Concepts clés
Physique
Météo
Air
Pression atmosphérique

Introduction
Avez-vous déjà regardé une prévision météo à la télévision? Si c’est le cas, vous avez peut-être remarqué que les lettres « H » et « L » se déplacent sur la carte météo. On parle souvent de zones de « haute pression » (H) et de  » basse pression » (L). La pression dont ils parlent est la pression atmosphérique. Les changements de pression atmosphérique peuvent prévoir des changements météorologiques à court terme. Mais comment savoir si la pression de l’air change — ou si elle est élevée ou faible? Les scientifiques ont mis au point un instrument appelé baromètre capable de mesurer la pression atmosphérique. Dans cette activité, vous découvrirez comment fonctionne un baromètre en en construisant un vous-même!

Contexte
La Terre est entourée d’une couche d’air appelée atmosphère. L’atmosphère est d’environ 300 miles d’épaisseur, et la majeure partie se trouve à moins de 10 miles de la surface de la Terre. L’air est composé de molécules de gaz telles que l’azote, l’oxygène et le dioxyde de carbone. Toutes ces molécules se pressent sur la terre, et cette pression est appelée pression atmosphérique ou pression atmosphérique.

Vous pourriez être surpris d’apprendre que l’air a un poids, bien que vous ne le sentiez pas. Nous avons évolué pour que la pression à l’intérieur de notre corps corresponde à la pression atmosphérique externe. Vous êtes cependant capable de ressentir les changements de pression atmosphérique. Par exemple, si vous volez dans un avion, vos oreilles pourraient commencer à vous faire mal. En effet, à haute altitude, votre pression interne est supérieure à la pression externe. Ce n’est que lorsque vous équilibrez les deux pressions en faisant « éclater » vos oreilles qu’elles cesseront de faire mal.

La pression atmosphérique est la plus élevée au niveau de la mer et diminue lorsque vous montez dans l’atmosphère. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique normale varie de 800 à 1050 millibars. Au sommet du mont Everest, la pression atmosphérique est d’environ 30% inférieure! La pression de l’air change avec l’altitude et avec la température. L’air chaud, qui est moins dense, monte et entraîne une pression d’air plus faible. Quand il se lève, il se refroidit et se transforme en vapeur d’eau, qui se condense ensuite en liquide. Cela conduit à la formation de nuages et à la pluie. La basse pression est donc généralement associée à un temps nuageux et pluvieux. D’autre part, l’air froid à haute densité entraîne une augmentation de la pression atmosphérique. Lorsque l’air froid coule, il sèche, provoquant des conditions météorologiques chaudes et sèches dans les zones à haute pression.

Maintenant que nous savons comment la pression de l’air peut aider à prédire le temps, nous devons encore savoir comment mesurer la pression de l’air. Pour ce faire, les scientifiques ont développé le baromètre. De nombreux types de baromètres existent. L’un d’eux est le baromètre à base d’eau: l’eau est scellée dans un récipient en verre avec un bec étroit reliant l’extérieur à l’intérieur. Lorsque la pression de l’air extérieur augmente, elle pousse sur l’eau dans le bec, ce qui entraîne une diminution du niveau d’eau. Lorsque moins d’air (pression d’air plus basse) pousse sur l’eau à l’intérieur du bec, le niveau d’eau augmente. Dans cette activité, vous allez construire une variation de ce baromètre. Pensez-vous qu’il peut prédire la météo de demain?

Materials

• Heat-resistant glass jar
• Rubber band that fits around the mouth of the glass jar
• Balloon
• Wooden skewer
• Scissors
• Tape
• Paper
• Pen
• Three bowls
• Tap water (hot and cold)
• Ice cubes
• Paper serviettes

Préparation

• Coupez et jetez l’ouverture du ballon, puis étirez le morceau de ballon restant autour de l’ouverture du bocal en verre, en l’enveloppant hermétiquement.
• Fixez le ballon au pot avec l’élastique.
• Collez l’extrémité de la brochette en bois à plat sur le dessus du ballon avec la pointe pointue pointant loin du pot.
• Remplissez le premier bol d’eau à température ambiante, le deuxième bol d’eau chaude du robinet (faites attention à l’eau chaude, et demandez l’aide d’un adulte si nécessaire) et le troisième bol d’eau glacée.
• Placez votre baromètre près d’un mur avec la brochette parallèle au mur.
• Collez un morceau de papier derrière le baromètre sur le mur.
• Tracez une ligne sur le papier qui s’aligne avec la pointe de la brochette.
• Marque la position où le baromètre est placé. Vous devrez le placer au même endroit plus tard pendant l’activité.

