Sujet du brevet 2023 de sciences — Pays du groupe 1 (Série générale) — Physique-chimie, Sciences de la vie et de la Terre

Partie A – L'incendie (10 points)

1. La formule chimique C₆H₁₀O₅ contient 6 atomes de carbone (C), 10 atomes d'hydrogène (H) et 5 atomes d'oxygène (O). Le chiffre écrit en indice, à droite du symbole d'un atome, donne le nombre de ces atomes dans la formule.

2. La combustion de la cellulose est une transformation chimique. En effet, des espèces chimiques disparaissent (les réactifs : la cellulose et le dioxygène) et de nouvelles espèces chimiques apparaissent (les produits : le dioxyde de carbone et l'eau), comme le montre l'équation de réaction. Lors d'une transformation physique (changement d'état, dissolution), les espèces chimiques resteraient les mêmes.

3. D'après l'équation de réaction C₆H₁₀O₅ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 5 H₂O, la combustion du bois produit du dioxyde de carbone (CO₂) et de la vapeur d'eau (H₂O à l'état gazeux). Ces deux gaz sont des gaz à effet de serre : les incendies rejettent donc des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, ce qui contribue au réchauffement climatique.

4. « Lors d'une combustion, l'énergie chimique est convertie en énergie thermique et en énergie lumineuse. » (L'ordre des deux derniers mots peut être inversé.)

L'énergie chimique est stockée dans le combustible (le bois) ; la chaleur dégagée correspond à l'énergie thermique et la lumière à l'énergie lumineuse.

Partie B – L'équipement (9 points)

5. La zone A, qui occupe environ les quatre cinquièmes du disque, correspond au diazote (N₂), qui représente environ 78 % de l'air. La zone B, environ un cinquième du disque, correspond au dioxygène (O₂), qui représente environ 21 % de l'air.

6. La zone C (environ 1 % de l'air) contient par exemple l'argon (Ar). On peut aussi citer le dioxyde de carbone (CO₂) ou la vapeur d'eau (H₂O).

7. Sur la figure 2, le seuil de brûlure au 1^er degré est la droite horizontale rouge, située à environ 44 °C. La courbe « Organisme + multicouche » coupe cette droite pour un temps d'exposition d'environ 20 minutes (lecture graphique : entre 20 et 22 min). Un pompier vêtu d'un matériau multicouche peut donc être exposé au feu pendant environ 20 minutes sans risquer une brûlure au 1^er degré.

8. La courbe « Organisme + monocouche » coupe la droite du seuil de brûlure pour un temps d'environ 10 minutes. Avec un matériau multicouche, le pompier est protégé environ 10 minutes de plus, soit environ deux fois plus longtemps qu'avec un matériau monocouche ($20÷10=2$). Le matériau multicouche protège donc beaucoup mieux de la chaleur.

Partie C – Les véhicules (6 points)

9. D'après la figure 3, l'oreille humaine entend les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz, soit entre 20 Hz et 20 000 Hz. Les deux sons de la sirène ont pour fréquences 435 Hz et 488 Hz : ces deux valeurs sont supérieures à 20 Hz et inférieures à 20 000 Hz. Les deux fréquences appartiennent au domaine audible : les deux sons de la sirène sont donc audibles par l'oreille humaine (ce ne sont ni des infrasons ni des ultrasons).

10. Le poids maximal au décollage correspond à la masse maximale totale de l'avion (avion à vide + eau). On calcule d'abord cette masse totale avec la relation entre le poids et la masse :

$$P=m\times g$$

donc

$$m=\frac{P}{g}$$

$$m=\frac{180000}{10}=18000$$

La masse maximale totale de l'avion au décollage est donc de 18 000 kg.

La masse maximale d'eau est la différence entre cette masse totale et la masse à vide :

$$m_e=m-m_v=18000-13000=5000$$

L'avion bombardier d'eau peut embarquer au maximum $m_e$ = 5 000 kg d'eau, soit 5 tonnes (environ 5 000 litres, puisqu'un litre d'eau a une masse de 1 kg).

