Modélisation de la zone d'ombre sismique

Michèle Barbier

ENS-Lyon

Gilles Montagnac

ENS-Lyon

Pierre Thomas

ENS-Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

02/02/2001

Résumé

Idée d'expérience pour modéliser la zone d'ombre sismique due au noyau.


Texte et conseils méthodologiques : Pierre Thomas. Réalisation technique : Gilles Montagnac, Michèle Barbier, Benoît Urgelli.

Introduction

Les mesures sismiques globales montrent qu'il existe une zone d'ombre sismique pour les ondes S « derrière » le noyau, pour toutes les stations se trouvant à plus de 105° du foyer. Les ondes S, qui sont des ondes de cisaillement, sont arrêtées par le noyau. La zone d'ombre des ondes P existe aussi mais elle est plus particulière : on reçoit les ondes P « derrière » le noyau, mais pas sur une couronne entre 105° et 142° du foyer (zone d'ombre angulaire).

Comment simuler analogiquement ce phénomène ?

Disposition et matériel pour la modélisation

Matériel nécessaire

  • Un grand et un petit cristallisoir (18 et 10 cm)
  • Film plastique ou plaque de verre pour recouvrir le grand cristallisoir
  • Eau savonneuse ou du lait pour l'opalescence de la solution
  • Un bâton d'encens pour enfumer le cristallisoir
  • Un laser monté sur un dispositif en bois lui permettant de pivoter autour d'un axe fixe

voir aussi Fiche APBG n°4, 1987.

Modélisation de la zone d'ombre pour les ondes S

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...

Modélisation de la zone d'ombre pour les ondes P

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.

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...

Observations

zone d'ombre pour les ondes S

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.

zone d'ombre pour les ondes P


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 !

Vidéo de la modélisation analogique