misÀjour science - 4e secondaire - extrait

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extrait

Module 1 L’atomeetlapériodicité 2

1 L’atome 4

2 La classification des atomes : le tableau périodique 20

3 Les liaisons interatomiques 35

Module 3 Lesionsetlessolutions 70

1 Les propriétés des solutions 72

2 Les électrolytes 78

3 Les réactions chimiques en solution 92

Module 2 Lestransformationschimiquesetnucléaires 38

Module 4 L’électricitéstatique 98

1 L’électricité statique et la charge électrique 100

2 La loi de Coulomb 107

3 Le champ électrique 109

Univers matériel

1 Les réactions chimiques 40

2 Les équations chimiques 53

3 Les transformations nucléaires 66

Table des matières

II

Module 5 L’électricitédynamique,lemagnétismeetl’électromagnétisme 114

1 Les circuits électriques 116

2 La loi d’Ohm 127

3 Les lois de Kirchhoff 138

4 La puissance et l’énergie électrique 145

5 Le magnétisme 149

6 Le champ magnétique autour d’un fil droit 155

7 Le champ magnétique autour d’un solénoïde 161

Module 8 Lagénétique 242

1 L’ADN 244

2 L’hérédité 253

3 Le clonage 263

Module 7 L’écologie 208

1 Les populations 210

2 Les communautés 220

3 Les écosystèmes 224

4 La gestion de la biosphère 234

Univers vivant

Module 6 Lestransformationsd’énergie 170

1 La loi de la conservation de l’énergie 172

2 La masse et le poids 180

3 Le travail, les forces et le déplacement 184

4 L’énergie potentielle et l’énergie cinétique 191

5 Le rendement énergétique 194

6 La chaleur et la température 198

III

Table des matières

Module 9 LeSoleiletl’atmosphère 278

1 Le flux d’énergie émis par le Soleil 280

2 L’ozone 284

3Les conséquences de l’effet de serre 287

4 Les masses d’air et les fronts 290

5 Les systèmes atmosphériques 294

6 La circulation atmosphérique 300

7 Les ressources énergétiques de l’atmosphère 308

Module 10 L’hydrosphère 312

1 Le bassin versant 314

2 La salinité de l’eau de mer 322

3 La circulation océanique 326

4 L’effet gravitationnel du système Terre-Lune 329

5 Les glaciers et les banquises 332

Module 11 Lalithosphère 336

1 Minéral, roche et minerai 338

2 Les horizons du sol (profil) 340

3 Les cycles biogéochimiques 346

4 Les impacts environnementaux de l’activité humaine 350

5 Les biomes 353

Module 12 Lelangagedeslignes 358

1 De l’idée à l’objet 360

2 Le dessin figuratif en trois dimensions (3D) 362

3 Le dessin en projection orthogonale (à vues multiples, 2D) 367

4 Quelques procédés pour réaliser un dessin 371

Terre et espace

Univers technologique

IV

Module 13 L’ingénieriemécanique 374

1 Les mécanismes de transmission de mouvement 376

2 Les mécanismes de transformation de mouvement 381

3 Les changements de vitesse 386

4 Les quatre fonctions mécaniques élémentaires 388

5 Les liaisons des pièces mécaniques 392

6 L’adhérence et le frottement entre les pièces assemblées 394

7 Les degrés de liberté entre des pièces assemblées 395

Module 14 L’ingénierieélectrique 398

1 L’origine et les types d’électricité 400

2 Les sources d’électricité 404

3 Le conducteur, l’isolant et les fils 407

4 Les résistances 408

5 Les systèmes de contrôle 412

6 Les dispositifs de protection 414

7 Les circuits électriques 416

8 Les autres composants électriques 418

Module 15 L’utilisationdesmatériaux 420

1 De nouveaux matériaux extraordinaires 422

2 Les propriétés des matériaux 424

3 Les contraintes et les déformations subies par les matériaux 425

4 La dégradation et la protection des matériaux 426

Module 16 Lesprocédésdefabrication 430

1 Les étapes de réalisation d’un objet technique 432

2 Le mesurage et le traçage 432

3 Le façonnage 438

V

La formation d’un orage en Saskatchewan

Le laboratoire du météorologue se trouve dehors, de l’autre côté de la fenêtre. Aristote, au 4e siècle av. J.-C., fut le premier à imaginer des causes physiques aux phénomènes météorologiques, au lieu de blâmer les dieux. Au 17e siècle, on développa des instruments pour mesurer la température, la pression atmosphérique et l’humidité. Aujourd’hui, les ordinateurs font une quantité titanesque de calculs pour aider à prédire le temps qu’il fera demain. Le présent chapitre va vous donner l’occasion de développer vos connaissances sur les phénomènes météorologiques afin que vous puissiez lire des cartes météorologiques et faire des prévisions vous-mêmes! Vous pourrez ainsi découvrir l’influence du rayonnement solaire sur la Terre et comprendre l’importance de la couche d’ozone ainsi que l’effet de serre.

Le Soleil et l’atmosphère

Module 9

279

1 Le flux d’énergie émis par le Soleil

1.1 L’énergie émise par le Soleil

9.2 Le rayonnement infrarouge du corps humainLe corps humain, à 37 °C, émet du rayonnement infrarouge. Les zones en rouge, qui sont les plus chaudes, émettent le plus de rayonnement infrarouge. Les zones en bleu, les moins chaudes, sont celles qui en émettent le moins.

9.1 L’énergie solaireLe Soleil produit et dégage une quantité incroyable d’énergie. C’est pourquoi sa surface a une température d’environ 5500 °C.

Quelle quantité d’énergie le Soleil émet-il (voir la figure 9.1) ? Pour répondre à cette question, il faut savoir que n’importe quel objet émet une quantité d’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique, cette quantité d’énergie étant dépendante de sa température. Vous assistez à ce phénomène chaque fois que vous allumez un rond de poêle électrique. D’abord, vous sentez ce dernier chauffer, bien qu’il ne change pas de couleur, car il émet du rayonnement infrarouge. Plus sa température augmente, plus il émet du rayonnement et devient rouge. Vous-même, ayant une température corporelle de 37 °C, émettez un rayonnement qu’il est possible de détecter grâce à des lunettes spéciales à infrarouge (voir la figure 9.2).

