TP2 Ondes sismiques et structure interne du globe En 1912, le sismologue allemand Beno Gutenberg est le premier à détecter une discontinuité entre le manteau inférieur et le noyau externe de la Terre à laquelle on a donné le nom de Discontinuité de Gutenberg. On cherche à montrer comment l étude de la propagation des ondes sismiques a permis de mettre en évidence l'existence d'un noyau. Doc.1 : Propagation des ondes P en fonction du milieu La vitesse des ondes P dépend de la nature et de l'état physique (solide ou liquide) du milieu traversé. Le changement de milieu provoque : - une réfraction importante, c'est-à-dire une déviation, - un changement brutal de vitesse (accélération ou ralentissement) appelé saut de vitesse. Ressources Doc.2 : Enregistrement d'un séisme par des stations éloignées de l'épicentre Des stations très éloignées de l'épicentre d'un séisme peuvent enregistrer l'arrivée des ondes P (t). Le séisme étant localisé, la distance épicentrale (d) est donc connue. Ces stations reçoivent donc les ondes P ayant traversé l'intérieur du globe. Il est possible de calculer la profondeur maximale atteinte (h) par les ondes P. Doc.3 : Distance épicentrale angulaire et rai incident La Terre est ramenée à une sphère de rayon 6378 km. La distance épicentrale angulaire et le rai incident sont des angles toujours exprimés en degrés. Matériel Logiciel Sismolog et sismogrammes d'un séisme pour des stations éloignées. Logiciel LibreOffice.calc Logiciel Zombre 1. Proposer une démarche d'investigation permettant de montrer l'existence d'un noyau. 2. Réaliser les protocoles fournis de façon à positionner le noyau. 3. Présenter les résultats en situant sur les documents fournis le noyau. 4. Exploiter l'ensemble des résultats : - justifier la présence du noyau - donner la profondeur et le diamètre du noyau.
Matériel Logiciel Sismolog Logiciel LibreOffice.calc : SVT/SVT_Fichiers/Tableur/Noyau.ods FICHE TECHNIQUE : Mise en évidence du noyau Mise en évidence d'un saut de vitesse Protocole Avec Sismolog (Modèle Terre puis Assemblage) afficher les traces (=sismogrammes) des 32 stations situées à des distances croissantes de l épicentre. NB. L'heure absolue affichée en haut à droite de la trace est exprimée en minutes : secondes. Précisions : Conversion degrés radians =degrés*3,1416/180 Distance parcourue en km =2*6378*SIN(angle en radians/2) Profondeur maximale atteinte en km =6378-RACINE(6378^2-(Distance parcourue en km/2)^2) Compléter le fichier «Noyau.ods» de façon à tracer le graphe «Vitesse Ondes P en fonction de la profondeur maximale» Appeler pour vérification. Mise en évidence de la zone d'ombre Logiciel Zombre Matériel Protocole Il existe une zone d ombre, toujours positionnée de la même façon par rapport à l épicentre d un séisme, dans laquelle les ondes sismiques ne sont pas reçues. L entrée dans la zone d ombre correspond au rai émergent non dévié touchant le noyau. La sortie de la zone d ombre correspond au rai émergent dévié ressortant le plus près de l entrée. Déterminer l entrée et la sortie de la zone d ombre. Appeler pour vérification. Montrer que, quel que soit l'épicentre du séisme, la zone d ombre ne dépend que de la présence du noyau. Appeler pour vérification. Montrer que la zone d'ombre dépend de la taille du noyau. Appeler pour vérification. Montrer que la zone d'ombre dépend des propriétés physico-chimiques du noyau par rapport au manteau. Appeler pour vérification.
