Dynamique de l'eau: température, salinité et densité

Résumé

Saviez-vous que la température de l'eau joue un rôle essentiel dans le fonctionnement de tous nos systèmes d'approvisionnement en eau? Dans cette leçon, les élèves exploreront la relation entre la température, la salinité et la densité de l'eau, ainsi que leur impact sur les systèmes aquatiques. Grâce à des activités attrayantes, ils étudieront la formation des couches dans les plans d'eau et la façon dont elles sont liées au mélange des nutriments et aux courants.

Toutes nos leçons sont conçues en deux parties: une composante en classe et une composante sur le terrain. Vous pouvez choisir de suivre les leçons successivement sur plusieurs jours, à un moment qui vous convient, ou d’enseigner l’une ou l’autre partie de manière indépendante. Les leçons sont présentées sous forme d’activités en petits groupes pour faciliter et encourager la participation active. Au bas de la page, vous trouverez une section sur les connexions entre l’océan et le monde réel, des liens externes vers des ressources d’apprentissage et des activités supplémentaires à essayer, ainsi qu’un glossaire de termes.

Années d'étude recommandées

Cette activité est recommandée les jeunes de la 7e à 9e années. Nous avons inclus des conseils pour adapter l'activité à un large éventail d'élèves tout au long de la leçon.

Résultats d'apprentissage

• Utiliser des outils scientifiques pour mesurer avec précision la température de l’air et de l’eau.
• Mener une expérience pour modéliser les courants dans les systèmes aquatiques.
• Examiner la relation entre la température, la salinité et la densité.
• Reconnaître l’importance de la température dans le maintien de la santé et du fonctionnement des lacs et des océans.

Leçon

Contexte

Qu'est-ce la température de l’eau et pourquoi est-ce important?

La température de l'eau nous indique à quel point l'eau est chaude ou froide. C'est un facteur important dans la compréhension des environnements aquatiques et a un impact sur d'autres paramètres que nous mesurons comme le pH, l'oxygène dissous et la conductivité. Elle joue un rôle essentiel dans la détermination de la capacité de l'eau à soutenir la vie, à absorber les gaz et à absorber les nutriments en affectant la densité de l'eau. Différentes espèces aquatiques ont également leurs zones de température préférées. Certaines plantes prospèrent dans les eaux plus chaudes, tandis que certains poissons, comme la truite ou le saumon, préfèrent les cours d'eau plus frais. 

Qu'est-ce que la salinité?

La salinité fait référence à la mesure des sels dissous dans l’eau, mais pas du même sel que celui que nous utilisons pour assaisonner nos aliments! La salinité de l'eau provient de sources telles que les roches et le sol et devient moins concentrée lorsque la glace fond ou que les rivières se jettent dans des plans d'eau salée.

Qu'est-ce que la densité?

La densité est une mesure de la façon dont les particules sont proches ou éloignées dans une substance par rapport à sa masse et à son volume. Dans l’eau, des températures plus chaudes provoquent la dilatation des particules, ce qui rend l’eau moins dense. D’un autre côté, l’eau plus froide contient des particules très serrées, ce qui la rend plus dense. Lorsqu’il s’agit d’eau salée, la présence de particules de sel augmente la densité de l’eau. L'eau salée contient à la fois du sel et des particules d'eau, elle est donc plus dense que l'eau douce.

Lorsque l’eau est plus dense, elle contient plus de particules et est plus lourde, ce qui la fait couler. En revanche, des eaux plus légères et moins denses remontent. La température et la salinité sont les deux facteurs qui influencent la densité de l'eau dans l'océan, affectant ainsi le mouvement de l'eau. Comprendre la densité nous permet d’interpréter la danse complexe des molécules d’eau qui façonnent les modèles des écosystèmes aquatiques!

Modélisation des courants océaniques

Lieu: Dans la classe

Durée: 45 minutes

Objectif: Observez les effets de la salinité et de la température sur la densité de l’eau grâce à une expérience modélisant les courants océaniques.

Groupes: Nous recommandons des groupes de 3 à 5 étudiants pour cette activité.

Matériaux nécessaires

• Sel de table
• Colorant alimentaire foncé (bleu ou noir)
• Bac à glaçons (2 glaçons par groupe)
• Cuillères à soupe

Par groupe :

• 3 verres ou béchers d'eau du robinet à température ambiante (chaude)
• Verre ou bécher de 100 ml d'eau du robinet à température ambiante colorée en bleu foncé avec du colorant alimentaire.