Toute l’énergie émise par le Soleil n’atteint pas la Terre. Seule une infime partie de cette énergie, aussi appelée flux d’énergie, rejoint la Terre.

MODULE 9 / Le Soleil et l’atmosphère / Le flux d’énergie émis par le Soleil

280© Éditions Grand Duc

1.2 Le spectre lumineux du Soleil

Le Soleil émet une énorme quantité d’énergie sous forme de rayonnements électromagnétiques. Lesquels jouent un rôle important pour la Terre ?

Comme le montre la figure 9.3, une bonne partie du rayonnement solaire se situe dans la région de l’infrarouge. Comme ce nom l’indique, le rayonnement infrarouge vient avant le rouge dans le spectre électromagnétique. Ils ont ainsi des longueurs d’onde plus grandes que la lumière visible et sont moins énergétiques que celle-ci. Bien que nous ne puissions pas les voir, il nous est possible de ressentir leur chaleur.

Le Soleil émet également des rayons ultraviolets (UV), qui viennent après le violet dans le spectre électromagnétique. Ces rayons ont donc des longueurs d’onde plus petites que la lumière visible, sont plus énergétiques que celle-ci et sont également invisibles à l’œil nu. Toutefois, nous ressentons leur effet, notamment par les coups de soleil qui peuvent abîmer les cellules de la peau.

À noter qu’environ 50 % de l’énergie en provenance du Soleil correspond à la lumière visible, environ 40 % aux infrarouges et 10 % aux UV.

DÉFINITIONSpectre électromagnétique : classification de rayonnement allant du moins énergétique au plus énergétique : radio, micro-ondes, infrarouge, visible, ultraviolet, X, gamma.

2500225020001750150012501000750500250

2,5

2

1,5

1

0,5

0

H2O

H2OO2

O3

UV Visible Infrarouge

Irrad

iatio

n sp

ectra

le (W

/m2 nm

)

Longueur d’onde (nm)

Rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère

Spectre d’un corps noir à 5500 °C

Rayonnement au niveau de la mer

9.3 Le spectre du rayonnement du Soleil



1.3 Le bilan énergétique de l’atmosphère

Le Soleil produit donc, par rayonnement, une énergie considérable. Seulement un demi-milliardième (5 X 10-10) de cette énergie atteint toutefois l’atmosphère de la Terre. C’est heureusement suffisant pour permettre à la vie de s’épanouir.

Environ 20 % de ce demi-milliardième est absorbé par les gaz de l’atmosphère. De plus, près de 33 % sont réfléchis dans l’espace par les nuages, les glaciers, la poussière et la vapeur d’eau en suspension dans l’air. Il ne reste plus que 47 % de un demi-milliardième de l’énergie solaire émise qui atteint réellement la surface de la Terre.

Ces pourcentages peuvent, bien sûr, varier selon le couvert nuageux, la latitude et la nature du sol. Par exemple, à l’équateur, la quantité d’énergie aborbée par le sol est plus importante, car les rayons solaires frappent perpendiculairement la surface. L’épaisseur de l’atmosphère est plus mince à traverser qu’aux pôles. Ainsi, pour une même unité de surface, plus d’énergie atteint le sol à l’équateur qu’aux pôles.

On comprendra également que la quantité d’énergie varie entre le jour et la nuit pour un même endroit du globe à cause du phénomène de la rotation. Finalement, la position de la Terre autour du Soleil pendant la révolution de celle-ci, combinée à son inclinaison sur son axe, modifie les pourcentages mentionnés.

DÉFINITIONSRotation : la Terre tourne sur elle-même en 24 heures.

Révolution : mouvement de la Terre autour du Soleil en 365 jours et quart.

Inclinaison de l’axe de la Terre : la Terre est inclinée selon un angle de 23° 30' par rapport à la verticale, ce qui, combiné à la révolution, détermine les saisons.

Espace

Atmosphère

Réfléchi dans l’atmosphère

Absorbé par

l’atmosphère

Absorbé par

l’atmosphère

Absorbé par la surface

33 %

20%

47 %9.4 Le bilan énergétique

de l’atmosphère



EXERCICES1 Donnez une expression synonyme de flux d’énergie.

2 Quel type de rayonnement électromagnétique est associé à la chaleur ?

3 Le spectre électromagnétique du Soleil comprend les rayons infrarouges, les rayons visibles et les rayons ultraviolets. À quel rayonnement correspondent les indices suivants ?

a Une sensation de chaleur sur la peau.

b Un coup de soleil.

c Les plus énergétiques.

d Les moins énergétiques.

e Environ 50 % du spectre solaire.

4 Quelle portion du flux d’énergie solaire atteint l’atmosphère ?

5 Indiquez les pourcentages du bilan énergétique de la Terre.

a) Le rayonnement réfléchi dans l’espace.

b) Le rayonnement solaire absorbé par la surface.

c) Le rayonnement absorbé par les gaz de l’atmosphère.

6 Nommez trois facteurs qui peuvent influer sur les pourcentages du bilan énergétique de la Terre ?



2 L’ozone

L’atmosphère terrestre se présente comme une immense masse de gaz que l’on divise en couches d’épaisseur variable. Nous vivons dans la troposphère, et cette couche contient les différents gaz qui constituent l’air. La couche suivante, la stratosphère, ne contient que 9 % de l’air. Elle est par contre caractérisée par la présence de l’ozone, un gaz qui a la propriété d’absorber les rayons ultraviolets du Soleil.

Les coups de soleil sont une réaction de la peau qui n’est pas causée par la lumière visible du Soleil, mais plutôt par les rayons ultraviolets (UV). Les rayons visibles et infrarouges ne sont pas dangereux, mais une exposition trop prolongée aux UV peut causer des cancers de la peau, des maladies de l’œil et même des déficiences immunitaires. De plus, les objets exposés longtemps au soleil peuvent se décolorer à cause des UV.

2.1 Le rôle de l’ozone

L’ozone présent dans la troposphère est un gaz toxique lorsqu’il est respiré en grande quantité. Par contre, ce gaz joue un rôle très positif lorsqu’il est présent dans la stratosphère.

