Pourquoi les étangs et les lacs gèlent-ils, mais pas la mer ?
― L'eau de mer refroidie ne reste pas en surface : elle coule
« Parce que la mer est salée » : cette réponse n'est juste qu'à moitié. Le sel n'abaisse la température de congélation que d'environ 2℃. Ce qui compte vraiment, c'est que l'eau de mer refroidie devient plus lourde et coule. Du coup, la mer ne peut commencer à geler que si elle est refroidie non seulement en surface, mais aussi sur une grande profondeur.
Par un matin de plein hiver, une fine couche de glace recouvre l'étang du parc. Les flaques des rizières voisines sont blanches de gel.
Le même jour, vous allez au bord de la mer : les vagues roulent comme d'habitude. La température est tout aussi négative, et pourtant on ne voit de glace nulle part.
Si un enfant vous demande « pourquoi la mer ne gèle pas ? », que répondez-vous ? Si vous vous arrêtez à « parce qu'elle est salée », vous oubliez l'essentiel.
Deux raisons seulement expliquent pourquoi la mer gèle mal
Quand quelque chose est dissous dans l'eau, elle gèle plus difficilement. Pour l'eau de mer ordinaire, la congélation commence non pas à 0℃, mais vers −1.9℃.
Dans un étang, l'eau refroidie reste en surface et gèle. En mer, l'eau refroidie devient plus lourde, coule et se mélange à l'eau du dessous. Pour que la mer gèle, il faut que toute la couche brassée soit refroidie.
La première raison est bien connue. Mais avec seulement 2℃ d'écart, les mers des régions froides gèleraient sans difficulté chaque hiver. C'est la seconde raison qui pèse le plus.
L'étang gèle par le « couvercle » ; la mer attend que toute la « marmite » soit froide
L'eau douce a une propriété curieuse. En refroidissant, elle atteint sa densité maximale à 4℃ ; en dessous, elle redevient plus légère.
En hiver, l'étang se refroidit d'abord tout entier jusqu'à environ 4℃. Ensuite, si l'eau de surface se refroidit encore, elle est plus légère et ne coule pas. Une mince couche froide se forme en surface, et elle seule atteint 0℃ et gèle. Il suffit que le « couvercle » gèle.
Mais avec du sel dissous, tout change. Plus il y a de sel, plus la température de densité maximale baisse. Au-delà d'une salinité d'environ 2.5 %, cette température passe sous la température de congélation. L'eau de mer ordinaire a une salinité d'environ 3.5 % : elle dépasse nettement ce seuil.
Autrement dit, l'eau de mer reste « plus lourde à mesure qu'elle refroidit » jusqu'à juste avant de geler. L'eau refroidie en surface coule aussitôt, et une eau un peu plus chaude remonte du fond. Déplacez le curseur de la figure 1 : vous verrez où se situe la frontière de cet échange.
Que se passe-t-il avant que la mer ne gèle ?
Quand un vent froid refroidit la surface de la mer, l'eau refroidie coule et l'eau du dessous remonte. Cet échange se poursuit jusqu'à la profondeur où la salinité ou la température changent brusquement. On appelle « couche de mélange » la couche située au-dessus de cette limite ; son épaisseur irait de quelques dizaines à quelques centaines de mètres selon le lieu et la saison.
Dans un étang, il suffisait de refroidir une mince couche de surface. En mer, si l'on ne refroidit pas jusqu'à −1.9℃ toute l'eau sur 100 mètres de profondeur, aucune glace ne se forme en surface. La quantité d'eau à refroidir est incomparablement plus grande. La figure 2 met l'étang et la mer côte à côte.
Pourtant, la mer gèle bien dans l'Arctique et l'Antarctique, ainsi que sur la côte de la mer d'Okhotsk, à Hokkaido. En mer d'Okhotsk, l'eau douce des grands fleuves forme en surface une couche peu salée. Sous cette couche, la salinité augmente brusquement, ce qui limiterait la profondeur du brassage. Comme il y a moins d'eau à refroidir, la côte de Hokkaido est considérée comme l'une des régions les plus méridionales de l'hémisphère nord où l'on voit de la banquise dérivante.
Quand l'eau de mer gèle, seules les molécules d'eau s'ordonnent d'abord en glace, et la plus grande partie du sel est repoussée. La glace de mer (banquise) est donc bien moins salée que l'eau de départ. La saumure concentrée ainsi expulsée est lourde et coule. On y voit l'une des forces qui animent les grands courants océaniques profonds à l'échelle de la planète.