Préparation

• Ajoutez plusieurs gouttes de colorant alimentaire à l'eau et congelez toute la nuit pour créer des glaçons de couleur foncée.
• Congelez au moins 2 glaçons par groupe.
• Vous pouvez préparer de l'eau à température ambiante pour les élèves en laissant plusieurs pichets d'eau dehors pendant quelques heures pour qu'ils puissent les verser dans leurs verres pendant l'expérience, ou en remplissant les verres des élèves à l'avance.
• Avec un groupe par station, les stations doivent avoir un verre à moitié plein (verre A), 2 verres pleins (verres B et C) d'eau à température ambiante et un verre ou un bécher de 100 ml d'eau à température ambiante de couleur bleu foncé avant de commencer.

Étapes

Explorer la salinité et la densité

1. Demandez à chaque groupe d’étiqueter les verres A (eau salée), B (eau salée) et C (eau du robinet) pour le contrôle.
2. Pour créer l’eau salée dans le verre A, chaque groupe peut mélanger un demi-verre (150 ml) d’eau à température ambiante avec une cuillère à soupe de sel. Mélangez bien l'eau jusqu'à ce que le sel soit dissous.
3. Demandez aux élèves d’écrire leurs prédictions sur ce qui se passera lorsqu’ils mélangeront l’eau colorée du robinet avec l’eau salée (verre A).
4. En inclinant le verre A, versez délicatement l'eau colorée du robinet dans le verre en la laissant couler sur le côté pour éviter les éclaboussures.
5. Demandez aux élèves d’observer et de noter tout changement de couleur et de mouvement lorsque l’eau colorée du robinet rencontre l’eau salée.

L'eau salée dans le verre A a une densité plus élevée que l'eau bleue du robinet car les particules de sel sont prises entre les particules d'eau. Lorsque l’eau bleue du robinet est ajoutée, elle flotte au-dessus de l’eau salée. L’eau salée, plus dense, coule au fond du verre, tandis que l’eau bleue du robinet, moins dense, flotte au sommet. Une partie de l’eau colorée du robinet peut se mélanger à l’eau salée au milieu.

Explorer la salinité, la température et la densité

1. Demandez aux groupes de remplir les verres B et C avec de l’eau à température ambiante si ce n’est pas déjà fait.
2. Dans le verre B, ajoutez une cuillère à soupe de sel dans l'eau et mélangez jusqu'à dissolution. Cela rend le verre B plus dense que le verre C.
3. Passez 2 glaçons à chaque groupe. Demandez aux élèves de placer 1 glaçon dans le verre C comme contrôle expérimental. Demandez-leur d'écrire leurs prédictions sur ce qui se passera avant de laisser tomber le glaçon, puis de noter leurs observations sur la façon dont l'eau bouge et change de couleur.
4. Répétez l'expérience avec le verre B, en écrivant vos prédictions et vos observations.

L'eau froide (glace) est plus dense que l'eau à température ambiante dans le verre C, elle coule donc. Cependant, l'eau froide finit par se mélanger à l'eau tiède dans le verre et commence à se réchauffer, à devenir moins dense et à remonter. Le verre B est rempli d'eau salée, qui est plus dense que l'eau du robinet, de sorte que l'eau colorée froide ne coule pas autant. Même si l’eau froide est plus dense que l’eau chaude, elle peut rester au-dessus de l’eau chaude car elle a une salinité élevée.

Discussion et réflexion

• Qu’avez-vous observé lorsque l’eau colorée du robinet a été versée dans l’eau salée? Comment les couleurs et le mouvement ont-ils changé?
• Pourquoi l’eau colorée du robinet flottait-elle au-dessus de l’eau salée? Qu’est-ce que cela nous apprend sur la densité de l’eau salée par rapport à l’eau du robinet?
• Quel rôle joue la salinité dans la densité de l’eau? Comment l’ajout de sel affecte-t-il la densité de l’eau?