La molécule d’ozone (O3) compte trois atomes d’oxygène. Il y a une faible quantité d’ozone qui se forme et se décompose constamment dans toute la stratosphère (entre 10 et 50 km en altitude). La majorité de l’ozone se trouve à environ 25 km en altitude : c’est la couche d’ozone. S’il était possible de rassembler seulement les molécules d’ozone, la couche d’ozone aurait environ 3 mm d’épaisseur. C’est cette petite quantité d’ozone qui est notre filtre contre les rayons ultraviolets.

L’ozone nous protège des rayons nocifs du soleil, car il participe, avec le dioxygène de l’atmosphère, à l’absorption des rayons ultraviolets.

DÉFINITIONCouche d’ozone : partie de la stratosphère contenant une quantité importante d’ozone. Cet ozone est formé de l’interaction des rayons solaires sur les molécules de dioxygène à haute altitude.

Seuls les rayons ultraviolets qui n’ont pas frappé une molécule d’ozone ou de dioxygène atteignent la surface de la Terre.

9.5 L’ozone et le dioxygène se brisent à la suite de l’absorption d’un rayon UV.

MODULE 9 / Le Soleil et l’atmosphère / L’ozone


2.2 L’amincissement de la couche d’ozone

Le CFC (chlorofluorocarbone) est une molécule inventée par l’être humain et utilisée dans les systèmes de réfrigération. Le CFC agit comme fluide réfrigérant. Il est aujourd’hui remplacé par le HCFC (hydrochlorofluorocarbone).

On croyait que ce produit était totalement inoffensif, car il était extrêmement stable au niveau de la mer. Malheureusement, transporté par les vents jusqu’à la stratosphère, il se brise à cause des rayons ultraviolets. Quand la liaison chimique est rompue, un atome de chlore libre (Cl) peut alors détruire une autre molécule d’ozone (O3). Les chercheurs estiment qu’un seul atome de chlore libre (Cl) peut détruire jusqu’à 100 000 molécules d’ozone (O3) dans l’atmosphère.

En Antarctique, très peu d’ozone est détecté au mois de septembre (fin de l’hiver en Antarctique). Des vents en altitude soufflent intensément autour du pôle, ce qui isole celui-ci des échanges possibles susceptibles de renouveler l’ozone, pendant que les polluants atmosphériques contenus dans des nuages stratosphériques sont déjà là et contribuent à la destruction de l’ozone. La figure 9.6 montre le résultat de mesures, par satellite, de la concentration d’ozone dans la stratosphère au-dessus de l’Antarctique en 1981 et en 2006.

DéfiLes étiquettes des bouteilles de crème solaire mentionnent le sigle FPS. Que signifie FPS? Les personnes au teint foncé ont-elles besoin d’appliquer de la crème solaire?

Ozone total (unités Dobson)

110 220 330 440 550

9.6 La diminution de la couche d’ozoneLe trou dans la couche d’ozone au-dessus de l’Antarctique en 1981 (en haut) et en 2006 (en bas). Plus les couleurs sont froides, moins la concentration en ozone est élevée. Remarquez la diminution de la concentration d’ozone qui s’est produite en Antarctique en 25 ans.



EXERCICES1 Dans quelle couche atmosphérique la couche d’ozone se trouve-t-elle ?

2 Écrivez la formule moléculaire de l’ozone.

3 a) Quel produit attaque la couche d’ozone ?

b) À quoi sert ce produit qui attaque la couche d’ozone ?

c) Expliquez pourquoi les atomes de chlore libérés dans la stratosphère par le rayonnement UV sont dangereux pour la couche d’ozone.

4 a) Où se produit le « trou » dans la couche d’ozone ?

b) Est-ce véritablement un trou ?

c) Est-ce un phénomène limité à une région du globe ?

5 Nommez trois conséquences à l’amincissement de la couche d’ozone.

6 Pourquoi a-t-on utilisé l’ozone si c’est un gaz dangereux ?



3 Les conséquences de l’effet de serre

Quelque chose dans l’atmosphère agit comme les vitres d’une serre pour garder une portion de l’énergie solaire reçue : ce sont les gaz à effet de serre (GES). Ces gaz sont dispersés partout dans l’atmosphère (voir la figure 9.7).

3.1 L’effet de serre

L’effet de serre atmosphérique s’explique en quelques étapes :1. La lumière solaire passe à travers l’atmosphère qui est transparente.2. Cette lumière atteint la surface de la Terre, et son énergie y est absorbée. La surface

de la Terre se réchauffe, sa température augmente.3. La surface de la Terre émet de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge.4. Une partie de ce rayonnement est absorbée par des gaz à effet de serre, et une autre

s’échappe vers l’espace.5. Emportés par les mouvements de l’air, ces gaz

redistribuent la chaleur dans l’atmosphère, ce qui fait augmenter la température globale de la planète.

6. L’équilibre thermique est atteint quand l’atmosphère absorbe autant d’énergie qu’il en émet.

DÉFINITIONEffet de serre : phénomène d’emprisonnement du rayonnement infrarouge (IR) dans l’atmosphère.

Flux solaire

Chaleur absorbéeChaleur perdue

9.7 L’effet de serreL’atmosphère terrestre agit comme une serre en emprisonnant une partie du rayonnement qui provient de la surface terrestre.

3.2 Les gaz à effet de serre

En pourcentage, la vapeur d’eau est le gaz à effet de serre le plus abondant dans l’atmosphère. Il est responsable de 55 % de l’effet de serre naturel. Cependant, d’autres gaz, comme le dioxyde de carbone, le méthane et l’oxyde de diazote, permettent d’absorber plus d’énergie qui aurait autrement fui vers l’espace. Le dioxyde de carbone est le plus abondant des gaz à effet de serre ajoutés par les activités humaines (voir la figure 9.8).

