Les modèles en boîtes
L’océan est un objet vaste et complexe qu’il serait illusoire de prétendre décrire et
comprendre dans ses moindres détails. Il est cependant nécessaire de tester l’état de nos
connaissances en faisant des représentations schématiques : les modèles. Ces représentations
sont volontairement simplifiées afin d’étudier particulièrement un aspect de l’océan. Dans
un premier temps, un modèle permet de vérifier l’état de nos connaissances : arrive-t-on à
boucler le bilan d’un traceur ou bien est-il nécessaire d’invoquer un processus nouveau pour
expliquer les observations ? Une fois le modèle ajusté à nos connaissances, on peut l’utiliser
pour essayer de prévoir l’évolution de l’océan dans le futur ou de le reconstituer dans le passé.
On représente l’océan comme une usine chimique et biologique qui reçoit des réactifs
de différentes origines (continent, atmosphère et volcanisme sous-marin). Ces réactifs
sont transportés par les courants et les particules marines et ils participent à des réactions
chimiques et biologiques. On obtient à la sortie de l’usine des produits de nature différente
des réactifs initiaux. Au-delà de cette image, on utilise la même démarche que celle suivie
dans l’étude d’un réacteur chimique industriel en représentant l’océan sous la forme d’une
boîte à laquelle on applique le principe de conservation de la matière énoncé par Lavoisier il
y a plus de deux siècles : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »
5.1. Modèle à une boîte
L'équation de conservation
Considérons l’équation de conservation de la matière dans le cas général d’un traceur
dans un réservoir (l’océan, une mer, une masse d’eau...). Le traceur est un élément chimique,
une molécule, un isotope dont on suit le déplacement dans l’océan.
Le réservoir de volume Vcontient une concentration moyenne C du traceur (Figure 5.1).
On suppose que C est uniforme dans le réservoir, c’est-à-dire que le réservoir est bien
mélangé. Le réservoir est traversé par un courant marin de débit F. Dans un souci de simplicité pour cet exemple, nous supposerons que les quantités d’eau entrant et sortant à chaque
instant du réservoir sont identiques et constantes au cours du temps, si bien que la quantité
d’eau dans le réservoir est constante. Ce courant transporte avec lui le traceur. L’eau entrant
dans le réservoir a une concentration C. L’eau sortant du réservoir a une concentration
e
L’océan est un objet vaste et complexe qu’il serait illusoire de prétendre décrire et
comprendre dans ses moindres détails. Il est cependant nécessaire de tester l’état de nos
connaissances en faisant des représentations schématiques : les modèles. Ces représentations
sont volontairement simplifiées afin d’étudier particulièrement un aspect de l’océan. Dans
un premier temps, un modèle permet de vérifier l’état de nos connaissances : arrive-t-on à
boucler le bilan d’un traceur ou bien est-il nécessaire d’invoquer un processus nouveau pour
expliquer les observations ? Une fois le modèle ajusté à nos connaissances, on peut l’utiliser
pour essayer de prévoir l’évolution de l’océan dans le futur ou de le reconstituer dans le passé.
On représente l’océan comme une usine chimique et biologique qui reçoit des réactifs
de différentes origines (continent, atmosphère et volcanisme sous-marin). Ces réactifs
sont transportés par les courants et les particules marines et ils participent à des réactions
chimiques et biologiques. On obtient à la sortie de l’usine des produits de nature différente
des réactifs initiaux. Au-delà de cette image, on utilise la même démarche que celle suivie
dans l’étude d’un réacteur chimique industriel en représentant l’océan sous la forme d’une
boîte à laquelle on applique le principe de conservation de la matière énoncé par Lavoisier il
y a plus de deux siècles : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »
5.1. Modèle à une boîte
L'équation de conservation
Considérons l’équation de conservation de la matière dans le cas général d’un traceur
dans un réservoir (l’océan, une mer, une masse d’eau...). Le traceur est un élément chimique,
une molécule, un isotope dont on suit le déplacement dans l’océan.
Le réservoir de volume Vcontient une concentration moyenne C du traceur (Figure 5.1).
On suppose que C est uniforme dans le réservoir, c’est-à-dire que le réservoir est bien
mélangé. Le réservoir est traversé par un courant marin de débit F. Dans un souci de simplicité pour cet exemple, nous supposerons que les quantités d’eau entrant et sortant à chaque
instant du réservoir sont identiques et constantes au cours du temps, si bien que la quantité
d’eau dans le réservoir est constante. Ce courant transporte avec lui le traceur. L’eau entrant
dans le réservoir a une concentration C. L’eau sortant du réservoir a une concentration
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