Modéliser les isothermes au voisinage de la dorsale océanique
*Objectifs méthodologiques
Réaliser une modélisation, comprendre la signification des isothermes en les construisant.
*Présentation de l’activité
Les programmes de Sciences de la Terre de première et de terminale S font souvent appel à la variation verticale de la température (en fonction de la profondeur) et à sa variation horizontale (entre les zones à flux thermiques différents). Ces variations sont impossibles à mesurer ou difficilement mesurables en TP sur l’objet réel (la Terre) et on doit utiliser des coupes géologiques présentant des isothermes ou des cartes de flux thermiques. Les sujets de bac sur la convergence océanique contiennent régulièrement des coupes avec des isothermes.
Pour permettre aux élèves de comprendre ces coupes, une modélisation des isothermes de la lithosphère océanique au voisinage de la dorsale leur est proposée. Un pain de pâte à modeler représente la lithosphère océanique. Une de ses extrémités est placée au dessus d’un objet chaud, comme par exemple un bain-marie. Les températures sont mesurées avec des thermomètres digitaux dont le capteur est au bout d’une pointe rigide et solide, et pouvant être enfoncée à différentes profondeurs dans la pâte à modeler. Les isothermes dans le pain seront obliques, comme de part et d’autre de la dorsale.
Le dispositif de modélisation
La zone modélisée
*Les étapes du travail de l’élève
L’élève met en place le dispositif, puis mesure les températures en fonction de la profondeur et de la distance au bord "dorsale" du pain de pâte à modeler. L’utilisation de 4 thermomètres permet une plus grande instantanéité de la mesure, surtout dans le cas où le système n’est pas en équilibre, mais on peut aussi réaliser la modélisation avec un seul thermomètre.
Voici un exemple de températures relevées
Les températures sont ensuite reportées dans un graphique, ce qui permet de tracer les isothermes.
Le tracé des isothermes est au départ un exercice très exigeant pour les élèves. Une fois les premières isothermes tracées et le principe compris, tous réussissent cette étape. Voici un exemple de réalisation.
Une modification des réglages (température du bain-marie, épaisseur du pain de pâte à modeler,...), permet d’obtenir des isothermes plus horizontales et plus réalistes.
Un logiciel, fourni il y a quelques années avec la revue PC Arts et nommé 3DField, permet d’automatiser le tracé des isothermes. Il peut être utile pour tracer des versions exactes des isothermes de l’ensemble des groupes, mais le tracé à la main est très formateur.
*La conclusion
L’obliquité des isothermes est due à l’existence d’un matériau chaud (plus chaud que latéralement) à faible profondeur sous une extrémité du pain de pâte à modeler.
Les résultats peuvent être plaqués sur le dispositif expérimental, comme ci-dessous :
On peut également extrapoler les résultats à un dispositif expérimental théorique.
Une coupe de dorsale sur laquelle sont représentées les isothermes permettra d’arriver à l’existence de matériau chaud (plus chaud que latéralement) sous la dorsale.
*Les limites de la modélisation
Tout modèle simplifie la réalité et met en avant un des aspects du phénomène étudié. Les aspects non privilégiés peuvent être absents du modèle ou encore légèrement dénaturés.
Une phrase des accompagnements de l’ancien programme du cycle central de collège exprime bien les implications de l’utilisation des modèles.
"En géologie, l’utilisation légitime de maquettes illustrant des modèles théoriques (mouvement des plaques, création de déformations...) permet de raisonner par analogie pour faire comprendre des phénomènes non observables. Cependant la maquette n’est qu’un outil pédagogique, facilitant la compréhension d’un phénomène complexe, mais qui reste plus ou moins éloigné de sa réalité. Il est donc nécessaire d’en discuter les limites et de veiller à ce que les maquettes ne créent pas de représentations fausses."
*Peut-on faire de l’exao sur cette modélisation ?
L’exao est intéressant lorsqu’on suit un phénomène évolutif et qu’on récolte un grand nombre de valeurs. Ici, on est en principe en régime stationnaire si le montage a été installé suffisamment longtemps avant les mesures, le pain de pâte à modeler est immobile et on ne récolte que 16 valeurs. De plus, les capteurs exao de température sont soit fragiles, soit peu rapides. Certains ne peuvent pas être enfoncés dans la pâte à modeler.
