Le rayonnement solaire et son interaction avec l’atmosphère.

Paul Adams cherche à montrer les interactions des composants atmosphériques avec l’ensemble du spectre électromagnétique. Il nous présente quelques expériences simples montrant les modes de transfert de l’énergie solaire au sein de l’atmosphère terrestre. 1° ) la conduction

Pour mettre en évidence simplement le transfert d’énergie par conduction il suffit de tenir d’un côté et de chauffer de l’autre avec un briquet, au moins 30 s, une tige en aluminium par exemple.

Paul Adams « teste » la conduction avec A Carrasset. 2°) la convection

Le transfert d’énergie est « visualisé » par le déplacement du colorant ( vers la droite ): on prend un tube en verre circulaire rempli d’eau auquel on rajoute du colorant et on chauffe à la base du tube.

P Adams et C Cossard assurent la démonstration de la convection :

Jorge Melendez et N Herman CCAG Virginie 2006 :

3°) les ondes électromagnétiques

L’énergie portée par les ondes électromagnétiques peut facilement être « visualisée » par l’utilisation d’un radiomètre solaire et une lampe : on peut aussi « calculer » l’énergie nécessaire à la mise en rotation et à l’obtention d’une vitesse de rotation stabilisée du mobile connaissant la puissance de la lampe et en faisant varier la distance.

Explication sommaire: Les surfaces noires des pales à l'intérieur de la sphère, dans laquelle on a fait un vide partiel, absorbent le rayonnement lumineux et s'échauffent plus que les surfaces claires. Les molécules du gaz à l'intérieur du radiomètre s'échauffent du coté noir et acquièrent donc une vitesse plus élevée, responsable de la pression cinétique, qui fait tourner les pales comme un moulin. Les pales tournent lentement avec un éclairage ambiant normal, mais elles tournent très rapidement au soleil. Un site par exemple pour en acheter : http://www.outilssolaires.com/Boutique/prin-boutique2.htm

Le faisceau laser rouge : le faisceau laser n’est pas visible sur son trajet, seul la tâche qu’il projette sur un mur est visible : pour matérialiser le faisceau il suffit de verser de la farine sur son trajet :

Les détecteurs de radiations électromagnétiques :

Pour détecter une onde de type infra rouge on a au moins 3 méthodes :

il suffit dans le noir de viser et de photographier sans flash avec un appareil photo numérique ( sensible aux IR ) une télécommande de téléviseur ou une diode IR.

Il existe aussi des papiers thermosensibles que l’on pose sur la peau et qui donne directement une évaluation de la température. Démonstration de N Herman

On peut pour plus de précision utiliser un capteur thermique mais on évitera, pour les élèves, le « mauvais exemple » donné par les deux expérimentatrices…

P E Hygoulin et C Cossard

Pour détecter facilement les UV

On peut utiliser des petites billes sensibles à ce type de radiation :

Billes non exposées au soleil Billes exposées au soleil

Un site par exemple pour en acheter : http://www.stevespanglerscience.com/product/1350

On peut aussi utiliser pour des mesures plus performantes un capteur à UV , matériel par exemple disponible à cette adresse ( http://www.calibration.fr/ ), et que vous pouvez voir ci-dessous. Nous avons réalisé un test avec une série de crèmes solaires d’indices différents :

Ici une mesure directe réalisée à l’extérieur

Ici une mesure réalisée derrière une vitre avec les différentes crèmes réparties sur un film plastique.

Ici une mesure réalisée à l’extérieur avec les différentes crèmes réparties sur un film plastique.

On a constaté que toutes les crèmes arrêtent en grande partie les UV de façon sensiblement équivalente, les écarts constatés ne traduisent pas linéairement les différents indices, mais nous n’avons pas eu le temps d’approfondir….( tests sur la durée, les quantités…) Nos collègues ont aussi testé l’efficacité des lunettes aux UV : Enfin dernier « détecteur » l’œil humain sensible aux rayonnements visibles compris entre environ 400 nm et 670 nm de longueur d’ondes : notre œil perçoit par exemple le bleu et il suffit de lever un peu les yeux pour voir le ciel bleu ; mais au fait pourquoi nous apparaît-il bleu ?

« Car s’il était vert, on ne saurait pas où arrêter de tondre la pelouse » quelques explications par ici :

http://www.astrosurf.com/lombry/cielbleu-rayonvert.htm Utilisation de spectromètre ou de lunette pour observer les différentes raies de la lumière. Cette activité peut aussi être menée avec différents éclairages à gaz (Ne, Na, He,…) montés sur un support adapté.