AIDE : Mise en évidence d'un saut de vitesse Avec Sismolog, on peut déterminer le temps mis par les ondes P pour parcourir le distance de l'épicentre à la station. Il faut convertir ce temps en secondes. Il faut ensuite calculer dans une autre colonne la distance parcourue après avoir converti l'angle en radians. Pour cela, il faut écrire la formule permettant d'obtenir la distance parcourue dans la cellule de la première station, puis recopier cette formule pour les autres stations. Il faut ensuite : - calculer dans une autre colonne la profondeur maximale atteinte. - calculer dans une autre colonne la vitesse des ondes P à partir des colonnes appropriées - tracer le graphe «Vitesse Ondes P en fonction de la profondeur maximale» en choisissant la présentation «XY (dispersion)» et «Points seuls» AIDE : Mise en évidence d'un saut de vitesse Avec Sismolog, on peut déterminer le temps mis par les ondes P pour parcourir le distance de l'épicentre à la station. Il faut convertir ce temps en secondes. Il faut ensuite calculer dans une autre colonne la distance parcourue après avoir converti l'angle en radians. Pour cela, il faut écrire la formule permettant d'obtenir la distance parcourue dans la cellule de la première station, puis recopier cette formule pour les autres stations. Il faut ensuite : - calculer dans une autre colonne la profondeur maximale atteinte. - calculer dans une autre colonne la vitesse des ondes P à partir des colonnes appropriées - tracer le graphe «Vitesse Ondes P en fonction de la profondeur maximale» en choisissant la présentation «XY (dispersion)» et «Points seuls» AIDE : Mise en évidence de la zone d'ombre Pour déterminer la zone d'ombre : - lancer une simulation en cliquant sur «Tracer» : on obtient les rais non déviés et les rais réfractés avec deux couleurs différentes - dans la liste des rais émergents, il faut repérer et marquer le premier à être dévié grâce au décalage brutal : le rai précédent est l'entrée de la zone d'ombre - dans la liste des rais émergents, il faut chercher et marquer le rai le plus proche de l'entrée : c'est la sortie de la zone d'ombre. Pour montrer que la zone d ombre ne dépend que de la présence du noyau : - réaliser différentes simulations en faisant varier la position du séisme (tous les 60 par exemple) - mesurer la zone d'ombre dans chaque cas Pour montrer que la zone d'ombre dépend de la taille du noyau : - il faut réaliser au moins 3 simulations en faisant varier la taille du noyau et mesurer à chaque fois la zone d'ombre : noyau normal, plus grand et plus petit. Pour montrer que la zone d'ombre dépend des propriétés physico-chimiques du noyau par rapport au manteau : - il faut réaliser au moins 3 simulations en faisant varier l'indice de réfraction (et donc la vitesse des ondes) du noyau et mesurer à chaque fois la zone d'ombre : noyau normal, plus dense et moins dense. AIDE : Mise en évidence de la zone d'ombre Pour déterminer la zone d'ombre : - lancer une simulation en cliquant sur «Tracer» : on obtient les rais non déviés et les rais réfractés avec deux couleurs différentes - dans la liste des rais émergents, il faut repérer et marquer le premier à être dévié grâce au décalage brutal : le rai précédent est l'entrée de la zone d'ombre - dans la liste des rais émergents, il faut chercher et marquer le rai le plus proche de l'entrée : c'est la sortie de la zone d'ombre. Pour montrer que la zone d ombre ne dépend que de la présence du noyau : - réaliser différentes simulations en faisant varier la position du séisme (tous les 60 par exemple) - mesurer la zone d'ombre dans chaque cas Pour montrer que la zone d'ombre dépend de la taille du noyau : - il faut réaliser au moins 3 simulations en faisant varier la taille du noyau et mesurer à chaque fois la zone d'ombre : noyau normal, plus grand et plus petit. Pour montrer que la zone d'ombre dépend des propriétés physico-chimiques du noyau par rapport au manteau : - il faut réaliser au moins 3 simulations en faisant varier l'indice de réfraction (et donc la vitesse des ondes) du noyau et mesurer à chaque fois la zone d'ombre : noyau normal, plus dense et moins dense.
CORRIGÉ Démarche Les ondes P se propagent à l'intérieur du globe, leur vitesse varie brutalement si elles passent dans le noyau. Pour mettre en évidence le noyau, il faut donc mettre en relation la vitesse des ondes P avec la profondeur. Pour calculer la vitesse des ondes, il faut : - trouver le temps d'arrivée des ondes P, en dépouillant les sismogrammes avec Sismolog - calculer mathématiquement la distance parcourue Pour trouver la profondeur atteinte, il faut calculer la profondeur maximale à partir de la distance épicentrale (angle au centre). Résultats Vitesse Ondes P en fonction de la profondeur Exploitation On observe entre 2800 et 3000 km de profondeur un saut de vitesse donc à cette profondeur, les ondes P ont traversé un milieu de nature différente, c'est le noyau. Le rai non dévié qui touche le noyau correspond au début de la zone d'ombre. Il vaut environ 116 ce qui permet de situer le manteau à environ 3000 km de profondeur. Les rais suivants sont déviés ce qui indique bien que les ondes ont traversé un milieu de nature différente. Le rayon du noyau est d'environ : 6378-2900=3478 km Quelle que soit la position du séisme, la zone d'ombre a toujours les mêmes caractéristiques : de 116 à 151, elle est donc la conséquence du noyau. La taille de la zone d'ombre est fonction de la taille et de la nature du noyau.