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Gérard COPIN-MONTÉGUT : Docteur ès sciences - Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer - Maître de conférences à l’université Pierre-et-Marie-Curie
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L ’océan mondial (encadré A) recouvre plus de 70% de la surface de la planète Terre et contient 97 % de ses réserves en eau (qui s’élèvent à environ 1 400 × 106 km3). Une douzaine d’espèces ioniques majeures sont présentes dans l’eau de mer. Leur masse totale peut varier d’une eau de mer à l’autre mais leurs proportions relatives restent constantes. On peut ainsi caractériser sans ambiguïté les eaux de mer par leur salinité. La salinité moyenne de l’océan mondial est voisine de 35 et sa température de 4 C.
Compte tenu de sa composition relative stable et du volume énorme qu’elle représente, l’eau de mer constitue une solution électrolytique originale et mériterait plus d’attention de la part des physico-chimistes. Ce n’est pas encore le cas, et les différents manuels de constantes (ou « handbooks ») fournissent peu de renseignements, voire aucun, se rapportant aux propriétés physiques de l’eau de mer ou aux équilibres thermodynamiques dans le milieu eau de mer.
L’eau de mer constitue un milieu physique parfaitement défini par trois variables d’état : salinité S, température t et pression p. Toutes ses propriétés physiques sont donc, en principe, dérivables à partir de S, t et p. Dans le domaine de la physico-chimie classique, on se réfère généralement à une température de 25 C, et à une pression normale de 101 325 Pa (ou de 100 kPa si l’on parle de pression standard). Dans le domaine océanographique, l’océan normal « the standard ocean » (encadré A) a une température de 0 C et une salinité de 35,000. Mais sa pression n’est pas normalisée car une masse d’eau peut être située aussi normalement à 10 000 m de profondeur qu’à la surface.
L’effet des hautes pressions sur les propriétés physiques des solides ou des liquides est difficile à étudier expérimentalement et est souvent mal documenté. Ce n’est pas le cas dans le domaine de l’océanographie où un effort particulier a été fait dans ce sens. La plupart des algorithmes océanographiques permettent de calculer de manière précise les propriétés hydrologiques des eaux de mer en fonction de S, t et p, pour des salinités allant de 0 à 42, des températures allant de –2 à 40 C et des pressions de 1 à 10 000 dbar. Toutefois, ces algorithmes ne sont pas utilisables pour les mers intérieures, telles que la mer Caspienne ou les lacs salés. Ces étendues d’eau ont un contenu salin différent de celui de l’eau de mer.
La dénomination et la définition de certaines propriétés décrites dans cet article sont familières à beaucoup. C’est le cas de la masse volumique ou de la vitesse du son. D’autres propriétés paraîtront plus mystérieuses pour des non- spécialistes, par exemple, l’anomalie thermostérique ou le taux de décroissance adiabatique. Il faut mentionner ces propriétés, car elles font partie des routines de traitement des données océanographiques.
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Autres propriétés physiques
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6. Coefficients d’échanges moléculaires
Les molécules d’eau et les espèces en solution se trouvent en état d’agitation permanente. À l’échelle microscopique, des échanges de mouvement, de chaleur ou de matière interviennent entre les différents points de la solution mais, si celle-ci est homogène, elle le demeure car ces échanges se compensent statistiquement. En revanche, si des différences de vitesse d’écoulement, de température ou concentration existent entre deux points, un transfert net de la propriété concernée intervient dans le sens opposé au gradient. Les coefficients qui caractérisent l’intensité de ces échanges (équilibrés ou non) sont des fonctions d’état. Pour l’eau de mer, leurs valeurs dépendent fortement de la température, mais très peu de la salinité et de la pression.
6.1 Viscosité η (viscosity)
La viscosité est un concept qui paraît simple et clair, à première vue, mais qui devient incroyablement confus et complexe si l’on va au fond des choses. Il intervient notamment dans la force avec laquelle les couches plus rapides entraînent les couches plus lentes lors de l’écoulement laminaire d’un fluide. Si F est la force de frottement s’exerçant tangentiellement à une surface de 1 unité de surface, on écrit :
avec :
-
- gradient de vitesse d’écoulement selon un axe normal à la surface
Le coefficient η, ou viscosité dynamique (dynamic viscosity), doit s’exprimer en kg.m–1.s–1.
On l’exprime parfois encore en poises, unité cgs correspondant à 1 g.cm–1.s–1. On définit aussi un coefficient de viscosité cinématique (kinematic viscosity) ν, tel que :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - WILSON (T. R. S.) - Salinity and the major elements of sea water. - Riley and Skirrow éd. Chemical Oceanography, 1, p. 365-413, Academic Press (1975).
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(2) - UNESCO - Tenth report of the joint panel on oceanographic tables and standards. - Unesco technical papers in Marine Sciences, 36, 36 p (1981).
-
(3) - COPIN-MONTÉGUT (G.) - Chimie de l’eau de mer. - Éd. Institut océanographique (1996).
-
(4) - MILLERO (F. J.), LEUNG (W.H.) - The thermodynamics of seawater at one atmosphere. - Amer. J. Sci., 276 , p. 1035-1077 ( 1976).
-
(5) - WEISS (R. F.), PRICE (B. A.) - Nitrous oxide solubility in water and seawater - . Marine Chemistry, 8, p. 347-359 (1980).
-
(6) - ASME - 1967 ASME steam tables - . American Society of Mechanical Engineers. Programme de calcul en lignehttp://www.connel.com/
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