En résumé
La mer gèle mal pour deux raisons : le sel abaisse la température de congélation à environ −1.9℃, et l'eau de mer refroidie coule. Un étang gèle dès que sa mince couche de surface est refroidie. La mer, elle, ne peut former de glace en surface que si l'on refroidit toute la couche brassée en profondeur. « Parce qu'elle est salée » n'est que la porte d'entrée ; la vraie réponse est « parce que l'eau refroidie coule ».
Un étang gèle quand son couvercle refroidit.
La mer ne gèle pas avant que toute la marmite soit froide.
Le fait que l'eau douce soit la plus lourde à 4℃ crée, au fil des saisons, des mouvements à l'intérieur d'un lac : voir « Pourquoi l'eau d'un lac se retourne-t-elle, haut et bas, à l'automne ? ». Pour le mécanisme par lequel le sel abaisse la température de congélation, voir « Pourquoi de la glace salée devient-elle plus froide que 0℃ ? », et pour savoir pourquoi la mer est salée, « Pourquoi l'eau de mer est-elle salée ? ».
- Prenez deux verres identiques. Mettez de l'eau seule dans l'un ; dans l'autre, 200mL d'eau et un peu plus d'une cuillère à café de sel (environ 7g, soit à peu près la concentration de l'eau de mer).
- Placez-les côte à côte au congélateur et observez la surface toutes les 30 minutes. L'eau douce devrait commencer à geler la première, par la surface.
- Quand l'eau salée a gelé, goûtez un petit morceau de glace en train de fondre. La première eau qui s'écoule est salée, et la glace restante l'est parfois moins qu'on ne le pense.
Un verre est peu profond : il ne reproduit pas le brassage profond de la mer. Vous ne pouvez vérifier que deux choses : « la température de congélation baisse » et « le sel est repoussé hors de la glace ». Pour goûter ce qui sort du congélateur, utilisez des verres propres et du sel alimentaire.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de chimie ou de sciences de la Terre du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Hors programme du lycée : matière universitaire (physique de l'océan, chimie physique)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient encore, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Abaissement du point de congélation : quand quelque chose est dissous dans l'eau, la température à laquelle elle commence à geler (point de congélation) baisse.
- Température de densité maximale : température à laquelle l'eau est la plus lourde (densité maximale). Pour l'eau douce, environ 4℃.
- Couche de mélange : couche allant de la surface de la mer jusqu'à la profondeur où l'eau est bien brassée par la plongée de l'eau refroidie et par les vagues.
- Glace de mer (banquise) : glace formée par la congélation de l'eau de mer. Celle qui se détache de la côte et dérive s'appelle banquise dérivante.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : température de congélation de l'eau de mer et nombre de jours pour la refroidir
On calcule d'abord jusqu'où baisse la température de congélation de l'eau de mer. Puis on estime combien de jours il faut pour refroidir de 1℃ la couche de mélange.
| En symboles | ΔT ＝ Kf × m (et Q ＝ M × c × Δθ) |
| En mots | Baisse de la température de congélation ＝ constante propre au solvant × nombre de particules (en moles) dissoutes dans 1kg d'eau. Chaleur à retirer ＝ masse d'eau × capacité thermique × baisse de température |
| D'où viennent-elles ? | Les particules dissoutes « diluent » la tendance des molécules d'eau à geler ; l'effet ne dépend que de leur nombre, pas de leur nature (propriété des solutions diluées). La formule de la chaleur vient de la conservation de l'énergie |
| Constante cryoscopique de l'eau Kf | 1.86 ℃・kg/mol |
| Quantité totale de particules (ions) dissoutes dans l'eau de mer m | environ 1.0 mole par kg d'eau |
| Épaisseur de la couche de mélange (hypothèse) | 100 m |
| Masse d'1 mètre cube d'eau de mer | environ 1000 kg |
| Capacité thermique de l'eau c | environ 4200 J/(kg・℃) |
| Chaleur perdue par la surface de la mer lors d'un fort froid hivernal (hypothèse) | 200 J par seconde et par mètre carré |
| Baisse de la température de congélation | 1.86 × 1.0 ＝ 1.86 (℃) |
| Masse d'eau de la couche de mélange sous 1 mètre carré de mer | 100 × 1000 ＝ 100000 (kg) |
| Chaleur à retirer pour la refroidir de 1℃ | 100000 × 4200 ＝ 420000000 (J) |
| Durée (secondes) | 420000000 ÷ 200 ＝ 2100000 (s) |
| En jours | 2100000 ÷ 86400 ≒ 24 (jours) |
La température de congélation est 0 − 1.86, soit environ −1.9℃, ce qui correspond à la valeur réelle de l'eau de mer. Et une couche de mélange de 100m d'épaisseur met plus de trois semaines à se refroidir de 1℃, même par grand froid. À la surface d'un étang, quelques centimètres d'eau peuvent geler en une nuit. Cette différence de quantité est la vraie raison pour laquelle « la mer gèle difficilement ».