Lorsque vous allez nager et allez au fond, vous remarquerez peut-être qu'il fait froid là-bas! Comme dans l’expérience en classe, l’eau chaude monte à la surface de l’eau parce qu’elle est moins dense, tandis que l’eau froide coule au fond. Dans les plans d’eau naturels comme les lacs et les océans, ce mouvement vertical de l’eau crée des couches de températures différentes. Ces couches facilitent le mélange des nutriments grâce aux courants de convection, où l’eau plus chaude et moins dense monte, tandis que l’eau plus froide et plus dense coule. Ce processus permet aux nutriments du fond de se mélanger aux eaux de surface, favorisant ainsi la vie dans tout le plan d’eau.

Explorer la température avec différents emplacements d'échantillons

Lieu: Sur le terrain, près d'un plan d'eau local.

Durée: 30 minutes

Objectif: Recueillir des échantillons d'eau à divers endroits autour d'un plan d'eau local pour mesurer la température à l'aide d'un thermomètre et d'un conductimètre.

Groupes: Nous recommandons des groupes de 5 étudiants maximum pour cette activité.

Matériaux nécessaires

Cette activité consiste à rechercher différents endroits autour de votre plan d’eau local et à prélever divers échantillons. Veuillez vous référer aux conseils de sécurité contenus dans le guide de votre éducateur, ainsi qu'à nos guide pour choisir un un emplacement de test et générale conseils pour choisir un emplacement d'échantillonnage. Assurez-vous toujours de:

• Déployez complètement le bras du bâton pour que les élèves puissent accéder facilement à l'eau.
• Choisissez un site éloigné des eaux en mouvement rapide où les jeunes peuvent facilement atteindre l’eau. 
• Si l'eau est plus profonde que 0.5 m, les élèves doivent porter un gilet de sauvetage. 
• Soyez très prudent à proximité de l'eau froide. 

Étapes

Observations

• Demandez aux élèves d’observer leur environnement.
  • Que voient-ils/remarquent-ils?
  • Quels sons entendent-ils?
  • Que sentent-ils?  
• Distribuez les blocs-notes aux élèves et décidez en classe de la météo de la veille et de la météo actuelle. Demandez-leur de noter cela dans leur bloc-notes.
• À partir des observations des élèves, demandez-leur d'identifier différentes sources d'eau qui pourraient avoir des températures différentes. Il peut s'agir de flaques d'eau, d'endroits peu profonds ou plus profonds, de zones ensoleillées et de zones avec ou sans végétation.
• Utilisez votre discrétion pour déterminer si les échantillons provenant des emplacements suggérés par les élèves peuvent être collectés en toute sécurité.

Enregistrement de la température de l'air

• À partir de leurs observations, demandez aux élèves de deviner la température de l’air.
• Fournissez à chaque groupe un thermomètre.
• Demandez aux élèves d’accrocher le thermomètre sous un arbre ou dans un autre endroit ombragé où les tests sont effectués.
• Assurez-vous que les thermomètres sont à au moins 1.5 mètre du sol.
• Laissez les thermomètres là pendant 5 minutes avant de lire la température. Vous pouvez choisir d'enregistrer les valeurs après avoir terminé l'échantillonnage de l'eau.

Se préparer à prélever un échantillon

Nos sens nous trompent souvent! Si possible, demandez aux élèves de mettre leur doigt dans l’eau et de deviner la température de l'eau avant de prélever et de tester leur échantillon.

• Donnez à chaque groupe un bâton d'atteinte, un gobelet à échantillon et un conductimètre.
• Accrochez le bâton d'atteinte au gobelet d'échantillonnage et assurez-vous qu'il tient fermement juste en dessous du rebord du gobelet d'échantillon.
• Déployez complètement le bâton d'atteinte.
• Rappelez aux élèves de garder le bâton sous le niveau des épaules pour leur sécurité.
• Rappelez aux élèves de rincer le gobelet à échantillon trois fois et de s’assurer que leurs mains sont sèches avant d’utiliser les bandelettes.
• Allumez le conductimètre en appuyant sur le bouton du haut.