CO2 : 77,8 %

SF6 : 1,4 %

HFC : 0,2 %

PFC : 2,1 %

CH4 : 11,3 %

N2O : 7,2 %

9.8 La contribution à l’effet de serre des gaz ajoutés par l’activité humaine

MODULE 9 / Le Soleil et l’atmosphère / Les conséquences de l’effet de serre


Il est important de savoir que plus la température de l’air augmente, plus la capacité de l’air de contenir de la vapeur d’eau augmente ; ainsi, l’augmentation de la température moyenne de l’atmosphère entraîne également une augmentation de la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Cependant, la vapeur d’eau étant aussi un gaz à effet de serre, elle contribue, elle aussi, à faire augmenter encore plus la température de l’atmosphère. Cette boucle sans fin est le phénomène de la rétroaction positive par la vapeur d’eau (voir la figure 9.9).

3.3 Les principales conséquences des activités humaines sur l’atmosphère

9.10 Les MaldivesLes îles des Maldives dans l’océan Indien ont toutes une élévation inférieure à deux mètres au-dessus de la mer. Elles sont particulièrement menacées par l’élévation du niveau des océans.

Dans les dernières années, on a observé que le réchauffement de la température de l’air a entraîné la libération du gaz méthane, emprisonné jusqu’à maintenant dans le pergélisol, sol des régions très froides qui reste gelé normalement en permanence. Les scientifiques évaluent que le méthane est un GES 25 fois plus puissant que le dioxyde de carbone. Ce phénomène contribue à accélérer le réchauffement planétaire.

La fonte des glaciers, également liée au réchauffement climatique, entraîne une élévation du niveau de la mer et, conséquemment, une perturbation des écosystèmes en bordure des côtes. Certaines îles du Pacifique (voir la figure 9.10), l’île de Tuvalu entre autres, seront prochainement englouties sous la mer, conséquence de l’augmentation de la concentration des GES dans l’atmosphère.

Effet de serre accru par la vapeur d’eau

Augmentation de la température globale

(Augmentation de la concentration de CO2)

Augmentation de la vapeur d’eau dans l'atmosphère

9.9 L’effet de la vapeur d’eau sur la température de l’air



EXERCICES1 Quelqu’un vous dit que le gaz à effet de serre (GES) le plus abondant

est le dioxyde de carbone.

a) Quel GES est réellement le plus abondant ?

b) Comment le dioxyde de carbone (CO2) peut-il être considéré comme le principal GES ?

2 Les énoncés qui suivent décrivent le phénomène de l’effet de serre. Replacez dans le bon ordre les explications de ce phénomène atmosphérique.

a Les gaz à effet de serre absorbent des rayons infrarouges fuyant vers l’espace.

b La température d’équilibre de l’atmosphère est atteinte.

c La lumière du soleil passe à travers l’atmosphère.

d Les gaz à effet de serre redistribuent la chaleur dans l’atmosphère.

e La lumière réchauffe la surface de la Terre.

f La surface de la Terre émet des rayons infrarouges vers l’espace.

3 Pourquoi les scientifiques sont-ils inquiets au sujet de la fonte du pergélisol ?

4 En quoi la vapeur d’eau contribue-t-elle à augmenter le réchauffement global de la Terre ?

5 Nommez au moins trois effets sur l’environnement qui sont des conséquences de l’activité humaine.



4 Les masses d’air et les fronts

4.1 Les caractéristiques d’une masse d’air

L’air qui passe sur votre ville change de jour en jour ; certains de ces changements sont même très rapides. Ce sont les masses d’air qui en sont responsables. Celles-ci s’étendent généralement sur des centaines de kilomètres. Lorsque deux masses d’air ont des caractéristiques différentes (température et humidité), leur contact provoque la formation de nuages et même de précipitations. La zone où l’air de ces deux masses entre en contact s’appelle un front.

4.2 Le passage d’un front

Quand un front passe, les météorologues s’attendent à un changement : • de température ; • d’humidité relative : pourcentage du rapport entre la quantité de vapeur d’eau que l’air

contient et la quantité maximale qu’il pourrait contenir à une température donnée ; • de direction du vent ; • de pression atmosphérique : force qu’exerce l’air par unité de surface ; s’exprime en kPa ; • dans le type et la durée des précipitations.

DÉFINITIONSMasse d’air : volume d’air immense qui a approximativement les mêmes caractéristiques météorologiques (température, humidité).

Front : zone de contact entre deux masses d’air de température et d’humidité différentes.

4.3 Le front chaud

Quand une région est sous l’influence d’une masse d’air froid, et qu’une masse d’air chaud s’approche, un front chaud se forme. L’air chaud, moins dense, monte alors et s’étend par-dessus l’air froid qui, lui, est plus dense (voir la figure 9.11). La station météorologique enregistre une hausse de la pression atmosphérique. La vapeur d’eau se condense pour former des nuages. Il faut s’attendre à un ciel couvert, à d’abondantes précipitations ainsi qu’à une hausse de la température de l’air.

Vent

Air chaud Front chaud

Ennuagement du ciel derrière le front

Air froid

0 km

12 °C 0 °C –6 °C

4 km

8 km

600 km

9.11 Le schéma d’un front chaud

MODULE 9 / Le Soleil et l’atmosphère / Les masses d’air et les fronts


4.4 Le front froid

Lorsqu’une région est sous l’influence d’une masse d’air chaud, et qu’une masse d’air froid s’approche, un front froid se forme (voir la figure 9.13). L’air chaud est alors brutalement soulevé par le front froid beaucoup plus abrupt. Ce soulèvement forcé déstabilise la masse d’air qui va se soulever ensuite en altitude, comme une montgolfière. Une hausse de la pression atmosphérique est enregistrée à la station météorologique derrière le front. Des nuages à grand développement vertical se forment au contact du front. Le front froid s’accompagne donc de fortes précipitations, parfois d’orages, de grêle et de tornades. Après le passage d’un front froid, le taux d’humidité relative de l’air est faible et la température diminue.

Vent

Air chaud

Front froid

Éclaircissement du ciel en arrière du front

Air froid

0 km–4 °C 10 °C4 °C6 °C 13 °C

1 km

50 km

9.13 Le schéma d’un front froid

9.12 La formation d’un front chaud



EXERCICES1 a) Qu’est-ce qu’un front en météorologie ?

b) Qu’est-ce qui se produit dans l’atmosphère dans la zone de front ?

