Modélisation de la zone d'ombre sismique

voir aussi Fiche APBG n°4, 1987.

Figure 1. Matériel nécessaire

Figure 2. Coupe de la Terre

Pour simuler analogiquement ce phénomène, il suffit de prendre 2 cristallisoirs emboîtes (un grand, un petit). Le petit représentera le noyau, et l'espace entre le grand et le petit figurera le manteau. Un faisceau lumineux (laser, que l'on peut emprunter au laboratoire de physique, sinon on peut prendre une flèche lumineuse) simule un rai sismique, qui part d'un point de la paroi externe du grand cristallisoir (foyer sismique). En faisant tourner le laser autour d'un axe fixe, on peut faire varier l'incidence du rai par rapport à la surface. On met un liquide opaque (du lait ou du bleu de méthylène, qui arrête le faisceau lumineux) dans le cristallisoir central...

Figure 3. Mise en place du dispositif

Figure 4. Le cristallisoir central

On peut, avec les mêmes cristallisoirs et le même laser que précédemment, essayer de reconstituer la zone d'ombre angulaire, en remplaçant le manteau (contenu du cristallisoir externe) et le noyau (contenu du cristallisoir interne) par des fluides, respectivement de la fumée d'encens et de l'eau mélangée avec une goutte de lait ou du liquide vaisselle, afin qu'elle soit opalescente.

Figure 5. Mise en place du dispositif

Figure 6. Dispositif prêt

Pourquoi avoir choisi de la fumée et de l'eau ?

En effet, pour qu'il y ait réfraction, il faut que la vitesse des ondes varie dans les milieux traversés. Dans l'air, la lumière se propage à la vitesse de 300 000 km/s ; dans l'eau à 220 000 km/s seulement. C'est pourquoi nous avons choisi ces deux fluides. Vous pouvez également essayer de mettre de l'air enfumé au centre et de l'eau en périphérie avec le dispositif cristallisoirs/laser...

En faisant tourner le laser autour de son axe fixe, on fait varier l'incidence du rai par rapport à la surface. On constate qu'il y a derrière le cristallisoir central, rempli d'un liquide opaque, une zone où le rayon n'arrive plus : c'est donc ici une analogie de la zone d'ombre des ondes S : on montre que le noyau arrête les ondes S.

Figure 7. Mise en place du laser

Figure 8. Laser, dispositif et fond pour repérer la sortie

Figure 9. Le laser en fonction (point rouge)

Avec le dispositif cristallisoirs-laser, en faisant varier l'incidence du rai par rapport à la surface, on observe une zone d'ombre angulaire (l'eau est au centre et l'air en périphérie), ressemblant à la zone d'ombre des ondes P. Vous pourrez vérifier que l'on n'observe pas de zone d'ombre similaire en mettant l'air au centre et l'eau en périphérie. La deviation des ondes P par le noyau indique donc que ces ondes se propagent moins vite dans cette enveloppe que dans le manteau !

Figure 10. Traversée du seul "manteau"

Figure 11. Zone d'ombre mise en évidence lors du passage dans le "noyau"