Mise en situation d'investigation : Tsunamis

Document pour la formation des enseignants

Aperçu

Cette mise en situation a été filmée à l’occasion d’une formation sur le risque sismique à l’Institut de physique du Globe de Paris. Elle a été réalisée dans un contexte plus contraint (moins de temps, notamment), mais donne une bonne idée du déroulement général.

Vous pouvez visualiser cette vidéo ici (montage de 12 minutes d'une formation ayant duré 1h30) :

Déroulement

Situation déclenchante

Le formateur commence par demander aux participants ce qu’est un tsunami, et en quoi il est différent d’une grande vague. Les réponses sont notées au tableau. En général, ces réponses se focalisent sur l’origine, sismique, du tsunami et sur la « taille » de la vague (son amplitude), qui explique les dégâts occasionnés.

Variante : Cette question peut ne pas être abordée en début de séance et être réservée pour le moment d’éclairage scientifique après l’expérimentation. La séance commence alors par l’étape d’analyse du document 1.

Il distribue le document 1 aux participants. Ce document présente 2 témoignages (réels) recueillis au moment du tsunami de Sumatra, en 2004. Après un temps de lecture individuelle (5 min), les participants explicitent les informations nouvelles que ces documents apportent. Si cela ne ressort pas dans la discussion, le formateur annonce à l’ensemble du groupe que ces 2 témoignages présentent 2 informations contradictoires. Il laisse ensuite les participants chercher ces informations, puis les fait s’exprimer lors de la mise en commun.

• Le premier témoignage parle d’une vague se déplaçant à faible vitesse (40 km/h) et de grande amplitude (plusieurs mètres)
• Le second document (article de presse) évoque une vague se déplaçant à très grande vitesse (800 km/h), et de très faible amplitude (au large, les marins ne s’aperçoivent de rien).

Aperçu du document 1

Il est difficile de réfléchir à la fois à la vitesse et à l’amplitude du tsunami, donc le formateur recentre la discussion sur la vitesse de l’onde (l’amplitude, plus complexe à traiter, le sera ensuite). Collectivement, le groupe cherche une explication à ce ralentissement. En général, plusieurs hypothèses sont proposées, dont (au moins) les suivantes :

1. Le tsunami perd de l’énergie en se propageant, ce qui explique son ralentissement
2. Le tsunami ralentit car, à l’approche de la côte, la profondeur diminue (il est « freiné par le fond »)

La première hypothèse peut être formulée différemment (la vague se fatigue, perd son élan, perd de l’énergie, etc.) mais l’idée générale est qu’un tsunami ralentit régulièrement au fur et à mesure qu’il se propage. Ainsi, selon cette hypothèse, plus on s’éloigne de l’endroit où il a été créé (par exemple, le foyer d’un séisme, s’il est d’origine sismique), plus il ralentit.

Etude documentaire : un tsunami ralentit-il par « perte d’élan » ?

Le formateur invite un ou plusieurs participants à venir dessiner des « fronts d’onde » ou, plus simplement, les lignes que l’on verrait si l’on regardait la vague « par en haut », en prenant une photo à intervalles réguliers. Les participants dessinent des cercles concentriques. Le formateur leur demande comment doivent être éloignées ces différents cercles dans le cas où une onde se propage :

• toujours à la même vitesse => la distance entre les cercles ne change pas
• en accélérant => la distance entre les cercles augmente
• en ralentissant => la distance entre les cercles diminue

Il distribue ensuite le document 2 aux participants, en expliquant qu’il s’agit de la propagation, heure par heure, d’un tsunami.

Aperçu du document 2

On observe que l’espacement entre les lignes successives (indiquant la position du front de l’onde) ne change pas lorsque cette onde traverse l’océan Pacifique, par exemple. On observe en revanche que certaines lignes se rapprochent, à l’approche des côtes, ce qui peut corroborer l’autre hypothèse émise par le groupe.

Conclusion : même en parcourant une très grande distance, un tsunami ne ralentit pas. L’hypothèse 1 est donc réfutée.

Expérimentation : un tsunami ralentit-il en raison de la profondeur de l’eau ?

Pourquoi, dans ce cas, le tsunami ralentit-il en approchant des côtes ? On revient à la seconde hypothèse formulée par les participants : ce ralentissement a sans doute quelque chose à voir avec la profondeur. En effet, au large, la profondeur est grande, et la vitesse également, tandis que près de la côte, la profondeur est faible, comme la vitesse de l’onde.

