Semaine 8 - Annales et corrigés 2019 et 2023

Des cylindres de glace, de formule chimique $\text{H}_2\text{O}$, appelées « carottes », sont prélevés dans les régions polaires et dans les glaciers des montagnes ; ils contiennent des renseignements précieux pour l’étude du climat.
L’élément oxygène se trouve notamment sous la forme de trois atomes stables nommés oxygène $16$, oxygène $17$ et oxygène $18$. À partir de la proportion d’oxygène $18$ par rapport à l’oxygène $16$ dans la glace, les chercheurs déterminent la température de l’atmosphère au moment de la formation de la glace.

Document 1 : Un modèle de l’atome d’oxygène

Document 2 : Les fiches d’identité des atomes d’oxygène stables

(7 points)

1a - Légender le document 1, en affectant à chaque numéro un nom parmi les propositions suivantes : noyau, électrons, proton, neutron.

1b - Quel est le nombre de protons présents dans chacun des 3 atomes d’oxygène ? Justifier vos réponses par une phrase.

L’analyse des bulles d’air piégées dans la glace permet de déterminer la quantité de dioxyde de carbone $\text{CO}_2$ contenu dans l’atmosphère du passé.

Document 3 : Évolution du pourcentage en volume de $\text{CO}_2$ dans l’air au cours des années.

(8,5 points)

2a - En utilisant le graphique du document 3, indiquer le pourcentage en volume de dioxyde de carbone présent dans l’air en 1910.

2b - En quelle année ce pourcentage a-t-il atteint $0,037\ \%$ ?

2c - Comparer, en citant des données du graphe, l’évolution du pourcentage de $\text{CO}_2$ en volume dans l’air, entre 1810 et 1950 puis entre 1950 et 2010.

2d - Quelle valeur pourrait atteindre ce pourcentage en 2020 ? Décrire et critiquer la méthode utilisée.

Le projet ICE MEMORY est un programme scientifique dont l’objectif est de constituer la première archive glaciaire du monde. Des carottes provenant des glaciers les plus en danger seront conservées à $- 54\degree \text{C}$ dans une cave creusée sous la neige de l’Antarctique.

Document 4 :

(9,5 points)

3a - À la base de Vostok qui se situe en Antarctique, on extrait une carotte de glace de $3$ mètres de long, le poids du cylindre de glace est $P = 236\ \text{N}$.
Schématiser le cylindre de glace en position verticale et représenter le poids de la glace par un segment fléché en prenant pour échelle $1\ \text{cm}$ pour $100\ \text{N}$.

3b - Utiliser les données du document 4 et de la question 3a pour calculer la masse du cylindre de glace de Vostok en kilogrammes. Expliquer la démarche suivie et écrire la relation utilisée.
Les essais et les démarches même non aboutis seront pris en compte.

Globalement, le niveau marin moyen¹ a augmenté d’environ 15 cm entre 1900 et 2000, puis cette hausse s’est accélérée. La dilatation thermique² de l’eau de mer, conséquence du réchauffement de l’océan, explique environ la moitié de la hausse, l’autre moitié étant due à la fonte des glaciers continentaux. Sous l’effet de l’augmentation globale du niveau marin, de plus en plus de zones côtières sont exposées aux inondations. En l’absence d’efforts d’adaptation, la fréquence de ces inondations augmentera, ce qui pourrait générer des infiltrations d’eau de mer dans les eaux souterraines, détériorant ainsi la qualité de l’eau et entraînant potentiellement des problèmes de santé et une destruction des récoltes.

<sub>1. Niveau marin moyen : hauteur moyenne de la surface de la mer, par rapport à un niveau de référence.
2. Dilatation thermique : augmentation du volume sous l’effet d’une augmentation de la température.</sub>

Question 1 (2 points)

Citer deux conséquences de l’augmentation du niveau marin moyen.

L'eau de mer contient, au moins en petites quantités, de nombreux éléments chimiques. Parmi ceux-ci, le sodium est présent sous forme d’ion dans le chlorure de sodium. On donne ci-dessous un extrait de la classification périodique des éléments chimiques qui les regroupe par ordre croissant de numéro atomique (nombre de protons dans le noyau de l’élément considéré).

Question 2 (7 points)

2. a. Donner le symbole de l’élément sodium.

2. b. Donner le nombre de protons contenus dans le noyau d’un atome de sodium.

2. c. Indiquer le nombre de neutrons contenus dans le noyau d’un atome de sodium.
Expliquer la démarche.

Mise en évidence expérimentale de la dilatation thermique de l’eau

Graphique de l’évolution de la masse volumique de l’eau en fonction de la température

Question 3 (8 points)

3. a. Indiquer à l’aide du graphique, la valeur de la masse volumique de l’eau à la température initiale de $5\,\degree\,\text{C}$.

3. b. À partir du graphique, expliquer sans calcul pourquoi le niveau de l’eau dans le tube de l’expérience monte lorsque la température de l’eau augmente.

Détailler précisément le raisonnement.

Mission Sentinel-6A

Depuis 1992, des satellites permettent de déterminer avec précision le niveau marin ; ils évoluent sur une orbite à une altitude de 1 336 km. Afin d’assurer la continuité de ces observations, capitales dans le contexte du réchauffement climatique, un nouveau satellite, Sentinel-6A, a été lancé fin 2020. Il embarque le radar altimètre Poseidon-4.

Principe de l’altimétrie radar par satellite

Afin de déterminer le niveau marin, le satellite mesure la distance altimétrique, c'est-à-dire la distance entre le satellite et la surface de la mer. Un radar, embarqué sur le satellite, émet verticalement des ondes radio, sous forme de signaux de très courtes durées. Ces signaux, qui se propagent à la vitesse de 300 000 km/s, se réfléchissent sur la surface de la mer, reviennent jusqu’au satellite et sont détectés par l’antenne du radar. La durée mise par un signal radio pour faire l’aller-retour permet de déterminer la distance altimétrique.

Question 4 (8 points)

Déterminer la valeur de la distance altimétrique mesurée par le satellite Sentinel-6A lorsque le signal met $8,9\ \text{ms}$ (soit $0,0089\ \text{s}$) pour effectuer l’aller-retour entre le satellite et la surface de la mer. Expliquer la démarche. Préciser la relation utilisée et commenter le résultat obtenu. Toute démarche, même partielle, sera prise en compte.