Densité, hydromètres

Longtemps utilisée pour évaluer la salinité de l’eau de mer, la mesure de sa densité doit à Archimède des équipements rustiques pouvant être mis en œuvre facilement. Pour autant elle est source de bien des erreurs à l’insu des utilisateurs trop confiants dans son apparente simplicité.

1. La densité

1.1. Pourquoi mesurer la densité ?

En effet, pourquoi la mesurer puisque les organismes marins ne « réagissent » pas directement à la densité, mais à la salinité du milieu. Cette dernière reflète la concentration ionique totale de l’eau, qui détermine la pression osmotique et conditionne l’équilibre hydrique, la régulation ionique et l’osmorégulation.

Historiquement, la densité s’est imposée avant même que la notion moderne de salinité soit normalisée : les marins, océanographes, biologistes, pouvaient comparer des eaux entre elles avec un repère reproductible. Elle s’est d’autant plus imposée qu’il n’existait pas de moyen simple, direct, fiable, et robuste en mer, de mesurer la salinité totale.
Elle permet d’en faire une estimation indirecte, suffisante tant que la composition ionique, la concentration de sels dissous (Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO4²⁻, etc.), reste proche de celle de l’eau de mer. Elle reste également représentative face aux variations mineures de la composition ionique dans un aquarium marin.

Aujourd’hui, on sait mesurer la salinité plus directement (conductivité, réfraction), mais la densité est toujours utilisée par héritage, parce qu’elle demeure suffisamment représentative pour le vivant dans la plupart des contextes.

1.2. Qu’est-ce que la densité ?

La densité (d) est  le rapport entre la masse volumique (ρ) de l’eau à tester et celle de l’eau pure de référence, une valeur sans dimension.

d : densité [sans unité],
ρ : masse volumique,
T1 : température de l’échantillon,
T2 : température du fluide de référence.

Concernant le milieu marin, c’est  le rapport entre la masse volumique (ρ) de l’eau de mer et celle de l’eau de référence.

• La température de mesure de l’eau de mer d’aquarium est généralement 20°C ou 25°C.
• Le monde scientifique s’est accordé pour définir la température de l’eau pure de référence quand sa masse volumique est maximale, c’est à dire à 3,8 °C. La MV est alors 1 g/cm³ soit 1000 g/l. L’adoption de toute autre température doit être prise en compte par le fabricant en adaptant la graduation de l’échelle de mesure pour viser la bonne salinité. C’est ainsi que l’on trouve des équipements d 20/20 ou d 25/25.

Ce tableau montre, pour une même salinité, l’impact non négligeable de la température de mesure sur la densité.

2. Les hydromètres

Les hydromètres (aréomètres, densimètres) recouvrent tous les équipements utilisant le principe d’Archimède pour la mesure de la densité d’un liquide. La densité de l’eau de mer augmentant avec sa concentration en sels, le flotteur flottera mieux.

Soyons précis : un hydromètre ne mesure rien au sens analytique, il positionne seulement un flotteur lesté immergé dans un liquide à un état d’équilibre. Bien sûr cet équilibre dépend de la masse volumique du liquide, mais seules ses graduations relient la hauteur d’immersion à une grandeur physique qui peut être selon le domaine d’utilisation : une masse volumique (ex. 1025), une densité (ex. 1,025), un degré d’alcool (ex. 10°), un degré Brix…

2.1. L’aréomètre

Il consiste en un cylindre creux, lesté et gradué, qui pénètre plus ou moins dans le liquide selon sa densité. Son fonctionnement très rustique rassure. Il faut cependant privilégier les modèles avec gros ballast, plus sensibles et dotés d’une longue échelle graduée, plus précise.

Les meilleurs aréomètres destinés au marché aquariophile annoncent une précision sur la densité à 10^-4, soit d ±0,0001. Il s’agit en fait de la résolution des graduations. La précision globale dépend d’autres facteurs tels que l’exactitude de l’appareil et la répétabilité des mesures impactée par la difficulté à visualiser la hauteur du flotteur. Toutes sources d’erreurs cumulées, pour les meilleurs appareils la précision est estimée à d ±0,0010, soit une erreur de salinité S ±1,5.