2 Nommez cinq changements météorologiques qui sont observés au passage d’un front.

3 Vrai ou faux ?

a Un front froid peut être accompagné de nuages à grand développement vertical et d’orages.

b Un front chaud entraîne une diminution de la température.

c Un front chaud s’accompagne de précipitations de longue durée.

d Le front chaud est une large zone où l’air chaud monte sur l’air froid.

e Les orages se produisent au passage d’un front chaud.

f Une hausse de la pression atmosphérique accompagne le passage d’un front froid.

4 Pour chacun des énoncés suivants, nommez le bon type de front.

a Pression atmosphérique à la hausse.

b Température à la hausse.

c Ciel dégagé.

d Ciel couvert.



EXERCICESEXERCICES (suite)

5 Le tableau suivant recueille des observations météorologiques prises à Montréal, 15 février. Quel type de front est passé sur Montréal ?

Heure (HNE)

Conditions atmosphériques

Température (°C)

Humidité relative (%)

Vent (direction)

Vent (km/h)

Pression (kPa)

8:00 Faible neige -1 91 OSO 22 101,0

10:00 Neige -1 89 O 17 101,0

12:00 Temps partiellement nuageux

-5 71 ONO 26 101,2

14:00 Temps généralement ensoleillé

-7 60 O 41 101,4

16:00 Temps ensoleillé

-7 52 O 37 101,5

6 Reproduisez la coupe verticale de la formation d’un :

a) front froid.

b) front chaud.



5 Les systèmes atmosphériques

5.1 La pression atmosphérique

Nous vivons au fond d’un océan d’air. Tout cet air au-dessus de nos épaules équivaut à environ 10 tonnes, soit 2 éléphants ! Cette force s’exerce perpendiculairement dans toutes les directions : c’est la pression atmosphérique. La pression standard au niveau de la mer est de 101,3 kPa et décroît avec l’altitude parce que la quantité d’air diminue.

Grâce aux mesures de pression provenant de stations météorologiques en Amérique du Nord, il est possible de tracer des lignes de même pression appelées isobares (voir la figure 9.14). Sur les cartes météorologiques, les isobares sont tracées à des intervalles de 0,4 kPa.

DÉFINITIONPression : force exercée par un fluide sur une unité de surface. L’unité de mesure est le Pascal. Le kPa, qui équivaut à 1000 Pa, est également très utilisé.

102,0

101,6

101,2

100,8

100 ,4

1 00 ,0 kPa

99,6

99,2 98,8

98,4

100,4100,0 kPa

99,6

9.14 Des isobares au-dessus du Québec

En traçant les isobares, il faut s’assurer que toutes les pressions supérieures sont d’un côté de la ligne, et toutes les pressions inférieures de l’autre côté.

MODULE 9 / Le Soleil et l’atmosphère / Les systèmes atmosphériques


DéfiLes météorologues ont longtemps tracé les cartes de pression à la main, car la puissance des ordinateurs était limitée. Tracez les isobares sur une carte pour trouver vous-même les centres de haute et de basse pression.

5.2 Le vent

Pourquoi l’air se déplace-t-il ? C’est le réchauffement inégal de la surface de la Terre qui est à l’origine des vents. Lorsque l’air est chauffé, les particules qui le composent s’éloignent les unes des autres et il devient moins dense (voir la figure 9.15). L’air chaud s’élève en altitude. En s’élevant, l’air laisse un vide au niveau du sol. En météorologie, ce vide d’air est appelé basse pression ou dépression.

L’air qui s’élève en altitude refroidit graduellement, car il y fait plus froid. Les particules de l’air se rapprochent et l’air plus dense descend vers le sol. Ce surplus d’air entraînant une augmentation de la pression atmosphérique est appelé haute pression ou anticyclone.

L’air qui s’accumule dans une région de haute pression a tendance à aller remplir le vide d’air dans une région de basse pression. Le vent est donc le déplacement horizontal de l’air d’une haute pression vers une basse pression. Plus la différence de pression est grande, plus la vitesse du vent est élevée.

Sur une carte météorologique, si les isobares sont serrées, la pression varie rapidement, signifiant que le vent est fort. Si les isobares sont distancées, le vent est faible.

Air poussé vers la mer augmentant la pression atmosphérique sur la mer froide.

L’air descendsur la mer.

Haute pression(air froid)ANTICYCLONE

Vent

L’eau de la mer est aspirée vers la côte.

La mer se réchauffelentement.

La terre se réchauffe rapidement sous le Soleil.

Air chaud s’élevantà environ 1 km d’altitude.DÉPRESSION

Basse pression(air chaud)

2. L’air se refroidit en montant. Il devient plus dense et il redescend au sol. Le surplus d’air arrivant au sol crée un anticyclone.

1. L’air chaud s’élève, formant au sol un vide appelé dépression.

9.15 La formation du ventÀ cause du réchauffement inégal des surfaces par le Soleil, l’air se réchauffe davantage au-dessus de la plage. Une cellule de convection est alors engendrée. Le vent, c’est donc le déplacement horizontal de l’air de la haute pression vers la basse pression.

5.3 L’effet de Coriolis

En regardant une carte météorologique, on remarque souvent que les ensembles de nuages tourbillonnent (voir la figure 9.16) ; ils tournent toujours dans le même sens. Cela s’explique par le fait que la Terre est ronde et qu’elle tourne sur elle-même, toujours dans le même sens (d’ouest en est). En se plaçant au-dessus du pôle Nord, la Terre tourne dans le sens antihoraire.

9.16 Une dépression qui tournoie vue de l’espace



Si la Terre ne tournait pas, il serait possible de lancer un objet sur des centaines de kilomètres, et cet objet tomberait exactement sur la cible prévue (voir la figure 9.17). Or, puisque la Terre tourne, l’objet sera dévié durant son parcours.

À cause de la rotation de la Terre, les vents sont aussi déviés. Dans l’hémisphère Nord, les vents sont déviés vers la droite. Dans l’hémisphère Sud, les vents sont déviés vers la gauche. Cette déviation s’appelle effet de Coriolis, expression qui vient des travaux, en 1835, de Gustave Coriolis, un ingénieur français.

Ces phénomènes surviennent dans la troposphère, lieu des principaux vents qui soufflent à la surface de la Terre.

