Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Science, climat et société »
Sujet n°ENSSCI3199 et n°ENSSCI3216
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Le but de cet exercice est d’évaluer l’élévation de température de la couche supérieure de l’océan et son impact sur la hausse du niveau de l’eau.
Partie 1 – Étude de l’élévation de la température de la couche supérieure des océans
L’océan joue un rôle majeur dans le changement climatique en raison de sa grande masse et de sa capacité thermique élevée par rapport à l’atmosphère. De plus, en raison d’un albédo très bas, il absorbe beaucoup plus le rayonnement solaire que la glace.
Source : d’après GIEC – Climate Change 2013: The Physical Science Basis
Données :
- La Terre peut être assimilée à une sphère dont 71 % de la surface est recouverte par les océans.
- Le rayon moyen de la Terre est 𝑅 = 6371 km.
- La surface d’une sphère est 𝑆 = 4 × 𝜋 × 𝑅2.
- La masse volumique de l’eau de mer est 𝜌 = 1,02.103 kg ∙ m−3.
- Volume de la couche supérieure des océans 1 × 1017m3.
1- Calculer la surface S des océans sur Terre en km2.
La surface de la Terre est
$$S_{\text{Terre}}=4 \times \pi \times R^2$$
$$S_{\text{Terre}}=4 \times \pi \times (3671 \times 10^3)^2$$
$$S_{\text{Terre}}=5,10 \times 10^{14}\ m^2$$
La Terre peut être assimilée à une sphère dont 71 % de la surface est recouverte par les océans.
$$S_{\text{océans}}=71%\ S_{\text{Terre}}$$
$$S_{\text{océans}}=\frac{71}{100} \times 1,69 \times 10^{14}$$
$$S_{\text{océans}}=3,62 \times 10^{14}\ m^2$$
2- L’élévation de température des océans concerne essentiellement la couche supérieure. À partir du document 1 suivant, estimer l’énergie E emmagasinée par la couche supérieure des océans entre 1970 et 2010.
En 1970 l’énergie accumulée est -5×1022 J
En 2010 l’énergie accumulée est 11×1022 J
Entre 1970 et 2010 :
E=11×1022-(-5×1022)
E=1,6×1023J
D’après le document 1, l’énergie thermique accumulée par la couche supérieure des océans entre 1970 et 2010 est 1,6×1023J.
Document 1 – Estimation de l’énergie thermique accumulée par la couche supérieure (0-700m) des océans entre 1955 et 2013
Source : d’après https://www.nodc.noaa.gov
Lorsque l’eau emmagasine de l’énergie par transfert thermique, et s’il n’y a pas de changement d’état, sa température augmente. La variation d’énergie stockée, DE, peut-être reliée à la variation de température par la relation 𝛥𝐸 = 𝑚 × 𝑐 × 𝛥𝑇 avec :
𝑚 : masse d’eau, en kilogrammes (kg) ;
𝛥𝑇 : variation de température, en degrés Celsius (°C) ;
𝛥E : variation d’énergie stockée, en joules (J) ;
𝑐 : capacité thermique de l’eau ; 𝑐 = 3,98 × 103J ∙ kg−1 ∙ °C−1 pour l’eau de mer.
3- Calculer l’élévation de température de la couche supérieure de l’océan entre 1970 et 2010.
$$\Delta E=m \times c \times \Delta T$$
$$m \times c \times \Delta T=\Delta E$$
$$\Delta T=\frac{\Delta E}{m \times c}$$
Avec
➤ ΔE l’énergie thermique accumulée par la couche supérieure des océans entre 1970 et 2010
➤ m masse d’eau, en kilogramme kg.
$$V=1 \times 10^{17}\ m^3$$
Or $1\ m^3=1000\ L$
$$V=1 \times 10^{17} \times 1000$$
$$V=1 \times 10^{20}\ L$$
Or $1\ L$ d’eau a une masse de $1\ Kg$
$$m=1 \times 10^{20}\ Kg$$
$$\Delta T=\frac{1,6 \times 10^{23}}{1 \times 10^{20} \times 3,98 \times 10^{3}}$$
$$\Delta T=0,40\ °C$$
Par conséquent, l’élévation de température de la couche supérieure de l’océan entre 1970 et 2010 est de 0,40 °C.
4- Indiquer si la valeur obtenue est en accord avec les observations du document 2 page suivante.
En 1970 la température de la surface de l’eau est 0°C
En 2010 la température de la surface de l’eau est 0,40°C
Entre 1970 et 2010 :
ΔT =0,40-0
ΔT =0,40°C
Par conséquent, l’élévation de température de la couche supérieure de l’océan entre 1970 et 2010 est de 0,40°C.
La valeur obtenue est donc en accord avec les observations.
Document 2 – Évolution de la température moyenne de la surface des terres et des océans
Source : https://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/#
Partie 2 – Étude de la dilatation thermique de l’océan
Lorsqu’un corps s’échauffe, son volume change. Le coefficient de dilatation 𝛽 caractérise cette évolution.
Dans le cas de l’océan, on admet que seule la hauteur de la couche superficielle évolue alors que la surface reste inchangée.
Pour une augmentation de température ΔT, on a la relation :
Δh étant la variation de la hauteur h, et h la hauteur initiale.
Le coefficient de dilatation de l’eau de mer est 𝛽 = 2,6 × 10−4 °C−1 à 15 °C.
5- En prenant en compte une élévation de température de la couche superficielle (d’épaisseur h=300 m) de l’océan de 0,4 °C entre 1970 et 2010, calculer l’élévation du niveau de la mer provoquée par cet échauffement.
$$\frac{\Delta h}{h}=\beta \times \Delta T$$
$$\Delta h=h \times \beta \times \Delta T$$
$$\Delta h=300 \times 2,6 \times 10^{-4} \times 0,40$$
$$\Delta h=0,0312\ m$$
L’élévation du niveau de la mer due à l’échauffement de la couche superficielle de l’océan entre 1970 et 2010 est de 0,0312 m.
6- À l’aide du document 3 suivant, estimer l’élévation du niveau de la mer entre 1970 et 2010.
En 1970 l’augmentation du niveau de la mer est 225 mm
En 2010 l’augmentation du niveau de la mer est 120 mm
Entre 1970 et 2010 :
Augmentation =225-120
Augmentation =105 mm
Augmentation =0,105 m
Document 3 – Augmentation du niveau de la mer entre 1880 et 2016
Source : d’après https://climate.nasa.gov
7- Indiquer un autre facteur intervenant dans l’élévation du niveau de la mer et expliquant l’écart entre les précédentes valeurs obtenues.
L’augmentation est plus grande que celle calculée due à l’échauffement de la couche superficielle de l’océan.
Un autre facteur intervenant dans l’élévation du niveau de la mer est la fonte des glaces continentales (glaciers, calottes glaciaires, etc.) qui se produit principalement en raison de l’augmentation de la température de l’air et de l’eau. Cette fonte des glaces contribue à l’élévation du niveau de la mer en ajoutant de l’eau à l’océan.