Recréer (et comprendre) la montée du niveau de la mer en labo
Dans la presse scientifique, on les appelle les MacGyver. Avec du fil de pêche, une bille de verre et une balance électronique, les chercheurs Stephen Hughes et Darren Pearce recréent in vitro les effets du changement climatique sur les océans. Prêts pour l’expérience?
Connaissez-vous la poussée d’Archimède ? Le principe selon lequel « tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide » ? C’est cette force qu’ont utilisée deux professeurs de physique d’une université australienne, Stephen Hughes et Darren Pearce, pour démontrer que lorsque la température des océans monte, ceux-ci s’étendent, avant même de considérer la fonte des glaces.
Ce phénomène appelé l’expansion thermique (ou dilatation thermique) est « responsable de l’essentiel de la montée du niveau de la mer du siècle dernier », expliquent les chercheurs dans l’European Journal of Physics, avant de préciser que « dans le futur, une quantité de plus en plus importante de la montée du niveau de la mer sera due à la fonte de la calotte glaciaire au Groenland et en Antarctique, ainsi qu’à la fonte des glaciers partout dans le monde et particulièrement dans l’Himalaya ».
La fonte des glaces en Arctique de 1987 à 2014 (NOAA, l’agence américaine d’observation océanique et atmosphérique):
A mesure que la température augmente, les molécules d’eau se déplacent plus vite et entrent plus souvent en collision, ce qui a pour effet de les espacer : la densité de l’eau baisse et son volume augmente. L’expansion thermique étant difficilement démontrable en mesurant directement le volume de l’eau (moins de 0,2 millimètre par degré Celsius pour 1 litre d’eau), les professeurs ont décidé de s’appuyer sur le principe d’Archimède pour le prouver.
« Mes étudiants en première année de physique trouvent cette expérience assez simple puisque le volume de la bille peut être mesuré précisément par le professeur avant l’expérience et les étudiants peuvent lire toutes les mesures dont ils ont besoin directement sur les instruments digitaux, sans avoir besoin de faire trop attention à la mesure du volume », explique le professeur Stephen Hughes.
Attention : ceci est un travail de précision. Voici le mode d’emploi simplifié de l’expérience (pour le processus complet, avec équation pour mesurer la masse de la bille, voir l’étude publiée sur l’European Journal of Physics).
Matériel
Il vous faudra une boîte en bois, une balance électronique, un bécher en verre, une bille de verre, un fil de pêche et un thermomètre électronique avec sonde d’immersion.
La montée des eaux in vitro pas à pas
1. Poser la balance électronique sur le haut de la boîte en bois. Y attacher le fil de pêche (la balance électronique devra être pourvue d’un crochet sous son plateau) ;
2. Attacher la bille en verre au fil de pêche en utilisant de la colle Araldite. La bille doit se tenir à un centimètre sous la surface de l’eau ;
3. Remplir un bécher de 500 ml d’eau et ajouter de la glace pour qu’en fondant, l’eau soit à une température inférieure à 1 degré ;
4. Mesurer régulièrement la température de l’eau à l’aide de la sonde d’immersion. Après chaque mesure, enlevez 20 ml d’eau pour les remplacer par 20 ml à température ambiante. Bien mélanger l’eau avant chaque mesure.
5. Répéter les mesures avec de l’eau chauffée à 40 degrés pour faire monter la température de l’eau à environ 35 degrés. En même temps que la température monte, sa densité baisse et le poids de la bille augmente : c’est l’expansion thermique mesurée par la poussée d’Archimède. Vous pouvez aussi utiliser ce calculateur de densité en ligne.
Etude de Stephen Hughes et Darren Pearce sur l’European Journal of Physics (accès payant)