Mers, océans, climat ; traceurs chimiques et isotopiques - Cours de Physique Chimie Terminale S avec Maxicours - Lycée

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Mers, océans, climat ; traceurs chimiques et isotopiques

Objectifs :
Donner quelques éléments de la chimie des mers et océans. Présenter les méthodes liées aux traceurs chimiques et isotopiques, et leurs applications.
1. Les mers et les océans en quelques chiffres
Les mers et les océans recouvrent à peu près 71 % de la surface terrestre. Cela représente environ , pour une profondeur moyenne de l’ordre de 3700 mètres. Le volume total des mers et océans est estimé à , c'est-à-dire plus de 97 % de l’eau totale disponible sur la planète. Cela correspond à une masse de , à comparer à la masse de la terre . La masse volumique de l’eau de mer varie selon le lieu ; elle est en moyenne de .

La densité de l’eau de mer est ainsi supérieure à celle de l’eau pure (1 par définition), car elle est salée. Elle constitue une solution ionique, de pH moyen 8,1 (basique), constituée principalement par le chlorure de sodium . La salinité d’une eau de mer indique la masse de sel (en g) dissoute par kilogramme d’eau de mer.

Sur 1 kilogramme d’eau de mer de salinité 35g/kg (salinité moyenne des océans) :
• 965 g d’eau
• 19,4 g d’ions chlorure
• 10,8 g d’ions sodium
• 2,71 g d’ions sulfate
• 1,28 g d’ions magnésium
Le reste concerne les ions calcium, potassium, hydrogénocarbonate , etc. En dehors de ce compte, il faut mentionner des gaz dissous, comme le dioxygène et le dioxyde de carbone.

Remarque :
La salinité des océans est stable, même si les fleuves rejettent continuellement du sel dissous (voir fiche érosion, dissolution, concrétion). Des mécanismes sont proposés pour expliquer cela, dont des réactions entre l’eau de mer et le basalte (roche volcanique) qui compose la croûte océanique.
2. Etude des mers et des océans
a. Pourquoi ?
Les mers et les océans, de part leur importance, sont l’objet de nombreuses études scientifiques. En effet, ils ont un rôle crucial sur la vie sur Terre, notamment via leur influence sur le climat. Les océans sont de gros absorbeurs de . Ils sont à prendre en compte dans le cadre du phénomène de réchauffement climatique. Les divers mécanismes de régulation des océans vis-à-vis du est encore aujourd’hui imparfaitement maîtrisés.

Les courants marins sont activement étudiés, de part le rôle qu’ils jouent, ou sont supposé jouer, sur les climats de certaines régions du globe :
• Le Gulf Stream est un courant marin chaud qui prend naissance en Floride, et qui va jusqu’aux côtes de l’extrême nord de la Norvège. Il est supposé intervenir dans le climat de l’Europe de l’Ouest, dans une proportion encore mal connue.
• El Niño est au courant marin chaud au large du Pérou. Ce courant est souvent associé à des phénomènes d’anomalies climatiques dans l’Océan Pacifique Sud.
b. Comment ?
Les satellites permettent de cartographier divers paramètres des mers/océans :
• Température de surface
• Vents de surface
• Aspect des glaces (pour les calottes polaires)
• Couleur (liée à la vie marine de surface, via la chlorophylle)
• Niveau de la mer (il varie selon le lieu et selon la profondeur)

Ces mesures sont couplées avec des mesures effectuées en surface (salinité, concentration en , pH, …), ou des mesures effectuées en profondeur (température des fonds marins, …). Egalement, grâce à des mesures sonar (voir fiche dédiée), une cartographie précise des fonds marins a été effectuée.
3. Les traceurs océaniques chimiques et isotopiques
La surface des mers et océans est un lieu d’échange actif avec l’atmosphère. Des espèces chimiques, comme des poussières et des gaz atmosphériques dissous sont entraînés et vont progressivement atteindre des profondeurs de plus en plus grandes. Ces gaz constituent des traceurs océaniques. En prélevant puis en analysant les gaz se trouvant à une certaine profondeur, cela donne une idée des eaux qui se trouvaient au contact de l’atmosphère à une certaine époque. Les traceurs renseignent ainsi sur la circulation des masses d’eaux océaniques. Selon les applications, divers types de traceurs sont utilisés :

→ Les traceurs isotopiques sont constitués par des isotopes différents de l’isotope le plus abondant dans la Nature. On en distingue deux catégories :
• Les isotopes stables, comme le carbone 13 et l’oxygène 18 (étudié partie 4.). Ils ne sont pas radioactifs et ne se désintègrent donc pas.
• Les isotopes radioactifs, caractérisés par un temps de demi-vie , qui est le temps requis pour que la moitié d’un échantillon radioactif soit désintégré.

Les isotopes radioactifs sont soit naturels (carbone 14), soit artificiels (soit les deux). Exemples : tritium, protactinium 231, thorium 230, néodyme, strontium. Certains ont été émis lors des essais nucléaires aériens, durant la Guerre Froide. Comme leur présence dans la Nature est « récente » (quelques décennies), on peut suivre leur propagation dans les océans : ils n’ont pas encore atteint certaines profondeurs. En effet, la circulation océanique des grands fonds se déroule sur des échelles en temps de plusieurs centaines d’années. De manière imagée, c’est comme suivre l’évolution d’un colorant versé dans un fleuve.

