Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet

La salinité, outil de surveillance
des océans

L'eau

Corrigé

Spécialité

pchT_1200_14_07C

Sujet zéro

Exercice 3 • 5 points

L'usage d'une calculatrice est autorisé.

L'eau des océans est en mouvement permanent. C'est un tapis roulant géant, à l'échelle du globe, d'eaux chaudes ou froides. On connaît une partie de ce tapis roulant : le Gulf Stream.

Les mesures des paramètres physico-chimiques de l'eau des océans alimentent les modèles représentatifs de la circulation océanique. En effet, les mouvements des masses d'eau sont régis par trois facteurs principaux :

les vents de surface pour les courants de surface (question non abordée dans l'exercice)
la température : une masse d'eau chaude est moins dense qu'une masse d'eau froide, ce qui entraîne un mouvement ascendant de l'eau chaude et descendant de l'eau froide
la salinité : plus une eau est salée plus elle est dense, ce qui entraîne un mouvement descendant de cette eau.

L'évolution de la circulation océanique est sûrement liée au réchauffement climatique et peut être étudiée grâce à des mesures de la salinité de l'eau. Les océans sont donc sous surveillance.

Par exemple, le programme ARGO est lancé depuis plus de 10 ans : plus de 3 000 bouées enregistrent quotidiennement température et salinité de l'eau de mer en surface, au gré de leur errance sur tous les océans. Régulièrement, les bouées émettent leurs données qui sont transmises par satellite. Chaque point sur le document ci-dessous correspond à la position d'une des bouées au 15 septembre 2011.

1. Comprendre la notion de salinité

L'eau de mer contient de nombreuses espèces dissoutes, la majorité d'entre elles sont des ions. Pour une quantité définie d'eau de mer, égale à un kilogramme, on peut déterminer la masse en grammes des espèces dissoutes contenues dans ce volume. L'eau de mer de référence appelée « eau de mer normale » à la température de 15 &deg C et à la pression atmosphérique normale de 1,0 bar, possède une salinité S de 35 g · kg^–1.

1 La densité de l'eau de mer normale d est égale à 1,02597. Quelle est la masse d'espèces dissoutes dans un m³ de cette eau de mer ?

2 Proposer un protocole simple permettant de mesurer la salinité d'une quantité d'eau de mer au laboratoire.

2. Mesurer la salinité des océans

Les espèces dissoutes dans l'eau de mer étant essentiellement ioniques, la mesure de la conductivité électrique de l'eau de mer s'est imposée pour en déduire la salinité. Dans les océans, les salinomètres, comme ceux présents sur les bouées du programme ARGO, mesurent simultanément la température, la pression atmosphérique et la conductivité de l'eau de mer. Elles peuvent réaliser jusqu'à huit mesures de conductivité par seconde, aboutissant à autant de valeurs de salinité.

Les mesures de conductivité permettent de calculer la salinité S en g · kg^–1 d'un échantillon d'eau de mer à partir de la formule suivante :

$S = 0,00 80 - 0, 1692 K^{\frac{1}{2}} + 25, 3853 K + 14,0 941 K^{\frac{3}{2}} - 7,0 261 K^{2} + 2, 7081 K^{\frac{5}{2}}$

avec K défini comme le rapport entre la conductivité électrique de cet échantillon d'eau de mer (à 15 &deg C et à la pression de 1,0 bar), et la conductivité électrique d'une solution de chlorure de potassium de référence de concentration molaire C = 4,48 × 10^–1 mol · L⁻¹ mesurée à la même température et à la même pression.

Données

Conductivité électrique d'une solution : $σ = \sum_{i} λ_{i} \cdot [X_{i}]$ pour $[X_{i}]$ 10 mol · m^–3.

Conductivité molaire ionique des ions chlorure à 15 &deg C : λ(Cl^–) = 6,10 × 10^–3 S · m² · mol⁻¹.

Conductivité molaire ionique des ions potassium à 15 &deg C : λ(K⁺) = 5,88 × 10^–3 S · m² · mol⁻¹.

1 En utilisant la relation donnant la conductivité électrique d'une solution, calculer la conductivité électrique de la solution de référence de chlorure de potassium. On mesure, à 15 &deg C, la valeur de cette conductivité électrique $σ_{mesurée} = 4, 2914 S \cdot m^{- 1}$ .

Comparer ce résultat à la valeur calculée précédemment.

Proposer une explication à l'écart obtenu.

2 Pour un échantillon de l'eau de l'océan arctique (à 15 &deg C et à la pression de 1,0 bar), on mesure la conductivité $σ_{arct} = 3, 960 4 S \cdot m^{- 1}$ . Calculer la valeur de la salinité S d'une solution de cette eau de mer en donnant le résultat avec deux chiffres significatifs.

Comparer à la salinité de « l'eau de mer normale ».

3. La salinité des eaux de surface océaniques et le climat

Les mesures relevées par les bouées du programme ARGO, ont permis de relever différents paramètres en fonction de la latitude.

La salinité de l'océan est un paramètre clef pour étudier la circulation océanique des eaux de surface et comprendre le lien avec le changement climatique.

Figure 1. Évolution de la température et de la salinité des eaux de surface en fonction de la latitude, à partir des relevés de balise ARGO

Figure 2. Précipitations annuelles en mm

1 À l'aide de la figure 1, proposer une explication à l'évolution de la salinité des eaux de surface pour les latitudes comprises entre 60&deg et 20&deg sud.

2 À l'aide des figures 1 et 2, proposer une explication à l'évolution de la salinité des eaux de surface au voisinage de la latitude de 0&deg .