Question 1. D'après le document 1 :

• en l'absence d'El Niño, il y a des pluies abondantes en Australie et une sécheresse au Pérou ;
• avec El Niño, la situation s'inverse : c'est la sécheresse en Australie et des pluies abondantes au Pérou.

Le phénomène El Niño inverse donc la répartition des précipitations de part et d'autre de l'océan Pacifique : l'Australie devient sèche et le Pérou devient pluvieux.

Question 2. C'est l'image 2b (décembre 1997) qui correspond au phénomène El Niño.

Je vois dans le document 1 que, lors d'El Niño, les alizés ralentissent : ils ne poussent plus l'eau de surface vers l'ouest, la remontée d'eau froide au large du Pérou s'arrête et l'on observe un réchauffement de l'eau le long des côtes du Pérou.

Je vois dans le document 2 que l'image 2b présente une large zone hachurée le long de l'équateur, qui s'étend du centre de l'océan Pacifique jusqu'aux côtes du Pérou. D'après l'échelle, les hachures correspondent à un écart de température à la normale d'environ + 4 °C : l'eau de surface y est donc bien plus chaude que d'habitude. Sur l'image 2a (décembre 1993), cette zone n'existe pas : les températures au large du Pérou sont proches de la normale.

J'en conclus que l'image 2b montre le réchauffement anormal des eaux de surface près des côtes du Pérou décrit dans le document 1 : elle correspond au phénomène El Niño. L'image 2a correspond à une situation sans El Niño.

Question 3.

3.a La quantité de nutriments est globalement inférieure en présence d'El Niño qu'en l'absence d'El Niño. En effet, sans El Niño, elle atteint la valeur 1 (unité arbitraire) près de la côte, alors qu'avec El Niño elle ne dépasse pas environ 0,3 et reste faible sur toute la distance.

3.b La quantité de nutriments et la quantité de phytoplancton varient globalement dans le même sens. Sans El Niño, les deux courbes présentent des pics vers 90 km et 150 km de la côte, puis diminuent ensemble jusqu'à presque 0 vers 250 km. Avec El Niño, les deux quantités sont faibles en même temps.

3.c Lorsque l'on s'éloigne des côtes, la quantité de nutriments diminue : elle est maximale près de la côte (valeur 1 sans El Niño) et devient presque nulle à partir d'environ 200 km, avec ou sans El Niño.

Question 4.

Je vois dans le document 5 que l'upwelling est un courant d'eaux profondes qui fait remonter la matière minérale des fonds océaniques vers la surface, et que ce courant diminue ou disparaît lorsqu'El Niño est présent (c'est la « remontée d'eau froide » du document 1).

Je vois dans le document 4 que les anchois appartiennent à la chaîne alimentaire phytoplancton → zooplancton → anchois : les anchois mangent le zooplancton, qui mange le phytoplancton. Le phytoplancton fabrique sa matière par photosynthèse en utilisant de la matière minérale, « indispensable à leur croissance ».

Je sais que le phytoplancton est un producteur primaire : il est à la base de la chaîne alimentaire, et tous les êtres vivants qui suivent dépendent de lui pour se nourrir.

J'en conclus que lors d'El Niño, l'upwelling diminue ou disparaît au large du Pérou : moins de matière minérale remonte vers la surface. Le phytoplancton, privé de cette matière minérale, se développe moins (le document 3 montre d'ailleurs moins de nutriments et moins de phytoplancton en présence d'El Niño). Le zooplancton, qui se nourrit de phytoplancton, devient moins abondant à son tour, et les anchois, qui mangent le zooplancton, manquent de nourriture : leurs populations diminuent. Les pêcheurs péruviens capturent donc moins d'anchois, ce qui touche une partie importante de l'économie du Pérou.