2.2. Le densimètre à aiguille

Un bras flottant pivote autour d’un axe. Plus pratique d’emploi, il est cependant plus sensible aux écarts de température, à la présence de bulles, et le frottement de l’aiguille le rend moins reproductible. La précision des meilleurs est de l’ordre de d ±0,0020 soit S ±3.
Malgré son imprécision, ce type d’appareil permet d’ajuster rapidement la salinité d’une eau d’appoint par comparaison avec l’eau du bac.

2.3. Densimètres électroniques

Pour quelques milliers d’Euros, on pourra acquérir des densimètres électroniques portables ou de paillasse mesurant la masse volumique avec une précision pouvant atteindre 0,000005 g/m³. Je ne les évoquerai pas plus

3. Mesurer la densité

3.1. Étalonnage

L’étalonnage consiste à mesurer l’écart entre la valeur fournie par l’équipement et un étalon fiable, puis exploiter cette information lors des mesures.

3.1.1. L’étalonnage est-il nécessaire ?

Les aquariophiles marins ont l’habitude de croire qu’un aréomètre est infaillible du fait de sa grande simplicité. Il n’en est rien ! Aussi rustique et rassurant soit-il, tout équipement de mesure doit être vérifié avant utilisation. Si on s’attend à peu de dérive de la part d’un aréomètre, le risque qu’il soit exact (décalé par rapport à la vérité) existe, tout comme de nombreux thermomètres à alcool basiques délivrent des températures très différentes. Il serait risqué d’ajouter un écart d’étalonnage à un appareil précis à S ±1,5.

3.1.2. Étalonner un aréomètre

Étalons du commerce

Le commerce propose des solutions étalon à salinité S35 mais en petits conditionnements, insuffisants pour plonger un aréomètre de 30 cm.

Réaliser son étalon de salinité équivalent à S35 eau de mer

Compte tenu du volume nécessaire on peut réaliser son propre étalon sans grande difficulté. Certes, il ne sera pas relié à la chaine nationale d’étalonnage, non certifié, mais pas moins que de nombreux étalons du commerce. Cela conviendra à notre besoin.

L’étalon est réalisé avec du sel de table. La norme impose au sel de table d’être pur à 97 % de chlorure de sodium (NaCl), elle est souvent supérieure. Si NaCl est très soluble, contrairement aux idées reçues il n’est pas hygroscopique et donc n’absorbe pas l’humidité. L’absorption éventuelle d’humidité ambiante est le fait des 3 % d’impuretés, essentiellement des agents antiagglomérants. L’erreur de densité résultant d’une absorption de 60 % d’humidité par ces impuretés dans une eau de densité 1,0233 serait ≈0,0005. Cela reste négligeable pour notre besoin, même s’il peut y avoir un peu d’humidité piégée dans la masse d’un sel mal conservé. En cas de doute on peut le sécher au four.

Rappelons-nous : la densité n’est destinée qu’à atteindre une salinité. L’objectif de l’étalon est ici de reproduire la densité d 25/4 d’une eau de mer de salinité S35, soit 1,0233. Cette dernière étant composée de nombreux sels (Na⁺, Cl^–, Mg²⁺, SO4₄^2-…), on ne peut pas peser 35 g du seul NaCl, la densité serait plus élevée. Il faut prendre en compte la masse molaire du NaCl, son volume partiel dissous à la température fixée. Le calcul donne 31,6 g de sel NaCl pour 968,4 g d’eau.

Préparation pour 1 kg de solution :

• Si besoin, sécher du sel de cuisine 45 mn à 140 °C et laisser refroidir dans un récipient étanche.
• Peser 31,6 g de ce sel avec une balance fiable de précision 0,1 g.
• Peser 968,4 g d’eau déminéralisée ou osmosée tempérée.
• Dissoudre le sel dans l’eau.
• Conserver cette solution dans un récipient étanche.
• Utiliser la solution étalon à 25°C.

Attention : cette solution destinée aux hydromètres a ses propres caractéristiques, différentes de celles de l’eau de mer, elle n’est pas adaptée pour étalonner un réfractomètre "eau de mer" comme le précise l’article Réfraction, réfractomètre, ni un conductimètre

3.2. Conditions de mesures, propres au matériel

Les hydromètres de qualité sont calibrés pour une température T1, souvent 20 °C ou 25 °C, et avec une eau de référence à température T2, 4 °C, 20°C ou 25°C. Elles sont alors affichées sur l’appareil sous la forme d T1/T2. Ces informations sont indispensables pour exploiter les résultats.

