II.2 Différentes expériences

Pour commencer, nous avons disposé ces matériaux légèrement inclinés (voir image) de manière à laisser s’écouler l’eau dans des caisses en plastique qui feront office de récipient. Pensant que la rosée tombait du ciel, nous avons placé l’ensemble sous un toit. En effet, cela nous permettrait de récolter uniquement la rosée créée artificiellement, à l’aide des matériaux, et non celle que nous voyons tous les matins qui se dépose sur les plantes ( ce qui s’est avéré faux par la suite ). Enfin, nous avons placé des couvercles et une plaque de bois sur les caisses pour ne pas prendre en compte la rosée produite par ces dernières.

Schéma représentant le rayonnement terrestre
Schéma représentant le rayonnement terrestre

Le lendemain, nous avons été surpris de voir l’absence d’eau sur les plaques, et dans les bacs. Nous avons donc fait diverses recherches sur le sujet, nous basant notamment sur une thèse traitant des condenseurs radiatifs, et avons découvert que le sol, en se refroidissant, perd de l’énergie sous forme de rayons infrarouges. Lorsque des nuages se trouvent dans le ciel ou qu’un toit surplombe l’expérience, les rayons infrarouges rebondissent sur ces obstacles et sont redirigés en partie vers le sol, mais aussi vers les matériaux que nous cherchions à faire refroidir. Ces derniers sont donc réchauffés par ce surplus d’énergie, et ne peuvent franchir la barre du point de rosée. On appelle cela le rayonnement terrestre.

Suite à cet échec, nous avons réalisé des recherches plus précises sur les conditions météorologiques nécessaires à la condensation de l’eau. Il faut donc :

  • une humidité relative nocturne supérieure à 80 %;
  • peu de nuage: une transparence atmosphérique N (nébulosité) < 6 (en octas, de 0 à 8);
  • un vent faible (<4m/s) : le vent augmente les échanges entre l’air et le support. Ainsi, le support est plus influencé par la température de l’air et a plus de mal à refroidir.

La deuxième expérience réalisée était cette fois-ci loin des toits et par un temps dégagé. Les matériaux de la première expérience ont produit peu ( polycarbonate et tissu ) ou pas d’eau liquide ( plaque de métal magnétique ) sauf pour la plaque de bois que nous avons utilisée comme couvercle pour le bac qui était couverte d’humidité.

Nous avons donc recommencé l’expérience en utilisant du polycarbonate et du bois recouvert d’une peinture blanche vernie. Le bois étant trop lourd, nous avons placé les matériaux à l’horizontal sur les bacs. Le temps était clair et sans vent, des conditions idéales pour la réussite de l’expérience.

Afin de mieux comprendre ce qui allait se dérouler pendant la nuit, nous avons placé deux types de capteurs près de l’expérience. Le premier est capable d’enregistrer la température et l’humidité de l’air, et calcule simultanément le point de rosée. Le second est un thermomètre possédant deux capteurs, que nous avons placé sur les surfaces, de manière à connaître avec précision la température à leur surface.

Le lendemain matin, alors que le polycarbonate était légèrement humide, le bois peint était couvert d’humidité et portait de nombreuses gouttelettes d’eau. Nous avons versé le tout dans une éprouvette graduée et il y avait environ 10 mL d’eau pour une plaque de 45cm×45cm. Voici les données captées durant l’expérience :

Graphique montrant l’évolution des températures, de l’humidité relative et du point de rosée en fonction du temps

Graphique montrant l’évolution des températures, de l’humidité relative et du point de rosée en fonction du temps

Tout d’abord, nous voyons qu’au cours de la nuit l’humidité relative est croissante. Notons au passage que cette dernière se trouve toujours au-dessus de 80%, ce qui est favorable à la formation de rosée. Les différentes températures sont quant à elles décroissantes, par conséquent, le point de rosée est lui aussi décroissant tout au long de la nuit. Aux alentours des neuf heures, le soleil se levant, l’air se réchauffe, faisant augmenter la température du point de rosée.