Les radiations solaires et les aérosols Paul Adams cherche ici à montrer les effets des aérosols sur la luminosité atmosphérique. Pour mesurer l’épaisseur optique de l’atmosphère ( AOT ) on utilise un photomètre : vous trouverez le protocole sur le site globe France à cette adresse :

http://www.globefrance.org/IMG/pdf/protocoles_relatif_aux_aerosols.pdf L’université d’Hampton propose une animation flash ( http://calipsooutreach.hamptonu.edu/arcade.html ) qui permet aux élèves de préciser la notion d’aérosols il suffit de cliquer sur « Atmospheric Aerosols Book » pour démarrer l’animation. Aérosols et lumière : une modélisation simple des effets des aérosols sur la diminution de la luminosité.

Le protocole est simple, il suffit de poser sur un rétroprojecteur deux (ou trois) verres, l’un rempli d’eau modélisant une atmosphère sans aérosols, l’autre rempli d’eau additionné d’une goutte de lait, modélisant une atmosphère avec aérosols : dans le premier la lumière traverse l’eau et se projette sur l’écran, dans l’autre la lumière ne passe plus à travers le mélange eau-lait.

Prévoir un troisième verre permet d’être prêt à refaire l’expérience pour ceux qui le demande.

L’explication peut se résumer ainsi : les particules solides contenues dans le lait comme les protéines diffusent la lumière dans toutes les directions de l’espace, à chaque molécule rencontrée le faisceau incident perd de son énergie et à la sortie du mélange ( à la surface ) il n’y a plus qu’une très faible fraction de la lumière initiale d’où « l’obscurité » visible sur l’écran.

Aérosols et luminosité, un protocole simple permettant de quantifier les effets des aérosols sur la luminosité : On utilise une gamme de dilution à partir d’eau colorée ( par exemple au bleu de bromothymol, au rouge neutre, colorant alimentaire ou encore avec un soda de type « coca » sans bulles ) : il suffit à partir de la solution mère de diluer à chaque fois de 50 % pour obtenir la gamme colorée. Ensuite, on verse successivement les solutions dans un récipient à bords parallèles que l’on place entre la source et le capteur, puis on mesure avec un luxmètre le % de lumière transmise et les élèves peuvent tracer la courbe correspondante modélisant la diminution de la transparence de l’atmosphère avec l’augmentation de la concentration en aérosols ( le colorant ).

0,78125% 1,562% 3,125% 6,25% 12,5% 25% 50% 100%

Un des groupes au travail pour réaliser des dilutions :

et un autre pour les mesures faites avec du lait :

%

lux

Les mesures des paramètres atmosphériques

On cherche à présenter des expériences permettant d’illustrer les notions de pression, température et humidité de l’atmosphère. La pression

Une démonstration significative des forces mises en jeu pour la pression atmosphérique peut être réalisée avec peu de matériel mais avec un résultat bien « visible » pour les élèves :

Il faut utiliser une très grande poche poubelle que l’on va percer de 8 trous permettant le passage d’une paille solidaire d’une poche de congélation hermétiquement fermée. On voit ici Dianne Robinson avec une des participantes au stage (tenant la poche ) en train de fabriquer une des 8 poches avec la paille bien scotchée pour laisser échapper le moins d’air possible. Ces 8 poches sont disposées suivant le schéma suivant :

Les poches de congélation sont toutes placées à l’intérieur de la grande poche poubelle et seule la paille dépasse de la grand poche poubelle. Ensuite on dépose l’ensemble sur une table en veillant à ce que chaque paille dépasse de la table. On dépose sur cet ensemble une autre table comme sur la photo ci-dessous et ensuite un élève ou même un adulte monte et s’assied sur la table. Le résultat dès que les 8 personnes soufflent dans les pailles est très probant puisque la table supérieure et la personne sont soulevées sans problème ! Cette expérience peut servir pour illustrer la notion de pression, ensuite on utilise des capteurs comme ceux vus précédemment ( http://www.calibration.fr/ ) ou tout autre capteur dont on dispose.

On peut aussi faire la démonstration de la pression de l’air : On place une réglette sous des feuilles de journaux (bien étalées et bien aplaties), la surface doit être suffisante. Puis d’un coup sec on frappe l’extrémité de la réglette qui dépasse. Normalement celle-ci doit se casser nette ! L’enregistrement d’une augmentation de la pression : On peut utiliser tout simplement une boîte hermétique comme celle qui contient une pellicule photo ou tout autre dispositif approprié qui permette le passage de la sonde barométrique au travers un bouchon : Le dégagement gazeux va modifier la pression interne et on mesure l’augmentation de la pression.

