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 qu'à moitié juste. Le sel n'abaisse la température de congélation que d'environ 2 °C. Le vrai facteur, 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 en profondeur, et pas seulement en surface.
Par un matin de plein hiver, une fine couche de glace recouvre l'étang du parc. Les flaques des rizières voisines sont toutes blanches de givre.
Le même jour, vous allez au bord de la mer : les vagues roulent comme d'habitude. La température est aussi négative, mais 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 la moitié importante.
La mer gèle difficilement pour deux raisons seulement
Quand une substance est dissoute dans l'eau, celle-ci gèle plus difficilement. Pour l'eau de mer ordinaire, la congélation commence non pas à 0 °C, mais vers −1,9 °C.
Dans un étang, l'eau refroidie reste à la surface et gèle. En mer, l'eau refroidie devient plus lourde, coule et échange sa place avec 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 °C d'écart, les mers des régions froides gèleraient sans peine chaque hiver. L'effet le plus fort vient de la seconde raison.
L'étang gèle sous un « couvercle » ; la mer attend que toute la « casserole » soit froide
L'eau douce a une propriété curieuse. En refroidissant, elle est la plus lourde à 4 °C ; en dessous, elle redevient plus légère.
Dans un étang en hiver, toute l'eau refroidit d'abord jusque vers 4 °C. Ensuite, même si l'eau de surface se refroidit encore, elle est légère et ne coule pas. Une mince couche froide se forme en surface, et elle seule atteint 0 °C et gèle. Il suffit que le « couvercle » gèle.
Mais quand il y a du sel, tout change. Plus il y a de sel, plus la température de densité maximale baisse. Au-delà d'environ 2,5 % de salinité, 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 en refroidissant » jusqu'à juste avant de geler. L'eau refroidie en surface coule aussitôt, et de l'eau un peu plus chaude remonte d'en bas. 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 une profondeur où la salinité ou la température changent brusquement. On appelle « couche de mélange » la couche située au-dessus ; selon le lieu et la saison, son épaisseur irait de quelques dizaines à quelques centaines de mètres.
Dans un étang, il suffisait de refroidir une mince couche de surface. En mer, tant qu'on n'a pas refroidi à −1,9 °C 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 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 déversée par de 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 serait l'une des régions les plus au sud de l'hémisphère nord où l'on voit de la glace dérivante.
Quand l'eau de mer gèle, seules les molécules d'eau s'alignent d'abord pour former la glace, et la plus grande partie du sel est repoussée à l'extérieur. La glace de mer (banquise) est donc bien moins salée que l'eau d'origine. L'eau très salée ainsi expulsée est lourde et coule. On y voit l'une des forces qui animeraient les grands courants océaniques profonds à l'échelle de la planète.
En résumé
La mer gèle difficilement pour deux raisons : le sel abaisse la température de congélation à environ −1,9 °C, et l'eau de mer refroidie coule. Dans un étang, il suffit de refroidir une mince couche de surface pour qu'elle gèle. En mer, tant qu'on n'a pas refroidi toute la couche brassée jusqu'en profondeur, la glace ne peut pas se former en surface. « Parce qu'elle est salée » n'est que la porte d'entrée ; la vraie réponse est « parce que l'eau refroidie coule ».
L'étang gèle quand le couvercle seul refroidit.
La mer ne gèle pas avant que toute la casserole soit froide.
Le fait que l'eau douce soit la plus lourde à 4 °C produit un mouvement saisonnier dans les lacs : on le détaille dans « Pourquoi l'eau d'un lac se retourne-t-elle, haut et bas, à l'automne ? ». Le mécanisme par lequel le sel abaisse la température de congélation est dans « Pourquoi du sel sur la glace donne-t-il plus froid que 0 °C ? », et la raison du goût salé de la mer dans « Pourquoi l'eau de mer est-elle salée ? ».
- Prenez deux verres identiques. Dans l'un, mettez de l'eau seule ; dans l'autre, 200 mL d'eau et un peu plus d'une cuillère à café de sel (environ 7 g, à peu près la concentration de l'eau de mer).
- Placez-les côte à côte au congélateur et regardez la surface toutes les 30 minutes. L'eau douce devrait commencer à geler en surface la première.
- Une fois l'eau salée gelée, goûtez un peu de glace en train de fondre. La première eau qui coule est salée, et la glace restante peut être moins salée qu'on ne le croit.
Les verres sont peu profonds : on ne reproduit pas le brassage profond de la mer. On peut vérifier deux choses : « la température de congélation baisse » et « le sel est repoussé hors de la glace ». Pour tout ce que vous mettez en bouche depuis le 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
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « chimie » et de « sciences de la Terre » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou contenu présenté en encadré dans les manuels
- Univ.Cours spécialisés d'université non vus au lycée (physique de l'océan, chimie physique)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Abaissement cryoscopique : quand une substance se dissout dans l'eau, la température où elle commence à geler (point de congélation) baisse.
