De l’énergie dans les tornades

Aujourd’hui : une expérience pour reproduire et comprendre ce qu’est une cellule de convection, le processus derrière la formation d’un ouragan.

La semaine passée, on a réalisé un montage constitué de deux bouteilles afin de récréer un tourbillon, semblable à une tornade qui peut se produire dans l’atmosphère. A une différence près : le tourbillon et la tornade sont tous deux des vortex (« écoulement tourbillonnaire où les particules fluides tournent autour d’un axe instantané », merci wikipédia). Euh oui, c’est un point commun… La différence donc est que notre tourbillon, même s’il a la superbe forme des tornades, entraîne le fluide vers le bas alors que la tornade « aspire » l’air autour de son œil vers le haut.

Bon, je te vois commencer à bailler… Alors un schéma vaut mieux qu’un longue explication :

Quelles infos sortir de cette illustration ?
Lorsqu’une tornade est formée, de l’air chaud, moins dense que l’atmosphère ambiante monte en tourbillonnant et une fois en altitude, cet air chaud se refroidit, et, puisque devenu plus dense que l’atmosphère ambiante, redescend.
Une fois redescendues, ces mêmes masses d’air peuvent aller à nouveau au centre de la tornade, aspirées par le flux ascendant – qui monte –  et tourbillonnant. Cet air qui monte et qui redescend et qui remonte et qui redescend et qui remonte (oui, bon, tu as compris) décrit une sorte de boucle, on appelle cette boucle une cellule de convection. Une expérience expliquant ce processus avait déjà été expliqué dans Les expériences autour de l’eau 2 (Le retour).

Et donc voilà, tu sais où je veux en venir : je te propose de reconstituer une cellule de convection dans un fluide – de l’eau – et de jouer avec le chaud, le froid et des colorants alimentaires :

Pour ça, tu auras besoin de mettre de l’eau mélangée à un colorant bleu au congélateur. Quelques heures plus tard, tu auras des glaçons bleus !

Oui, bon, tu t’en doutais.
Pendant que l’eau se glace dans le congélateur, tu dois te procurer un petit récipient, comme une petite boîte en plastique de bonbons de marque assez connue. Tu remplis cette boîte d’eau colorée en rouge.
Dans une casserole, tu feras chauffer un peu d’eau. Quand l’eau sera chaude dans la casserole, tu y placeras la boîte remplie d’eau rouge afin de la chauffer sans la brusquer. Ce procédé s’appelle un Bain-Marie, fais-toi aider par un adulte si nécessaire pour cette partie :

Tu auras remarqué que l’on respecte un code couleur précis : bleu = froid ; rouge = chaud.

Une fois que tu as tes glaçons bleus, et ton eau chaude rouge dans ton récipient, tu remplis un aquarium d’eau du robinet. Place ton récipient d’eau chaude au fond de l’aquarium (tu devras peut-être le lester, y rajouter de la masse sinon il risque de remonter à la surface. Pour ma part, j’y ai enroulé un peu de fil de fer) :

Alors, tu as vu ! Le fluide chaud, coloré en rouge monte vers la surface ! Mais pas le temps de s’extasier, tu dois placer tes glaçons bleus à la surface de l’eau (pas de panique, les glaçons flottent… Mais oui, je sais que tu le sais) :

Tu ne tarderas pas à observer le résultat : le liquide froid, bleu, descend. Mais encore plus impressionnant : le liquide chaud, qui est remonté en surface, une fois en contact avec le liquide froid issu du glaçon se met lui aussi à descendre ! Si tu suis des yeux la suite du trajet des liquides colorés dans l’aquarium, tu verras qu’ils se dirigent, en partie, à nouveau vers la source d’air chaud ! Tu as recréé, modélisé, une cellule convective. Bravo !

Sur le Gif précédent, tu remarqueras que la couleur « chaude » se retrouve en plus grande quantité à gauche de l’aquarium, là où le fluide est plus froid et donc descendant.

Alors, évidemment, tu n’as pas eu peur de te salir les mains ! Tu n’as reculé devant rien pour la science.

Tu dois imaginer, avec les dernières tornades, qu’elles pouvaient avoir la taille de toute la surface de la France dans le cas d’Irma au moment où elle est montée en catégorie 5 ! Et l’air chaud se refroidit à une altitude de 15.000 mètres ! Les échanges d’énergie et les masses d’air mises en jeu sont énormes !
Allez, va te laver les main et viens ensuite regarder cette dernière vidéo :

Merci pour ta lecture et à bientôt !

Auteur :
Eric Leeuwerck du blog Rock’n Science