Si on verse un (ou plusieurs ″menthos″) dans une bouteille de Soda, ceux-ci agissent comme noyaux de condensation pour le gaz dissout dans la bouteille et le dégagement gazeux qui s’en suit provoque une forte augmentation de pression permettant d’obtenir ces geysers !

L’enregistrement d’une baisse de la pression et son lien avec le refroidissement :

Pour matérialiser cette diminution on va montrer qu’un solide peut être déformé sous le simple effet de la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur. On utilise une canette remplie d’un peu d’eau que l’on fait chauffer pendant au moins 10’ afin de saturer l’intérieur de la canette en vapeur d’eau chaude. On peut mesurer avec la sonde la pression et/ou la température régnant à l’intérieur de la canette si on le désire.

PLAQUE CHAUFFANTE

La deuxième opération est plus délicate : il faut retourner très rapidement la canette sur un récipient contenant de l’eau froide. On voit ici P Adams avec M Andreou réalisant ce transfert et vous aurez remarqué qu’il a pris la précaution de mettre un gant pour attraper la canette…Le résultat obtenu est spectaculaire car la canette implose littéralement : la vapeur d’eau très chaude soumise brutalement à un refroidissement se condense et donc la pression interne diminue fortement; la différence de pression avec la pression externe écrase les parois de la canette qui se déforme.

Une autre expérience simple permet de mettre en relation les variations de pression avec les mouvements de l’air : Il suffit de se munir de deux balles de ping pong rattachées par une ficelle et que l’on dispose à quelques centimètres l’une de l’autre : on souffle entre les deux balles et on voit qu’elles se rapprochent comme sur la photo.

Le schéma suivant explique sommairement le phénomène : lorsqu’on souffle entre les deux balles ( 1 ) de ping pong l’air au contact des balles est accéléré au niveau de la surface convexe ( 2 ) cela crée une zone de dépression au niveau de cette surface et un peu au-delà d’où un mouvement résultant de rapprochement des balles ( dépression d’un côté 3 et pression normale de l’autre 3 )

La compressibilité des gaz et les variations de masse : Le matériel nécessaire à cette expérience : un compte-gouttes, une bouteille en plastique remplie avec de l'eau, deux écrous ( dont il faut déterminer la masse en fonction de votre pipette afin que l’ensemble flotte) et du fil pour lier les écrous à la pipette. Protocole :

1. Remplir la bouteille en plastique jusqu'à ras bord avec de l'eau.

2. Remplir le compte-gouttes avec 1/4 d’eau comme sur le schéma ci-contre

3. Placer le compte-gouttes dans la bouteille, le compte-gouttes doit flotter et l'eau dans la bouteille devrait déborder, si ce n’est pas le cas il faut trouver le point d’équilibre en faisant varier la taille des écrous

4. Fermer hermétiquement la bouteille

5. Presser les côtés de la bouteille et observer le résultat :

le compte-gouttes descend : la pression exercée sur la bouteille a été transmise à l’eau qui est incompressible, comme le compte-gouttes contient de l’air ( compressible ) l’eau sous pression est rentrée dans le compte-gouttes et a alourdi le compte-gouttes qui alors descend.

La température :

Dans le cadre du projet calisph’air les instruments de mesure de la température de l’atmosphère sont protégés dans un abri météo : pourquoi ? On montre les variations de la température atmosphérique dans différentes conditions. On utilise des sondes thermométriques que l’on place dans différentes canettes remplies d’un peu d’eau comme dans l’expérience précédente et que l’on éclaire :

1. une canette témoin

2. une canette peinte en noir ( Mickaël Andreou et Céline Cossard au travail sous la pluie ! )

3. une canette entourée de papier aluminium (comme sur la photo)

4. une canette entourée d’un linge humide soumis à

un sèche-cheveux ( air non réchauffé ) etc.. Les canettes sont ensuite soit exposée à la chaleur d’une lampe, soit plongée dans un seau de glace.