Par exemple D 25/4 :

• 25 : température de mesure 25°C. Toute mesure s’écartant notablement de celle-ci impose une correction.
• 4 : température de l’eau douce de référence 4°C.

3.3. Mesurer avec l’aréomètre

3.3.1. Lecture de la graduation

La principale erreur de mesure d’un aréomètre relève de la difficulté à apprécier le niveau d’eau sur l’échelle graduée. La mesure se réalise dans une éprouvette, en dehors de l’aquarium, de manière à éliminer les mouvements de surface. Le niveau à hauteur des yeux, on lit alors la valeur en bas du ménisque.

3.3.2. Compenser la température

Chaque équipement est conçu pour une température d’utilisation. S’en écarter de plus de 4°C nécessite de corriger la valeur lue.

Le Convertisseur de salinité permet de calculer directement la salinité obtenue selon la densité et la température. L’abaque ci-dessous précise les valeurs dans des situations courantes. Certains aréomètres tels que le modèle JBL sg 25/4 (ci-contre) disposent d’une correction intégrée.

Exemple du modèle JBL sg 25/4. Calibré pour une utilisation à 25 °C il dispose d’une échelle graduée et d’un thermomètre. Le sommet de la colonne d’alcool indique la température. La plage verte détermine la plage de température à l’intérieur de laquelle il n’est pas nécessaire de compenser. En dehors de celle-ci il convient d’augmenter (+) ou réduire (-) la valeur lue. Par exemple : supposons que l’équipement indique une masse volumique 1024 kg/m³. Si, colonne de gauche, la température affiche 20°C, alors réduire (-) la valeur de la MV d’une unité, soit 1024 – 1 = 1023 kg/m³. Cet appareil étant calibré par rapport à une eau à 4 °C , la densité réelle est 1,023. Il suffit de vérifier la salinité correspondant dans le tableau qui suit, soit S36, ou le convertisseur.

3.4. Comparer des résultats… en salinité

La densité variant avec la température de mesure, il est nécessaire de l’annoncer pour toute comparaison. En aquariophilie il est d’usage de se référer à 25°C. Ceci dit, afin d’éviter définitivement tout quiproquo, il est préférable de convertir la densité en salinité, une caractéristique universelle qui permet, de plus, de converser avec les adeptes du réfractomètre ou d’autres moyens plus évolués.

3.5. Attention aux erreurs !

Une source d’erreur fréquente est l’exploitation des termes anglais, de faux amis qui prêtent à confusion. Le tableau qui suit met en évidence les différences entre les appellations, les unités et l’expression des unités (point et virgules). Les mots, les points et virgules ont leur signification.

• Le terme "densité" est parfois employé incorrectement à la place de "masse volumique". Une densité de 1026 ne serait plausible que sur une planète d’une densité extrême, qui reste à découvrir. Si l’équipement est d 25/4 (aréomètre JBL, Tropic Marin…) on peut aisément et sans erreur la transposer en densité 1,026.

• L’expression "densité relative" n’existe pas en français. C’est tout simplement la densité. Probablement une mauvaise traduction de la specific gravity (SG) anglaise.
• La lettre grecque ρ (rho) exprime la masse volumique. Pourtant dans je ne sais quel esprit machiavélique, des professionnels utilisent la lettre d, comme densité.

• La densité océanographique est la masse volumique d’une eau dans des conditions spécifiques de salinité, température et pression : ρ = ρ(S, T, P). Un terme utilisé par convention, sans rapport avec notre densité. La densité océanographique de l’eau de mer de salinité S35
  à 25°C et à pression atmosphérique est 1023 kg/m³.

La mesure de la densité, apparemment simple, souffre dans le monde de l’aquariophilie marine d’une succession d’approximations (équipement, méthode, exploitation des résultats) à l’origine de grandes confusions. Situation regrettable pour une caractéristique essentielle. Il est temps de tendre vers une expression commune, sans ambiguïté : la salinité.

