'eau
e) l'eau colorée qui provient de la fonte des glaçons descend au fond du bac puis remonte lentement.

4. Un aquarium retangulaire est séparé en deux par une cloison de plastique amovible. La partie gauche est remplie d'une eau très salée alors que la partie droite est remplie d'une eau légèrement colorée. Que se passe-t-il lorsqu'on enlève la cloison ?
(2 pts)

a) les deux masses d'eau gardent leur position initiale
b) l'eau salée passe au-dessous de l'eau colorée
c) l'eau colorée passe au-dessous de l'eau salée
d) un gradient horizontal (un front d'eau très salée se mélange progressivement à l'eau non salée) d'eau salée se forme
e) un courant circulaire s'établi entre les deux masses d'eau

5. Au bord de l'océan vous aurez remarqué qu'il y a toujours du vent. La journée le vent souffle de la mer vers la terre et la nuit le sens de ce courant s'inverse. Essayez d'expliquer ce phénomène, faites un dessin avec des flèches représentant le mouvement de l'air.
(3 pts)

Total des points: 9. Il faut obtenir 6 points pour réussir ce test.

Corrigé du test.

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Mardi, 8 octobre 1996
Daniel Scherly