9.17 La Terre sans rotation...Sans rotation de la Terre, un avion pourrait se poser directement à destination, sans avoir à corriger son plan de vol.

9.18 L’effet de la rotation sur les ventsL’effet de Coriolis dévie les vents vers la droite dans l’hémisphère Nord.

A

9.19 Le vent tourne dans le sens horaire autour d’un anticyclone (A).

Les flèches grises montrent le gradient de pression qui s’éloigne toujours du centre de l’anticyclone.

5.4 L’anticyclone

Un anticyclone est une vaste région où le ciel est dégagé. Pourquoi ? L’air descendant lentement se réchauffe, empêchant la formation de nuages. Les vents quittent alors le centre pour se diriger vers les basses pressions, mais puisqu’il voyage sur de grandes distances, il est dévié vers la droite par la force de Coriolis (voir la figure 9.19). Le vent souffle dans le sens horaire. Sur les cartes météorologiques présentées en français, la lettre majuscule A désigne un anticyclone (sur les cartes en anglais, le H est utilisé pour High Pressure). Les isobares sont rarement serrées, donc les vents sont généralement faibles.



5.5 La dépression

Une dépression est facilement repérable sur des images satellitaires, se présentant sous la forme d’un immense système de nuages qui tourne autour du centre de pression. L’air ascendant se refroidit et la vapeur d’eau qu’il contient se condense, favorisant la formation des nuages. Puisque le vent souffle toujours d’une haute pression vers une basse pression, le vent souffle vers le centre de la dépression tout en étant dévié par la force de Coriolis. Il en résulte qu’autour d’une dépression le vent souffle dans le sens antihoraire (voir la figure 9.20). Sur les cartes, une dépression est indiquée par la lettre majuscule D (sur les cartes en anglais, on écrit L pour signifier Low Pressure).

D

9.20 Le vent tourne dans le sens antihoraire autour d’une dépression (D).

Les flèches grises montrent le gradient de pression qui se dirige toujours vers le centre de la dépression.

Le cyclone tropicalUn cyclone tropical est une dépression qui s’est gorgée d’humidité et de chaleur au-dessus des mers chaudes. En Amérique, on l’appelle ouragan (voir la figure 9.21), en Asie, typhon, alors qu’en Océanie et dans l’océan Indien, on parle simplement de cyclone. Dans un cyclone tropical, les vents tournent dans le sens antihoraire autour du centre sans nuages, appelé œil. Les vents les plus forts se trouvent à la paroi de l’œil et peuvent atteindre jusqu’à 250 km/h. L’amas de nuages s’étend sur 600 km en moyenne.

Au Québec, nous n’avons jamais d’ouragan, mais vous entendrez dire que nous subissons les effets de la « queue de l’ouragan », ce qui nous arrive une ou deux fois par été. Une fois que l’ouragan touche terre, n’étant plus alimenté d’humidité comme sur la mer, il diminue rapidement d’intensité. L’immense amas de nuages migre vers le nord en suivant la circulation de l’atmosphère et arrive au Québec. Puisqu’il provient des restes d’un cyclone tropical, il porte le nom de dépression tropicale. La pluie tombe alors abondamment.

9.21 L’ouragan Katrina, qui a frappé la Nouvelle-Orléans le 28 août 2005.

9.22 La formation d’un ouragan



EXERCICES1 Expliquez ce qu’on entend par pression atmosphérique.

2 Quelle unité exprime la pression atmosphérique dans le système international d’unités (SI) ?

3 Comment représente-t-on sur une carte météorologique la pression atmosphérique ?

4 Quelle est la valeur de pression normale au niveau de la mer ?

5 Qu’arrive-t-il à la pression atmosphérique en montant en altitude ?

6 Complétez les phrases suivantes.

L’air chaud au sol s’élève en altitude, ce qui crée un

au niveau du sol, une zone de pression appelée

en météorologie.

L’air en altitude se refroidit, les particules se rapprochent et cet air

dense vers le sol. Le surplus d’air au sol forme

une zone de pression ou .

Le , c’est le déplacement horizontal de

l’ de la pression vers

la pression.

7 La Terre tournant toujours dans le même sens, qu’est-ce qui fait dévier les objets à gauche de leur destination dans l’hémisphère Sud ?



EXERCICES (suite)

8 Lorsqu’un objet vole sur de grandes distances, il est dévié à droite dans l’hémisphère Nord. Nommez et indiquez la cause de ce phénomène.

9 Les cyclones tropicaux portent des noms différents selon les bassins où ils prennent naissance.

a) Comment les nomme-t-on :

En Amérique ?

En Asie ?

En Inde ?

b) Quelles sont les quatre grandes étapes du développement d’un ouragan ?

10 Par rapport aux anticyclones :

a) Qu’est-ce qui empêche la formation des nuages ?

b) Dans quel sens tournent les vents autour d’un anticyclone ?

c) Quelle lettre est utilisée sur les cartes météorologiques ?

11 En ce qui concerne les dépressions :

a) Qu’est-ce qui favorise la formation des nuages ?

b) Dans quel sens tournent les vents autour d’une dépression ?

c) Quelle lettre est utilisée sur les cartes météorologiques ?



6 La circulation atmosphérique

Air chaudAir froid

Zone de haute pression


Zone de basse pression





Cellule polaire

Cellule de Ferrel

Cellule de Hadley

60° de latitude

30° de latitude

9.23 Les cellules de convectionLes trois cellules de convection par hémisphère sont les véhicules de la circulation atmosphérique.

6.1 Les vents dominants

À cause du réchauffement inégal de la surface du globe, une zone de haute pression se forme aux pôles puisqu’il y fait très froid. À l’équateur, soit l’endroit le plus chaud du globe, une zone de basse pression s’installe. Théoriquement, les vents devraient souffler des pôles vers l’équateur en ligne droite si la Terre était immobile. À cause de la rotation de celle-ci, l’effet de Coriolis modifie cette répartition des vents, et une circulation complexe de l’air que l’on nomme vents dominants s’établit dans l’atmosphère près du sol.

