Tuto Physique
La stratification de l'eau : un phénomène naturel étonnant
Le secret des couches d'eau : une expérience de physique
Imagine... Tu es en train de te baigner dans un lac en plein été, et là, tu remarques que l’eau à la surface est plus chaude que l’eau en profondeur. Mais alors, pourquoi l’eau chaude et l’eau froide ne se mélangent pas ? Mystère !
Dans cette activité, tu vas comprendre un phénomène passionnant : la stratification de l’eau. Grâce à des expériences simples et colorées, tu pourras observer comment l’eau douce peut flotter sur l’eau salée, ou comment l’eau chaude reste au-dessus de l’eau froide ! Tu vas également pouvoir explorer ce qui se passe dans la nature, dans les lacs, les mers ou les estuaires.
Avec Le secret des couches d'eau, tu réalises une activité amusante de physique et tu gagnes 95 points d’expérience. Si tu as plus de 8 ans, ce tuto est fait pour toi !
Découvre le matériel nécessaire
Pour pouvoir réaliser le tuto Le secret des couches d'eau, tu as besoin du matériel suivant. Normalement, tout se trouve assez facilement dans les commerces de proximité ou sur Internet. Mais si tu aimes la simplicité, tu vas adorer nos kits scientifiques tout-en-un !
Commence le tuto
Introduction à la stratification
La rencontre de l'eau douce et de l'eau salée
Quand une rivière arrive dans la mer, comme dans les estuaires ou les deltas, l’eau douce peut rester au-dessus de l’eau salée un moment.
ℹ️️ C’est pour ça qu’on voit parfois deux couleurs différentes dans l’eau !
Tu as sûrement remarqué que la rivière était de couleur marron sur la photo précédente ? Ce n'était pas un effet d'optique mais parce qu'elle est boueuse !
Où observe-t-on ce phénomène dans la nature ?
On peut le retrouver en Malaisie par exemple, à l'est de l'île Tioman où le cours d'eau Sungai Mentawak se jette dans la mer de Chine méridionale.
C'est ce que l'on observe à gauche sur cette photo : à l'embouchure, l'eau a deux couleurs différentes !
Mais alors, l'eau douce et l'eau de mer ne se mélangent pas... Comment est-ce possible ?
La suite de ce chapitre est accessible dans le tutoriel complet sur l’app Atorika disponible dans les stores.
L’eau douce flotte sur l’eau salée
D'abord, on va créer de l'eau de mer, donc de l'eau salée ! Mais avant, il faut savoir que la concentration en sel de l’eau de mer est de 35 grammes par litre.
Donc, pour reproduire cette concentration à notre échelle, ajoute environ 3,5g de sel dans un bécher vide de 100mL.
⚠️ Pense à tarer la balance avant de peser la quantité de sel.
Créons de l'eau de mer !
Maintenant, ajoute 100mL d’eau dans le bécher qui contient le sel.
Puis, mélange bien jusqu’à ce que le sel soit complètement dissous.
Voici notre eau de mer, salée comme il faut !
Pour bien repérer notre eau de mer dans la suite de l'expérience, on va la colorer en jaune !
Ajoute 3 gouttes de colorant jaune puis, à l'aide de la cuillère, mélange pour obtenir une couleur homogène (uniforme).
Passons à l'eau de rivière !
Remplis un deuxième bécher avec de l’eau, mais sans sel !
Ajoute 3 gouttes de colorant bleu, puis mélange pour homogénéiser la couleur.
Et voici notre eau de rivière ! Douce et bleue.
A l'aide de la pipette, dépose quelques gouttes d’eau douce (bleue) dans le bécher d’eau salée (jaune).
Approche-toi et observe de près le comportement de l'eau douce. Tu verras clairement le liquide bleu descendre, puis remonter au-dessus du liquide jaune.
💡️Recommence plusieurs fois, et tu verras une couche bleu/vert se former au dessus de l'eau jaune !
Mais dans la nature, on ne voit la séparation de l'eau qu'à certains endroits, pas partout...
Normal, tout se mélange !
Si tu remues les deux couches d'eau avec une cuillère, les deux couleurs se mélangent de manière homogène !
En fait, il faut de l’agitation pour les mélanger. Dans la nature, c’est le vent, les vagues ou les marées qui s'en chargent.
La suite de ce chapitre est accessible dans le tutoriel complet sur l’app Atorika disponible dans les stores.
Explications sur la stratification
Ce phénomène de séparation des couches d'eau s'appelle la stratification de l'eau !
D'où vient le mot stratification ?
Le mot stratification vient de "strate" en latin, qui veut dire couche. L’eau douce et l’eau salée forment deux couches différentes !
ℹ️️ Quand on cherche l'origine d'un mot, on dit qu'on cherche son étymologie !
Si l'eau douce et l'eau salée forment deux couches distinctes, c'est parce que leur masse volumique est différente, ce qui modifie leur densité.
Qu'est-ce que la masse volumique ?
La masse volumique d'un élément, c'est sa quantité de matière dans un certain volume.
Quand tu ajoutes du sel à l'eau, tu ajoutes de la matière en supplément, sans changer le volume d'eau.
Résultat : l’eau salée est plus lourde que l’eau douce, même si tu ne le vois pas à l’œil nu. Sa masse volumique est plus grande !
Et pour connaître la densité d'un élément, on compare sa masse volumique à celle de l’eau pure.
La densité
La masse volumique de l'eau salée (jaune) est plus grande que celle de l'eau pure (bleue), donc le rapport entre ces deux valeurs est supérieur à 1. L'eau salée est donc plus dense que l'eau douce.