- Température de densité maximale : température où l'eau est la plus lourde (densité la plus grande). Environ 4 °C pour l'eau douce.
- Couche de mélange : couche allant de la surface de la mer jusqu'à la profondeur où l'eau est bien brassée par la descente de l'eau froide et par les vagues.
- Glace de mer (banquise) : glace formée par la congélation de l'eau de mer. Celle qui s'éloigne de la côte en dérivant s'appelle glace 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 °C 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 moles de particules dissoutes par kg d'eau. Chaleur nécessaire au refroidissement ＝ masse d'eau × capacité thermique massique × baisse de température |
| D'où viennent-elles ? | Les particules dissoutes diluent la « facilité à geler » des molécules d'eau ; 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'un mètre cube d'eau de mer | environ 1000 kg |
| Capacité thermique massique de l'eau c | environ 4200 J/(kg・℃) |
| Chaleur perdue par la surface lors d'un fort froid de plein hiver (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 surface | 100 × 1000 ＝ 100000 (kg) |
| Chaleur à retirer pour refroidir cette eau de 1 °C | 100000 × 4200 ＝ 420000000 (J) |
| Durée (secondes) | 420000000 ÷ 200 ＝ 2100000 (s) |
| En jours | 2100000 ÷ 86400 ≒ 24 (jours) |
La température de congélation vaut 0 − 1,86, soit environ −1,9 °C, ce qui correspond à la valeur réelle de l'eau de mer. Et même par grand froid, une couche de mélange de 100 m met plus de trois semaines à se refroidir de 1 °C. Quelques centimètres de surface d'un étang peuvent geler en une nuit. Cet écart de quantité est la clé du « la mer ne gèle pas facilement ».
LycéeLycée+Propriétés liées au nombre de particules, et densité modifiée par le sel
LycéeL'abaissement cryoscopique est, comme l'élévation du point d'ébullition et la pression osmotique, une « propriété colligative ». Son ampleur dépend du nombre de particules, non de la nature de la substance dissoute. 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 °C par % de salinité, et la température de densité maximale d'environ 2,2 °C par %. La seconde ayant la pente la plus forte, les deux lignes se croisent vers 2,5 % de salinité et −1,3 °C.
Univ.Formation de la glace de mer et circulation thermohaline
En physique de l'océan, la descente d'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 en couches de salinité. Dans une mer à faible salinité de surface comme la mer d'Okhotsk, le saut de densité (halocline) limite la convection en profondeur. L'eau très salée (saumure) expulsée lors de la formation de la glace coule et, autour de l'Antarctique notamment, devient l'origine des eaux profondes. Cela fait partie de la « circulation thermohaline », la circulation océanique à l'échelle du globe.
📖 Démonstration des formules et suite : Abaissement cryoscopique (Wikipédia en japonais) ／ Circulation thermohaline (Wikipédia en japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Comment les courants profonds changeront-ils si la glace de mer diminue ? Moins de glace formée, c'est aussi moins d'eau très salée qui coule. De combien la circulation profonde s'affaiblira-t-elle ? Observations et calculs numériques y travaillent en ce moment.
- L'avenir de la glace de mer en mer d'Okhotsk. La quantité de glace dérivante tendrait à diminuer sur le long terme, mais les variations d'une année à l'autre sont fortes, 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 son sein de fins canaux de saumure, en réseau. Leur influence sur la chaleur et sur la vie des organismes n'est pas encore connue en détail.
Le contenu de cet article est donc lui aussi « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Surtout pour le lien entre glace de mer et climat, les chiffres pourront encore changer.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière・chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・changements d'état et masse volumique | L'eau est la plus lourde à 4 °C, l'eau refroidie coule |
| Lycée | Chimie・propriétés des solutions diluées | Obtenir −1,9 °C avec la formule de l'abaissement cryoscopique |
| Lycée+ | Sciences de la Terre・structure de l'océan | Couche de mélange, température de densité maximale selon la salinité |
| 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 glace dérivante, expérience au congélateur |
- Wikipédia en japonais, « 凝固点降下 » (abaissement cryoscopique)
- Wikipédia en japonais, « 海氷 » (glace de mer)
- Wikipédia en japonais, « 流氷 » (glace dérivante)
- Wikipédia en japonais, « 熱塩循環 » (circulation thermohaline)
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台), éd., 『理科年表』 (Chronological Scientific Tables), Maruzen Publishing (丸善出版) (propriétés physiques de l'eau de mer)
※Cet article est une explication scientifique 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 varient fortement selon le lieu, la saison et la météo.