Nous voyons que la température de l’air se situe toujours au-dessus du point de rosée. Nous en déduisons qu’il n’y a pas eu de brouillard au cours de la nuit. Au contraire, nous voyons que les températures des matériaux à tester sont passées sous ce seuil aux alentours de 22 heures, et ce jusqu’aux alentours de 10 heures. Nous en déduisons que de la rosée a pu se former sur les plaques durant ce créneau.

Enfin, nous constatons que les températures des matériaux, ainsi que l’humidité ambiante, ont un léger décalage dû à leur réflection (les matériaux subissent moins vite les effets des rayons du soleil) : pendant un court instant, juste après le lever du soleil, la température de l’air et donc le point de rosée augmentent, mais l’air reste très humide et les matériaux très froids. Cela s’explique par le fait que les matériaux changent plus difficilement de température que l’air; ainsi ils se refroidissent et se réchauffent plus lentement que l’air. Durant ce court laps de temps, ils ont été 8°C sous le point de rosée, contre 3°C maximum durant le reste de la nuit. Nous en déduisons que la production de rosée est maximale durant le lever de soleil, entre 8 heures et 9 heures et demi dans cette expérience.

D’autres recherches nous ont révélé que le bois peint est hydrophile. Cela veut dire que la peinture est composée de molécules polaires, cela implique une interaction avec d’autres molécules polaires telles que l’eau. Ce type de support attire donc les molécules d’eau vers lui dans le but de changer sa forme.  Ainsi, plus un support est hydrophile, plus l’eau qui se trouve sur sa surface aura une forme aplatie et plus cette eau formera un film d’eau plutôt que des gouttes d’eau (on appelle ce comportement de l’eau: le mouillage).

Photo représentant le mouillage de l’eau sur du plastique
Photo représentant le mouillage de l’eau sur du plastique
Photo représentant le mouillage de l’eau colorée en jaune sur du verre
Photo représentant le mouillage de l’eau colorée en jaune sur du verre

Ce phénomène s’explique par une faible interaction entre le support et l’eau, donc l’interaction entre les molécules d’eau prend le dessus et la goutte adopte une forme ronde (cas du plastique). Au contraire, lorsque l’interaction entre support et eau est forte, les molécules sont attirées par le support et forment un film (cas du verre); cette interaction est appelée tension superficielle.

Comme énoncé précédemment (I.3 Formation de la rosée), plus l’eau se rapproche d’une forme de film, plus l’humidité relative que demande la nucléation pour former de l’eau stable (molécules d’eau qui se lient entre elles) est faible. Ainsi, plus un support est hydrophile, plus l’humidité relative nécessaire sera faible. Une gouttelette peut nécessiter 150% d’humidité relative alors que le film d’eau va en nécessiter un peu plus de 100%. Le support facilite également le ruissellement du film d’eau. Le bois peint, grâce à sa forte émissivité infrarouge et à son hydrophilie est donc un matériau idéal pour la récolte d’humidité.

Nous avons alors décidé de renouveler l’expérience afin d’avoir des résultats en plus grand nombre, avec cette fois-ci la plaque de métal et le tissu. Voici ce qu’ont enregistré les capteurs :

Graphique montrant l’évolution des températures, de l’humidité relative et du point de rosée en fonction du temps

Graphique montrant l’évolution des températures, de l’humidité relative et du point de rosée en fonction du temps

Nous observons un comportement similaire par rapport au graphique précédent des courbes de température et d’humidité. La température de la plaque de métal ayant plus diminué au cours de la nuit, la production en eau liquide aurait dû être supérieure sur ce matériau. Or, les deux surfaces ne comportaient pas de gouttelette mais un peu de givre sur la plaque de métal. Nous avons alors remarqué que les températures des deux matériaux sont passées sous la barre de 0°C. Nous en avons déduit que si la température des matériaux se situe en dessous de 0°C, la rosée gèle sur le support et forme du givre.

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