ℹ️️ L'eau pure a une densité égale à 1, par définition. Elle sert de référence parce qu'elle est facile à trouver. C’est pratique pour comparer les autres matières !
On sait maintenant que l'eau pure a une densité de 1, mais est-ce que la température de l'eau a un impact sur cette densité ?
La suite de ce chapitre est accessible dans le tutoriel complet sur l’app Atorika disponible dans les stores.
Eau chaude, eau froide : laquelle est la plus dense ?
Une nouvelle expérience
Remplis un verre d'eau froide, ajoute quelques gouttes de colorant bleu puis mélange doucement le tout avec une cuillère.
Fais la même chose avec un verre d'eau chaude et quelques gouttes de colorant rouge.
Protection étanche
Pour la suite de l'expérience, pose une feuille plastifiée sur le verre d'eau froide pour éviter que l'eau ne sorte du verre.
💡️Si besoin, tu peux fabriquer ta protection avec un petit carton léger que tu glisses dans une pochette plastique pour classeur.
Un monde à l'envers
Les prochaines étapes sont difficiles, applique-toi bien pour ne rien renverser !
D'abord, maintiens fortement la feuille contre le verre d'eau froide tout en le retournant. Puis dépose l'ensemble sur le verre d’eau chaude.
⚠️ Attention avec la prochaine manipulation, évite de te brûler avec le verre d’eau chaude qui peut être très chaud !
Si tu es dans ce cas, attends un peu pour continuer l'expérience dans de bonnes conditions.
Quand c'est bon, retourne les deux verres afin d’avoir le verre d’eau chaude en rouge au-dessus du verre d'eau froide.
Mission impossible ?
Avec délicatesse, retire la feuille plastifiée afin de mettre en contact l'eau des deux verres.
Veille à ce que les verres restent bien superposés, seule la feuille doit glisser !
💡️ Si tu préfères, fais-toi aider par un adulte pour cette étape.
Ensuite, observe calmement ce qui se passe.
Incroyable, l’eau chaude reste en haut et ne se mélange pas avec l'eau froide !
Les couleurs fusionnent
Maintenant, fais l’expérience inverse en retournant les deux verres.
Et regarde, ça va super vite ! L'eau froide descend dans l'eau chaude. En quelques secondes, les deux couleurs se mélangent et tout devient violet.
Très étrange, dans un sens, ça se mélange, mais pas dans l'autre...
La suite de ce chapitre est accessible dans le tutoriel complet sur l’app Atorika disponible dans les stores.
Pourquoi l’eau chaude reste en surface ?
Quel est le secret de ce mélange unilatéral ?
En réalité, l’eau est constituée de plein de petites particules, appelées molécules. Imagine-les comme des gouttelettes qui bougent tout le temps.
Quand l’eau est chaude, elles s’agitent beaucoup et les molécules s’éloignent les unes des autres. L’eau prend donc plus de place, ce qui diminue sa masse volumique.
S'il fait froid, c'est l'inverse !
Quand l’eau est froide, les molécules bougent moins. Elles se rapprochent et se retrouvent plus serrées, donc l’eau prend moins de place pour le même volume.
Sa masse volumique est plus grande donc l'eau froide est plus dense que l'eau chaude.
Et donc, là encore, on retrouve la stratification de l'eau !
La stratification existe en grandeur nature !
Imagine un lac en été... Son eau est chaude à la surface, mais si tu plonges un peu, tu remarques qu'elle devient de plus en plus froide au fond.
Ce phénomène se produit surtout pendant les saisons chaudes, mais il a une influence sur la biodiversité aquatique.
La suite de ce chapitre est accessible dans le tutoriel complet sur l’app Atorika disponible dans les stores.
La densité de la glace
A ton avis, que fait un glaçon si tu le mets dans un verre d’eau ? 
Fabrique ton glaçon coloré !
Verse de l'eau dans le bac à glaçons, puis ajoute 2 gouttes de colorant bleu.
Avec la cuillère, mélange délicatement pour répartir la couleur.
Pendant que ton glaçon est en train de se former, verse de l'eau dans un bécher de 100mL.
⚠️ Tu peux mettre la quantité d'eau que tu souhaites, mais ajoute-en assez pour que tu puisses voir ton glaçon flotter à la surface.
Ton glaçon est prêt ?
Vérifie de temps en temps si ton glaçon s'est formé. Quand c'est le cas, récupère-le !
💡️Pour sortir le glaçon du bac plus facilement, laisse-le reposer 1 à 2 minutes à température ambiante. La glace va se réchauffer et se détacher plus facilement du plastique.
Je flotte, tu flottes, ...
Fais tomber ton glaçon dans l'eau et observe ce qui se passe : le glaçon remonte rapidement à la surface.
💡️ Et regarde, le glaçon va fondre peu à peu. Tu vas même pouvoir suivre de tes yeux le parcours de l'eau en détail grâce au colorant qui se répand dans tout le bécher !
Pour la petite histoire
Quand l’eau gèle pour devenir un glaçon, les molécules d’eau se rangent d’une façon très spéciale. Elles forment une sorte de grille avec des petits espaces vides entre elles.
Pour une même quantité d'eau, un glaçon prend donc plus de place que l'eau liquide.
Sa masse volumique est par conséquent plus petite, il est donc moins dense et il flotte !
Voilà pourquoi il faut éviter de trop remplir une bouteille d'eau avant de la mettre au congélateur ! La bouteille risque d'éclater...
La suite de ce chapitre est accessible dans le tutoriel complet sur l’app Atorika disponible dans les stores.