Les cellules de convection

Trois cellules de convection sont créées par la répartition des zones de haute et de basse pression à la surface du globe ainsi que l’effet de Coriolis dans chaque hémisphère (voir la figure 9.23). Ce sont :

• la cellule de Hadley qui se forme de part et d’autre de l’équateur ; • la cellule de Ferrel qui s’établit dans les latitudes moyennes

(entre 30° de latitude et 60° de latitude) ; • la cellule polaire qui s’installe au-delà de 60° de latitude.

MODULE 9 / Le Soleil et l’atmosphère / La circulation atmosphérique


L’effet de Coriolis fait dévier vers la droite les vents se déplaçant sur de grandes distances (voir la figure 9.24). Appelés vents dominants, ces vents soufflent de l’est dans la région polaire, de l’ouest dans les régions de latitude moyenne et de l’est dans les tropiques, où on les nomme alizés.

Les vents dominants transportent les systèmes météorologiques, c’est-à-dire les dépressions et les anticyclones. Voilà pourquoi les orages et les tempêtes de neige font souvent des ravages dans l’ouest du Canada et aux États-Unis avant de s’abattre sur le Québec. Ces systèmes se déplacent d’ouest en est.

Vent d’est

Vent d’est

Vent d’ouest

Vent d’ouest

Vents alizés

9.24 La répartition des vents dominants selon la latitude

6.2 Les contaminants de l’air

La composition de l’air pur est modifiée par l’ajout de contaminants rejetés dans l’atmosphère à cause des activités humaines.

Les activités industrielles des fonderies, des centrales thermiques, des raffineries de pétrole et des millions de véhicules à moteur à combustion contribuent pour une grande partie à la pollution de l’air par des émissions de contaminants. Un contaminant est une substance présente en concentration suffisante dans l’environnement pour devenir nuisible à la santé. C’est le cas, par exemple, du dioxyde de carbone qui est un des constituants de l’air pur. L’augmentation de sa concentration dans l’air fait en sorte qu’il peut aussi être considéré comme un contaminant de l’air.



Le tableau 9. 25 présente les principaux contaminants de l’atmosphère et les conséquences qu’ils peuvent entraîner dans l’environnement.

9.25 Les principaux contaminants de l’atmosphère

NOM SOURCES D’ÉMISSION CONSÉQUENCES

Dioxyde de soufre (SO2) et dioxyde d’azote (NO2)

FonderieRaffinerieVéhicules à combustion interne

Précipitations acidesSmogAggravation des problèmes respiratoires : asthme, emphysème, etc.

Métaux lourds : plomb (Pb), mercure (Hg) et arsenic (As)

Centrale thermique au charbon et au pétroleIndustrie des pâtes et papiers

Augmentation de la toxicité de l’air, même en quantité minime

CFC Substances réfrigérantesProduits en aérosol

Amincissement de la couche d’ozone ayant un effet sur l’augmentation des cancers de la peau, des maladies de l’œil et des déficiences immunitaires

Dioxyde de carbone (CO2)

Combustion du pétrole, du gaz naturel, du charbon, du bois, etc.

Augmentation de la température de l’air, fonte des glaciers, hausse du niveau des océans et inondations des écosystèmes côtiers

Heureusement, certains phénomènes météorologiques permettent la dispersion des contaminants de l’air au-dessus des villes industrielles et favorisent, dans une certaine mesure, l’assainissement de l’air.

Normalement, l’air chaud contenant les contaminants rejetés par les cheminées d’industries s’élève en altitude et refroidit lentement jusqu’à ce que l’air descende au sol. Cet air en mouvement forme une cellule de convection et permet le brassage de l’air et la dispersion des contaminants loin du sol.

Il arrive parfois qu’un front chaud qui reste quelques jours au-dessus d’une zone industrielle empêche la dispersion des contaminants. Pourquoi ? De l’air encore plus chaud en altitude bloque le brassage de l’air. Les contaminants s’accumulent alors sous la masse d’air chaud et s’associent à la vapeur d’eau pour former le smog, un brouillard polluant. Le smog peut demeurer quelques jours, ce qui permet ainsi de percevoir un dôme de pollution causé par l’accumulation de contaminants au-dessus de la zone de smog (voir la figure 9.26).

9.26 Du smog au-dessus de Moscou



6.3 L’effet des vents dominants sur la pollution atmosphérique

Le Québec est sous l’influence de vents d’ouest, c’est-à-dire soufflant de l’ouest vers l’est. Les contaminants rejetés par les usines et industries situées au sud des Grands Lacs se trouvent ainsi vite transportés au-dessus du Québec. Ce phénomène explique en partie l’acidification des lacs et des sols.

En effet, les précipitations acides se forment lorsque les contaminants de l’air (oxydes d’azote et de soufre) se combinent à la vapeur d’eau pour constituer des précipitations acides. Les vents dominants de l’ouest transportent sur des milliers de kilomètres de leur point d’origine les contaminants causant ces précipitations acides (voir la figure 9.27). Ce phénomène constitue un problème environnemental international, car l’atmosphère ne connaît pas de frontières.

Contaminants

Vents dominants

Précipitations acides

Les vents dominants dispersent les contaminants dans l’air et les transportent à une grande distance de leur source. C’est pourquoi des contaminants atmosphériques sont retrouvés dans le Grand Nord canadien ou en Arctique où il n’y a pas d’activités industrielles.

9.27 La formation des précipitations acides



EXERCICES1 Quel critère permet de déterminer si un constituant de l’air est

considéré comme un contaminant ?

2 Nommez au moins quatre contaminants de l’atmosphère et précisez les conséquences de leur présence.

NOM CONSÉQUENCES

3 Quel est le résultat :

a) des cellules de convection sur la dispersion des contaminants de l’air ?

b) des vents dominants sur la présence des contaminants de l’air ?



EXERCICES (suite)

4 a) Comment se forme le smog ?

b) Nommez un phénomène météorologique qui cause la formation du smog.