4. Quelle densité cibler pour mon aquarium ?

C’est une question récurrente de la part des aquariophiles débutants… ou pas. Elle est d’autant plus justifiée qu’un même objectif de salinité S35 peut être atteint avec des valeurs différentes selon l’appareil de mesure.

Notre unique objectif est de reproduire la salinité à laquelle nos pensionnaires se sont adaptés durant quelques millénaires. La densité vise donc à reproduire celle de leur écosystème, de leur océan d’origine (tableau ci-contre). Ce thème est abordé dans l’article Salinité.

Si les biologistes ont depuis bien longtemps abandonné toute notion de densité au profit de la salinité, le monde aquariophile s’accroche encore à cette dernière sans l’avoir jamais codifiée. Ainsi le commerce propose des appareils calibrés pour des mesures à des températures différentes : souvent 25°C pour les hydromètres et 20°C pour les réfractomètres, la température des eaux douces de référence sont également différentes : 4°C, 20° ou 25°C. Malheureusement les fabricants ne précisent pas toujours clairement le mode de calibrage sous la forme d’un ratio D T₁/T₂. On se trouve confronté à plusieurs situations :

• Le fabricant précise d25/4, d20/4, d20/20 ou d25/25…) : pas d’ambiguïté, on choisit la valeur cible dans le tableau ci-dessous. C’est par exemple le cas des hydromètres JBL et Tropic marin calibrés à d25/4.
• Le fabricant ne précise que la température d’utilisation (ex. 25°C) :
  • Matériel de laboratoire : L’appareil précise systématiquement la température d’utilisation souvent 20°C. Confrontés à des normes (ex. ASTM E100-19 Standard Specification for ASTM Hydrometers) il sont systématiquement et implicitement calibrés par rapport à une eau douce à 4°C. Ils sont donc d20/4 ou d25/4, le tableau ci dessous s’applique.
  • Matériel pour aquariophilie : Le descriptif se limite souvent à la température d’utilisation. L’utilisateur doit il deviner le mode de calibrage adopté par le fabricant ?
    J’ai tenté de le découvrir en recalculant les valeurs de températures, salinités et densités annoncées dans les notices d’hydromètres et de sels de fabricants renommés. La situation se révèle très confuse. Les valeurs sont contradictoires entre fabricants, voire incohérentes pour un même produit. Les préconisations peuvent être de l’ordre de d25/4, tout aussi bien d25/25 et parfois s’en écartent curieusement. Cette incertitude peut entrainer une erreur trop importante de salinité jusqu’à S ±4, s’ajoutant à l’erreur de l’appareil S ±1,5… S ±5,5 est trop risqué !
    Il faut impérativement éviter ce matériel en récifal.
• Le fabricant ne précise rien : l’appareil est inexploitable.

Le tableau donne les valeurs à obtenir selon l’équipement.

Exemple d’exploitation du tableau pour obtenir une salinité S35 selon l’équipement.

• Aréomètre – Densimètre D25/4 : 1,0233.
  Selon le fabricant les graduations de l’aréomètre (ex JBL) sont en masse volumique. Pour autant il annonce D25/4, donc une densité. On peut interpréter cette information comme le ratio Masse volumique eau de mer à 25°C / Masse volumique eau douce à 4°C, soit 1023/1000 = 1,023. Pour obtenir S35, il faut donc viser 1023 g/l, soit une densité de 1,023.
• Aréomètre – Densimètre D25/25 : 1,0263.
• Aréomètre – Densimètre D20/20 : 1,0265. Il en est de même avec de nombreux réfractomètres D20/20 bien que ces équipement donnant directement la salinité, toute conversion est inutile.

En espérant que ces informations clarifient l’usage des densimètres.

En savoir plus

• Propriétés physiques du milieu marin Cours de l’Institut des Sciences de l’Ingénieur de Toulon et du Var
• Calcul de la densité de l’e au de mer
• IES80 : équation d’état de l’eau de mer
• Algorithms for computation of fundamental properties of seawater UNESCO Technical paper in marine science
• Final report comparison of the calibrations of hydrometers for liquid density determination among SIM laboratories, SIM.M.D-S6 Centro Nacional de Metrología, Querétaro Mexico – 09/2022

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