→ Les traceurs chimiques. Au cours du XXème siècle, des chlorofluorocarbures (ou chlorofluorocarbones CFC) ont été synthétisés par l’Homme. Ces gaz sont des dérivés d’alcanes où les atomes d’hydrogène ont été remplacés par des halogènes : fluor et chlore. Ils ont été utilisés notamment comme gaz réfrigérants (réfrigérateurs), gaz propulseur (bombes aérosols). Cependant, ils furent progressivement interdits dès 1987 (protocole de Montréal) à cause de leurs effets sur la couche d’ozone.

Les CFC émis il y a plusieurs années sont encore présents dans l’atmosphère, et se propagent encore dans les profondeurs océaniques. Comme pour certains isotopes radioactifs, leur introduction dans la Nature est récente : il n’en existait pas avant leur synthèse par l’Homme (on parle de traceurs transitoires). Ainsi, les CFC sont des traceurs chimiques très étudiés dans les océans. Il a été constaté que leur solubilité dépend de la salinité des eaux. De plus, ils sont inertes chimiquement dans le milieu marin.

Remarque : les traceurs artificiels décrits ici ont été introduits « accidentellement » dans le milieu marin !
4. Un traceur isotopique important : l'oxygène 18
L’eau de mer est composée en grande majorité par la molécule : deux atomes d’hydrogène de noyau et un atome d’oxygène de noyau . Or, pour l’eau lourde, l’hydrogène est remplacé par le deutérium (voir fiche sur l’eau lourde). Une autre possibilité est d’avoir l’isotope stable (8 protons, 10 neutrons), à la place de . Cela forme la molécule . Les océans en contiennent actuellement un taux d’environ 0,2 %.

Il est courant de définir l’écart relatif par rapport à la proportion standard de l’eau de mer par la notation , définie par :
, où s’exprime en ‰ (pour mille)
désigne le rapport isotopique actuel pour l’eau de mer. Sa valeur précise est de 2005,20 ppm (parties par million), d’après une convention internationale.

a des propriétés physico-chimiques quasiment semblables de celles de . Elle est cependant un peu plus lourde à cause des deux neutrons supplémentaires. Cet écart explique que liquide passe un peu plus difficilement en phase vapeur que . Ainsi, les nuages sont plus pauvres en que les océans, de l’ordre de -10 ‰ pour les nuages nouvellement formés.

Après, gazeux devient plus facilement liquide que . Les précipitations issues d’un nuage ont une concentration en plus forte que le nuage lui-même, environ 10 ‰ de plus habituellement. En conséquence, le nuage va progressivement s’appauvrir en au fur et à mesure qu’il donnera naissance à des précipitations, et qu’il progressera au dessus des terres.

En outre, le phénomène est accentué par des basses températures. Quand il fait froid,   passe encore plus facilement en phase liquide. Le nuage s’appauvrit en d’autant plus rapidement. Ainsi, en un lieu donné à l’intérieur de terres, la composition en des eaux de précipitation est liée à la température.

Dans les régions froides (zones polaires), les précipitations neigeuses s’accumulent en formant des couches de glace. Par des carottages en Antarctique, des glaces très anciennes sont analysées. Un forage de 1500 mètres fournit des glaces âgées de 100 000 ans. Cela autorise l’étude des climats anciens (paléoclimats) :

• Lors d’une période glacière, de grandes quantités d’eau (précipitations neigeuses) s’accumulent dans les glaciers et calottes glacières. Comme vu plus haut, le taux en y est alors très bas. Les calottes glacières deviennent tellement grosses que le niveau des océans baisse. Comme la quantité en est stable sur l’ensemble de la planète, le taux en augmente alors dans les océans.

• Lors d’une période chaude, les glaciers et calottes glacières sont plus réduits. Le niveau des océans est plus élevé. Ce phénomène de montée des eaux est accentué par la dilatation de l’eau liquide. Tout cela entraine une dilution des taux en dans les mers et océans. En parallèle, comme il fait plus chaud, le taux en des glaces issues des précipitations est plus fort que pendant une période froide.
L'essentiel
Les mers et océans constituent d’énormes étendues d’eau. L’eau de mer est une solution ionique basique composée principalement par du chlorure de sodium dissous.

Les mers et océans ont une importance certaine sur le climat. L’analyse de traceurs océaniques, comme les gaz atmosphériques dissous, fournissent de précieuses informations, par exemple sur les mouvements des masses d’eau. Les traceurs isotopiques radioactifs émis par les essais nucléaires de la Guerre Froide, ainsi que les chlorofluorocarbones (CFC) utilisés au siècle dernier (traceurs chimiques) sont notamment mesurés.

D’autre part, l’oxygène 18 est un isotope naturel stable, constituant un traceur isotopique important, car sa concentration dans les carottes de glace est un témoin des climats anciens (paléoclimats).

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