5 Associez chaque zone de la colonne de gauche au bon élément de la colonne de droite.

a Pôles 1 Alizés

b Zones tempérées 2 Vents d’est

c Tropiques 3 Vents d’ouest

d Équateur 4 Basse pression

6 John Hadley a proposé un modèle de circulation de l’air autour du globe. Expliquez son modèle.



EXERCICES (suite)

7 Le schéma ci-dessous représente les zones de pression de la Terre.

a) Sur le schéma de la Terre, indiquez si les zones numérotées correspondent à une zone de haute pression (HP) ou à une zone de basse pression (BP).

b) Sur le schéma, dessinez les mouvements de l’air des trois cellules de convection qui se forment dans l’hémisphère nord.

c) Écrivez sur le schéma le nom des trois cellules de convection apparaissant dans l’hémisphère nord.

7

Pôle Nord

Pôle Sud

6

5

4

3

2

1



EXERCICES (suite)

8 Complétez le réseau de connaissances ci-dessous en ajoutant aux endroits appropriés les éléments de la banque de données suivante.

Alizés Déviation vers la droite Déviation vers la gauche

Effet de Coriolis Latitudes moyennes Latitudes polaires

Régions voisines de l’équateur Vents d’est Vents dominants

Vents d’ouest

Vents à la surface de la Terre

Hémisphère Sud : Hémisphère Nord : Rotation de la Terre



7 Les ressources énergétiques de l’atmosphère

7.1 L’énergie éolienne

L’énergie éolienne est une des ressources énergétiques de l’atmosphère. Nous savons déjà que le réchauffement inégal de la surface de la Terre génère de grands vents qui permettent le mouvement des pales des éoliennes. Les éoliennes servent principalement à la transformation de l’énergie du vent en énergie électrique. Elles peuvent également servir à transformer l’énergie du vent en énergie cinétique, afin de mettre en mouvement une pompe à eau, une scie ou un moulin pour moudre des grains.

La quantité d’énergie produite par les éoliennes dépend de la vitesse du vent. Les éoliennes sont généralement installées en hauteur, où le relief ne fait pas obstacle aux vents. C’est pour cette raison que des parcs d’éoliennes sont construits en mer : les vents y sont plus puissants et plus fréquents. On évite aussi les inconvénients visuel et sonore de ces installations. Même en petits nombres les éoliennes sont utiles, car elles permettent l’approvisionnement en énergie électrique dans les endroits isolés : habitations éloignées, voiliers, îles, etc. De plus, l’énergie éolienne est renouvelable (voir la figure 9.29).

9.29 Des éoliennes en CalifornieL’énergie éolienne est perçue comme une solution de remplacement aux combustibles fossiles, car elle ne produit pas de gaz à effet de serre. On estime aujourd’hui que 20 % de la demande mondiale en électricité est comblée par l’énergie éolienne.

9.28 Des éoliennes en mer près des côtes du Danemark

MODULE 9 / Le Soleil et l’atmosphère / Les ressources énergétiques de l’atmosphère


7.2 L’énergie solaire

L’exploitation du flux d’énergie solaire par des technologies modernes permet la transformation de celle-ci en d’autres formes d’énergie. Selon la façon de capter l’énergie solaire, on distingue les technologies solaires passives et actives.

Les techniques actives reposent sur des panneaux solaires ou cellules photovoltaïques, alors que les techniques passives se basent sur l’orientation des fenêtres par rapport au Soleil et sur le choix de matériaux de construction.

Les techniques solaires actives permettent d’emmagasiner l’énergie solaire grâce à des cellules voltaïques reliées à des batteries qui la gardent en réserve pour une utilisation ultérieure. Cette technologie est largement répandue et elle est employée pour faire fonctionner autant les calculatrices solaires que les satellites dans l’espace. Par ailleurs, de l’énergie peut ainsi être emmagasinée dans des batteries sur des voiliers ou des autocaravanes pour permettre, par exemple, l’utilisation d’un téléphone cellulaire.

Les techniques solaires passives permettent de chauffer des tuyaux dans lesquels de l’eau circule. L’eau ainsi chauffée est distribuée dans les maisons et les entreprises.

L’énergie solaire est également utilisée dans certains secteurs industriels. Des fours solaires (voir la figure 9.30) localisés dans des régions très ensoleillées de la planète concentrent les rayons solaires, suffisamment pour faire bouillir de l’eau et actionner les turbines d’une centrale électrique.

L’inconvénient de cette technologie, c’est qu’elle dépend de l’ensoleillement. En effet, pendant les journées nuageuses et la nuit, il n’est pas possible de produire de l’électricité. Il est à noter toutefois que, comme l’énergie éolienne, l’énergie solaire est renouvelable.

9.30 Différentes façons d’utiliser l’énergie solaire

Différentes technologies permettent l’exploitation de l’énergie solaire : des cellules photovoltaïques sur un voilier assurent la recharge des batteries ; une tuyauterie noire sur un toit réchauffe l’eau d’un réservoir ; un four solaire, dans le sud de l’Espagne, là où l’ensoleillement est maximal, réchauffe l’eau circulant dans la tour qui alimente une centrale thermique en vapeur.



EXERCICES1 Complétez les phrases suivantes.

a) Une éolienne permet la transformation de l’énergie cinétique

du en énergie .

b) Les moulins à vent permettent la transformation de l’énergie

du vent en énergie

pour moudre les grains, scier ou pomper de l’eau.

2 Nommez trois avantages de l’énergie éolienne.

3 Nommez deux inconvénients de l’énergie éolienne.

4 Quel pourcentage de la production mondiale actuelle d’énergie est associé à l’énergie éolienne ?

5 a) Indiquez deux avantages de l’énergie solaire.

b) Indiquez un inconvénient de l’énergie solaire.

6 Pourquoi fait-on circuler de l’eau dans une tuyauterie noire quand on utilise la technologie de l’énergie solaire ?



EXERCICES (suite)

7 Quel type d’énergie, éolienne ou solaire, est la plus efficace si vous désirez faire fonctionner :

a) une station météorologique située au sommet d’une montagne en Californie aux États-Unis ?

b) une station spatiale ?

c) une station scientifique en Antarctique ?

d) un voilier ?

e) un téléphone cellulaire ?

8 Expliquez la différence entre les techniques solaires actives et les techniques solaires passives.

9 Expliquez pourquoi on a choisi de construire un four solaire alimentant des centrales thermiques en Espagne et en Californie.



misÀjour science - 4e secondaire - extrait

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