Les résultats obtenus montrent que la température interne des canettes est différente suivant les conditions : donc pour obtenir des valeurs standards et exploitables d’un point de vue scientifique il est nécessaire de placer les instruments de mesure à l’abri ; vous trouverez à l’adresse suivante les modalités de construction d’un tel abri.

http://www.globefrance.org/IMG/pdf/Instrument_construction-_site_definition.pdf

Rmq : une expérience intéressante à faire consiste à mettre en évidence les paliers de changement de phase. Au réchauffement en classe, au refroidissement dans un congélateur.

On peut aussi faire une petite démonstration de la relativité de la sensation de température :

3 bacs : - un avec de la glace - un autre avec de l’eau chaude - le dernier avec de l’eau à température ambiante (témoin) On demande à des volontaires de placer leurs mains dans les bacs d’eau chaude et d’eau glacée. Puis alternativement, il plonge une de leurs mains dans le bac à T° ambiante et témoigne de la perception de température.

Les nuages et leur formation

On cherche à préciser le mode de formation des nuages et l’influence des aérosols sur cette formation. Découverte des nuages et couverture nuageuse

Comme activité d’introduction, on peut demander aux élèves d’illustrer, sur un poster les nuages. Puis on lance une discussion entre les différents groupe en fonction de leur dessin. Un petit exercice pour sensibiliser à l’estimation de la couverture nuageuse : 2 feuille A4 (1 blanche et 1 bleue). On plie la feuille blanche en 10 (en 5 puis en 2) ensuite on décide du pourcentage que l’on découpe alors puis on le colle sur la feuille bleue. Aux autres groupes de deviner ! Des expériences analogiques pour simuler la formation d’un nuage

Une expérience simple consiste à prendre de l’eau gazeuse et à y ajouter du sel : il se forme des bulles qui en première approximation modélise un nuage. Le sel est l’équivalent du noyau de condensation nécessaire à la formation de la goutte d’eau. Une des grandes questions scientifiques du programme calisph’air est de mieux cerner le rôle des aérosols sur la formation des gouttes d’eau. Une expérience un peu plus élaborée va nous permettre de créer un nuage : Le matériel nécessaire est encore une fois relativement simple, on a besoin d’une bouteille en plastique (LISSE si possible), translucide dont on peindra la moitié extérieure en noir afin d’améliorer le contraste ( voir dessin ) et il faut adapter au bouchon une valve de type chambre à air de vélo la plus hermétique possible.

Paul Adams et Jean-Noël Puig au travail : On ajoute un peu d’eau dans la bouteille, on ferme le bouchon et on agite fermement afin de faire passer une partie de l’eau sous forme de vapeur d’eau ; ensuite on gonfle puis on dégonfle rapidement (on retire brusquement le bouchon). C’est le témoin, dans ces conditions il n’y a pas de formation de nuages. Dans une deuxième expérience après l’ajout dans la bouteille on allume une allumette et on la laisse se consumer dans la bouteille en la tenant ( une grande allumette de type barbecue est bien adaptée ) afin qu’elle dégage de la fumée ( = aérosols )

On ferme, on gonfle puis on dégonfle rapidement : le nuage apparaît !

Les conditions nécessaires à l’apparition du nuage sont : des noyaux de condensation (la fumée ) qui vont initier la réaction de formation du nuage à partir de la vapeur d’eau contenue dans la bouteille et un refroidissement obtenu par diminution de la pression. Une expérience permettant de visualiser l’ascension de l’air chaud : la montgolfière

Pour cette expérience On construit un ballon avec du papier très fin que l’on colle (voir photo) et on chauffe l’intérieur du ballon avec par exemple un sèche cheveux. C’est le principe de la montgolfière : http://fr.wikipedia.org/wiki/Montgolfi%C3%A8re Vous trouverez l’explication de la montée du ballon à cette adresse : http://fr.wikipedia.org/wiki/Pouss%C3%A9e_d%27Archim%C3%A8de

ou encore ici : http://assoc.orange.fr/ballonsolaire/theorie1.htm

La formation des nuages et l’humidité relative.

La condensation de la vapeur d’eau s’effectue au point de rosée dépendant notamment de la température. On peut à l’aide d’un hygromètre et d’un thermomètre placées dans une boîte hermétique saturée de vapeur d’eau montrer que l’humidité relative augmente lorsque la température diminue : Donc lorsque l’humidité relative augmente la formation des nuages est favorisée. Vous trouverez le diagramme de Mollier ( humidité absolue/température ) à l’adresse suivante :

http://www.domosystem.fr/mollier_print.htm

et des notions plus poussées sur à cette adresse :

http://www.astrosurf.com/lombry/meteo-humidite.htm