LycéeLycée+Une propriété qui dépend du nombre de particules, et la densité modifiée par le sel
LycéeL'abaissement du point de congélation est, comme l'élévation du point d'ébullition et la pression osmotique, une « propriété colligative ». Son ampleur dépend du nombre de particules, non de ce qui est dissous. Le sel de table se sépare en deux ions dans l'eau : il agit donc environ deux fois plus que le même nombre de moles de sucre.
Lycée+Les deux lignes de la figure 1 sont des approximations qui baissent presque proportionnellement à la salinité. La température de congélation baisse d'environ 0.54℃ par % de sel, et la température de densité maximale d'environ 2.2℃ par %. La seconde ayant la pente la plus forte, les deux lignes se croisent vers 2.5 % de salinité et −1.3℃.
Univ.Formation de la glace de mer et circulation thermohaline
En physique de l'océan, la plongée de l'eau due au refroidissement de surface est traitée comme de la « convection », et la profondeur de la couche de mélange dépend de l'intensité du refroidissement, du vent et de la structure de la couche salée. Dans une mer à faible salinité de surface comme la mer d'Okhotsk, le saut de densité (halocline) limite la convection en profondeur. La saumure concentrée expulsée lors de la formation de glace de mer coule et, autour de l'Antarctique notamment, donne naissance aux eaux profondes. C'est une partie de ce qu'on appelle la « circulation thermohaline », la circulation océanique à l'échelle de la planète.
📖 Dérivation des formules et approfondissements : Abaissement du point de congélation (Wikipédia, en japonais) ／ Circulation thermohaline (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Comment les courants profonds changeront-ils si la glace de mer diminue ? Moins de glace formée, c'est moins de saumure concentrée qui coule. De combien la circulation profonde s'affaiblira : c'est en cours d'étude, par l'observation comme par le calcul.
- L'avenir de la glace de mer en mer d'Okhotsk. La quantité de banquise dérivante aurait tendance à diminuer sur le long terme, mais les variations d'une année à l'autre sont grandes, et l'effet des changements de débit des fleuves et de vent fait encore l'objet de recherches.
- Les canaux d'eau salée dans la glace. La glace de mer garde en elle de fins canaux de saumure, en réseau. On ne sait pas encore précisément comment leur forme influence la chaleur et la vie qui s'y développe.
Le contenu de cet article est donc lui aussi « une explication dans l'état actuel des connaissances ». En particulier, le lien entre glace de mer et climat est un domaine où les valeurs peuvent encore changer.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences · changements d'état et densité | L'eau est la plus lourde à 4℃, l'eau refroidie coule |
| Lycée | Chimie · propriétés des solutions diluées | Obtenir −1.9℃ avec la formule de l'abaissement du point de congélation |
| Lycée+ | Sciences de la Terre · structure de l'océan | Couche de mélange, température de densité maximale modifiée par le sel |
| Univ. | Physique de l'océan | Convection, halocline, circulation thermohaline |
| Recherche | Recherche sur le climat et la glace de mer | Recul de la glace de mer et circulation profonde |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Paysages de bord de mer en hiver, tourisme de la banquise, expérience au congélateur |
- Wikipédia en japonais (ウィキペディア), article « 凝固点降下 » (abaissement du point de congélation)
- Wikipédia en japonais (ウィキペディア), article « 海氷 » (glace de mer)
- Wikipédia en japonais (ウィキペディア), article « 流氷 » (banquise dérivante)
- Wikipédia en japonais (ウィキペディア), article « 熱塩循環 » (circulation thermohaline)
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台), dir., 理科年表 (Annales scientifiques), Maruzen (丸善出版) — propriétés physiques de l'eau de mer
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. L'épaisseur de la couche de mélange et la chaleur perdue par la surface de la mer varient beaucoup selon le lieu, la saison et la météo.