3 Proposer une explication aux écarts de salinité moyenne des zones B et C par rapport à l'eau de mer normale (zone Atlantique Nord).

Zone étudiée	Atlantique Nord	Zone A (zone arctique)	Zone B  (mer Méditerranée)	Zone C (embouchure du fleuve Amazone)
Salinité moyenne (g · kg^–1)	35	32	39	31

4 Émettre une hypothèse sur l'évolution de la salinité dans la zone arctique compte tenu de l'augmentation de la température dans cette zone due au réchauffement climatique.

Notions et compétences en jeu

Extraire et exploiter l'information • Calculer, proposer une mise en œuvre d'une démarche expérimentale • Connaître les notions de salinité, de masse volumique, de densité, de dosage.

Les conseils du correcteur

S'appuyer sur tous les documents pour donner une réponse cohérente (quelle qu'elle soit) à la question posée.

1. Comprendre la notion de salinité

Extraire une information d'un document et l'exploiter.
Pratiquer une démarche scientifique

Attention aux unités de la masse volumique.

1 D'après les données µ_{eau de mer} = 1,02597 kg/L. Un volume V = 1 m³ d'eau de mer a donc une masse de :

m_{eau de mer}= µ_{eau de mer} · V = 1,02597 × 1 000 = 1 025,97 kg.

Par définition, la salinité S est telle que $S = \frac{m_{sel}}{m_{eau de mer}}$ .

On a alors m_sel=S · m_{eau de mer} = 35 × 1 025,97 = 35 900 g =35,9 kg.

2 Prélever précisément à la fiole jaugée d'1 L, un volume V = 1 L d'eau de mer.

Le placer dans un grand bécher en pyrex dont la masse m_bécherest connue.

Mettre le bécher sur le réchaud électrique et faire vaporiser totalement l'eau.

Peser alors le bécher et noter sa masse m.

La salinité est alors S =m – m_bécher.

2. Mesurer la salinité des océans

Extraire une information d'un document et l'exploiter dans un calcul

Attention aux unités de la concentration dans la relation σ = Σλ_i[X_i]

1 [Cl⁻] = [K⁺] =C = 4,48 · 10⁻¹ mol/L
= 448 mol · m⁻³.

σ_calc = λ(Cl⁻)[Cl⁻] + λ(K⁺)[K⁺]
= 6,10 · 10⁻³ × 448 + 5,88 · 10⁻³ × 448
= 5,37 S · m^–1.

D'après le texte σ_mesurée = 4,2914 S · m⁻¹ ≠ σ_calc.

Cette différence peut s'expliquer par le fait que la relation σ = Σλ_i[X_i] n'a de sens que pour des solutions diluées.

La solution de chlorure de potassium doit être trop concentrée pour que la relation soit valide.

2 D'après le texte K = σ_arct/σ_mesurée = 0,92287.

D'autre part, on a la relation suivante :

$\begin{matrix} S = 0,00 80 - 0, 1692 K^{\frac{1}{2}} + 25, 3853 K + 14,0 941 K^{\frac{3}{2}} - 7,0 261 K^{2} \\ + 2, 7081 K^{\frac{5}{2}} \end{matrix}$

$\begin{array}{l} S = 0,00 80 - 0, 1692 \times (^{0, 92287)^{\frac{1}{2}}} + 25, 3853 \times (0, 92287) \\ + 14,0 941 \times (^{0, 92287)^{\frac{3}{2}}} - 7,0 261 \times (^{0, 92287) 2} \\ + 2, 7081 \times (^{0, 92287) \frac{5}{2}} = 32,000 g/kg \end{array}$

L'eau de mer arctique est moins salée que l'eau de mer normale.

3. La salinité des eaux de surface océaniques et le climat

Analyser des documents

1 Entre 60&deg et 20&deg de latitude sud, la salinité et la température croissent. On peut donc en déduire que la salinité croît quand la température croît.

Une explication peut être que l'évaporation de l'eau de surface augmente avec la température en conséquence la concentration en sel des eaux de surface croît.

2 Au voisinage de la latitude 0&deg (au niveau de l'équateur), on peut voir (figure 28) que les précipitations sont très fortes. Cet ajout important d'eau douce dilue donc le sel des eaux de surface. Sa concentration décroît. La salinité est donc plus faible aux environs de cette latitude.

Zone étudiée	Atlantique Nord	Zone A (zone  arctique)	Zone B  (mer Méditerranée)	Zone C (embouchure du fleuve Amazone)
Salinité moyenne (g · kg^–1)	35	32	39	31
Explication possible			Il y a une zone de haute pression (anticyclone) ce qui augmente le phénomène d'évaporation. D'autre part, c'est une mer dite fermée avec peu d'apport en eau douce.	Il y a apport abondant d'eau douce par le fleuve Amazone.

4 Le réchauffement climatique induit une fonte de la banquise, ce qui dilue davantage les eaux de surface. On devrait donc voir une diminution de la salinité dans la zone arctique.

La salinité, outil de surveillance des océans

1. Comprendre la notion de salinité

2. Mesurer la salinité des océans

3. La salinité des eaux de surface océaniques et le climat

Notions et compétences en jeu

Les conseils du correcteur

1. Comprendre la notion de salinité

Extraire une information d'un document et l'exploiter.Pratiquer une démarche scientifique

2. Mesurer la salinité des océans

Extraire une information d'un document et l'exploiter dans un calcul

3. La salinité des eaux de surface océaniques et le climat

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