Procédure

• Prenez le baromètre et placez le bocal en verre dans le bol avec l’eau chaude. L’eau ne doit pas dépasser l’élastique. Qu’observez-vous du baromètre ? Remarquez-vous des changements? Si oui, quel genre de changements?
• Après une minute, sortez le baromètre de l’eau, séchez-le rapidement et placez-le au même endroit près du mur où vous avez attaché le papier. Faites une autre ligne sur le papier pour qu’il s’aligne avec la pointe pointue de la brochette. Où pointe le pourboire maintenant? Comment le baromètre a-t-il changé ?
• Placez le baromètre dans le bol avec de l’eau à température ambiante. Observez à nouveau ce qui se passe. Gardez-le dans le bol pendant environ 10 minutes. Après 10 minutes, en quoi le baromètre est-il différent d’avant?
• Après 10 minutes, remettez le baromètre à sa place près du mur et tracez une autre ligne sur le papier où pointe la brochette. Que remarquez-vous cette fois?
• Placez ensuite le baromètre dans le bol avec de l’eau glacée pendant environ une minute. Qu’arrive-t-il au baromètre dans l’eau glacée? Quelles différences remarquez-vous?
• Placez à nouveau le baromètre devant votre graphique en papier et tracez une autre ligne à l’endroit où pointe la brochette. Pouvez-vous expliquer vos observations ?
• Placez le baromètre dans le bol avec de l’eau à température ambiante et répétez les étapes une fois de plus. Où pointe la pointe de la brochette cette fois-ci? Pourquoi?
• Extra: Répétez vos tests avec différentes températures d’eau. Comment vos résultats changent-ils avec les autres températures de l’eau?
• Extra: Sortez votre baromètre à l’extérieur pour mesurer la pression atmosphérique. Dessinez une échelle qui ressemble à une règle sur un autre morceau de papier. Placez ensuite le graphique à côté du baromètre de sorte que la ligne médiane soit alignée avec la pointe de la brochette. Laissez le baromètre à l’extérieur pendant plusieurs jours et marquez chaque jour où la brochette pointe. Qu’est-ce que cela signifie lorsque la pointe se déplace vers le haut ou vers le bas sur votre balance?

Observations et résultats
Avez-vous pu mesurer le changement de pression de l’air avec votre baromètre ? Dans cette activité, vous avez mesuré les changements de pression atmosphérique à l’intérieur du bocal en verre — et non les changements de pression atmosphérique externe. Comme nous ne pouvons pas modifier nous-mêmes la pression atmosphérique externe, nous avons modifié la pression de l’air à l’intérieur du bocal en verre pour démontrer le fonctionnement du baromètre à ballon.

Lorsque vous scellez le bocal en verre avec le ballon, il y a une certaine pression d’air à l’intérieur du bocal en verre. La pointe de la brochette en bois doit être assez au niveau du haut du bocal en verre car la surface du ballon est très plate. Cependant, lorsque vous mettez le bocal en verre dans l’eau chaude, l’air à l’intérieur du bocal se réchauffe et se dilate. Comme le pot est scellé avec le ballon, il n’a nulle part où s’échapper — et le ballon commence à gonfler. En effet, la pression de l’air à l’intérieur du verre augmente et appuie sur le ballon. En conséquence, la brochette en bois pointe vers le bas. La ligne que vous avez créée doit être en dessous de la ligne d’origine.

Lorsque vous mettez le ballon dans de l’eau à température ambiante, l’air se refroidit à la température ambiante où il était auparavant, de sorte que votre ballon devrait redevenir plat. En même temps, la brochette en bois doit s’aligner sur votre ligne d’origine. Le contraire se produit lorsque vous mettez le bocal en verre dans de l’eau glacée. Lorsque l’air à l’intérieur du pot se refroidit encore plus, il se contracte et tire le ballon dans le pot. Cela fait pointer la brochette en bois vers le haut. La ligne que vous avez faite pour l’eau glacée devrait être au-dessus de votre ligne d’origine. De retour à l’eau à température ambiante, le ballon et la brochette en bois devraient retrouver leurs positions d’origine.

Si vous mesurez la pression de l’air extérieur avec votre baromètre, l’inverse se produira: la brochette pointera vers le haut avec une augmentation de la pression atmosphérique lorsque l’air extérieur du pot poussera sur le ballon. Avec la chute de la pression atmosphérique, la brochette en bois pointera vers le bas. Marquer l’emplacement de la brochette en bois tous les jours peut vous dire à quel type de temps s’attendre!

Plus à explorer
Qu’est-ce que La Pression atmosphérique?, de la NASA
Science qui change de taille: Comment les Gaz Se Contractent et se Dilatent, de Scientific American
Aspirez—le – avec de l’Air de refroidissement!, de Scientific American
Activités scientifiques pour tous les Âges!, de Science Buddies

Cette activité vous est proposée en partenariat avec Science Buddies