Collecte et test du ou des échantillons

• En fonction des lieux d'échantillonnage convenus, demandez aux élèves de prédire s'ils pensent que l'eau sera plus chaude ou plus froide et de deviner les unités.
• Pour chaque emplacement approuvé, demandez à chaque groupe de prélever un échantillon et de placer le conductimètre dans la tasse d'échantillonage d'eau. Ou bien, chaque groupe peut prélever un échantillon dans un endroit de son choix qui a été approuvé.
• Maintenez le conductimètre dans l'eau en le faisant tourner légèrement jusqu'à ce que les deux valeurs du conductimètre restent stables pendant 30 secondes.
• La valeur inférieure la plus petite sur le conductimètre affichera la température en degrés Celsius. La valeur la plus élevée est la conductivité en microSiemens par centimètre. Pour cette expérience, il n’est pas important d’enregistrer la conductivité.
• Répétez ce processus pour chaque endroit, en encourageant les élèves à essayer de collecter des échantillons à différentes profondeurs (échantillons de surface et échantillons plus profonds).
• Revenez aux thermomètres et enregistrez la température de l’air.

Réflexion et discussion

• Selon vous, quels facteurs ont contribué aux variations de température dans les échantillons?
• Comment la température de l’air affecte-t-elle la température de l’eau? Comment cela change-t-il avec les plans d’eau douce et d’eau salée?
• Comment la profondeur de l’eau modifie-t-elle la température de l’eau? Selon vous, qu’est-ce que cela signifie pour la vie aquatique dans le plan d’eau?

Qu'est-ce qui se passe?

La température de l'air affecte la température des plans d'eau. Lorsque l’air est chaud, il peut transférer de la chaleur à l’eau, provoquant ainsi une augmentation de la température de l’eau. Et quand l’air est froid, il peut refroidir l’eau. L’effet de la température de l’air sur la température de l’eau peut être différent dans les plans d’eau douce et d’eau salée. L'eau douce a tendance à changer de température plus rapidement en réponse aux changements de température de l'air, car elle a une densité plus faible que l'eau salée. L'eau salée, comme celle de l'océan, est plus dense et peut retenir la chaleur plus efficacement, de sorte que sa température change plus lentement.

Les variations de température causées par la température de l’air et la profondeur de l’eau ont des conséquences importantes sur la vie aquatique. Certains organismes préfèrent les eaux plus chaudes près de la surface, tandis que d'autres sont adaptés aux profondeurs plus froides. Le mélange de différentes températures dans un plan d’eau permet à diverses espèces de coexister.

Ressources additionnelles

Ressources de cours

Comment fonctionnent les courants océaniques? 

Petite histoire : qu’est-ce que la stratification des océans? 

Introduction à la stratification des lacs

Rotation, mélange et stratification des lacs

Activités supplémentaires

Expérience sur l'effect du sel sur la flottabilité

Cette expérience simple et efficace est idéale pour les plus jeunes! Il utilise des œufs, de l'eau salée et de l'eau sucrée pour démontrer l'impact de la salinité sur la densité et la flottabilité de l'eau. Les œufs sont placés dans différentes solutions d'eau pour observer comment les densités affectent si les œufs flottent ou coulent – ​​tout comme à quel point il est plus facile de flotter dans l'océan que dans un lac!

L’eau chaude monte et l’eau froide descend

Allez plus loin dans votre modèle en ajoutant de l'eau chaude avec du colorant alimentaire rouge au mélange et voyez ce qui se passe! À mesure que l’eau chaude monte et que l’eau froide descend, les élèves peuvent être témoins du mouvement, du déplacement et du mélange éventuel des différentes températures de l’eau. Cette activité engageante offre aux élèves une démonstration visuelle de la circulation de l’eau, approfondissant ainsi leur compréhension de ce phénomène naturel.

Glossaire

Échantillon de contrôle: Un échantillon utilisé comme base de référence pour comparer avec d’autres échantillons. Dans les expériences, cela permet de comprendre les conditions initiales avant tout changement ou traitement

Courant de convection: Un mouvement fluide entraîné par des différences de température et de densité, où un matériau plus chaud et moins dense monte et un matériau plus froid et plus dense coule, créant un modèle de flux de circulation.

Courants: Le mouvement constant de l’eau dans une direction spécifique.

Courants océaniques: Mouvement continu de l'eau de mer entraîné par des forces telles que le vent, la température, la salinité, la rotation de la Terre et les marées.

Stratification de l'océan: La stratification de l'eau dans l'océan en fonction des différences de température, de salinité et de densité.

Particules: De minuscules morceaux de matière qui composent tout ce qui nous entoure.

Volume: La quantité d’espace qu’occupe quelque chose.