Le formateur demande alors en quoi la profondeur pourrait influer sur la vitesse d’une onde. Souvent, les participants expliquent que « l’onde est gênée par les frottements sur le fond marin ».

Les stagiaires réfléchissent, par petits groupes, à une expérience qui pourrait être menée afin de vérifier ce phénomène (10 minutes). Lors de la mise en commun, le formateur les incite à préciser leur protocole, à expliquer le matériel nécessaire, et demande à tout le monde si la ou les manip(s) proposée(s) répondent bien à la question posée.

Exemple d’expérience permettant de répondre à la question posée :

• prendre un bac
• verser un peu d’eau, déclencher une vague, et mesurer sa vitesse
• rajouter peu à peu de l’eau dans le bac, et recommencer la mesure pour différentes profondeurs

Les participants s’interrogent sur l’équivalence de deux propositions pour tester leur hypothèse :

• incliner un bac pour créer des différences de profondeur (à l’image de celles trouvées sur une côte) et mesurer la vitesse de l’onde à ces différentes profondeurs,
• dans un même bac, effectuer des mesures de vitesse en changeant le volume d’eau (différentes profondeurs)

Lorsqu’ils ont compris la similitude des 2 situations, ils réalisent que la deuxième solution posera moins de difficultés de mise en œuvre.

Souvent, les stagiaires ne se préoccupent pas de la façon dont ils vont contrôler les paramètres de l’expérience. En fonction du temps disponible pour la suite, le formateur peut les laisser faire pendant quelques minutes, puis faire une mise en commun intermédiaire, ou, s’il est plus pressé, les interroger dès maintenant :

• comment ferez-vous pour créer une vague qui soit toujours identique ?
  On peut, par exemple, prendre une cale de quelques centimètres et la placer sous le bac. Quand on retire la cale, cela déclenche une vague. En prenant toujours la même cale, on créera une vague toujours identique.
• comment allez-vous mesurer la vitesse de la vague ?
  On peut, par exemple, déclencher un « top départ » quand la vague atteint un bord, puis compter 5 aller-retour, puis redéclencer un « top-final ». On mesure ainsi le temps de parcours, et pas la vitesse. La discussion sur le nombre d’aller-retour à prendre en compte est intéressante, et peut déboucher sur une activité assez riche sur la notion d’erreur expérimentale. Sans entrer dans un calcul formel, on peut facilement faire comprendre que l’erreur est à peu près fixe (temps de réponse à un stimulus pour déclencher le chronomètre) tandis que la valeur mesurée augmente. Il est préférable de faire une erreur de 0,1 secondes sur une mesure de 5 secondes que sur une mesure d’1/2 seconde. Dans le premier cas, notre précision est de 2%... et dans le second cas de 20%.

Le formateur demande aux participants de garder une trace écrite précise de leurs mesures, afin de les confronter à la théorie, en fin de séance. Ils doivent faire un graphique sur papier millimétré (temps de parcours en fonction de la profondeur).

Au cours de l’expérimentation une discussion peut s’engager sur les conditions de reproduction du phénomène naturel en « laboratoire » : l’étendu d’un bac est petite devant celle d’un océan, les réflexions de l’onde sur les parois du bac sont-elles négligeables, l’onde perd de son amplitude après 5 aller-retour... Il est intéressant, après le tracé des courbes, de constater que les données obtenues correspondent à une loi physique qui relie vitesse et profondeur dans le cas de la propagation d’un tsunami. L’objectif est ici de montrer aux participants que la science s’autorise à utiliser des modèles qui s’affranchissent de certains paramètres pour faciliter la compréhension d’un phénomène.

Par analogie, on peut leur donner un exemple en astronomie qui leur parlera. Lorsqu’il s’agit de modéliser les phases de la Lune, on peut utiliser des sphères (Terre et Lune) et une source de lumière (lampe de poche, de bureau). Et pourtant, généralement, on ne respecte pas les échelles (ni concernant les volumes des sphères, ni les distances les séparant). Le milieu dans lequel on fait évoluer la sphère-Lune (l’air) est différent de l’espace…

Mise en commun : pourquoi un tsunami prend-il de l’amplitude près de la côte

La mise en commun permet de comparer les graphiques produits par les différents groupes. La manip ne présentant pas de grande difficulté, il est très rare que ces graphiques posent problème.

Le groupe conclut que la profondeur de l’eau a bien une influence sur la propagation d’une vague. Plus la profondeur est grande, et plus une vague se propage vite.

Le formateur distribue le document 3, qui montre un tsunami prenant de l’amplitude à l’approche de la côte et en explique le mécanisme :

• un tsunami est une vague de très grande longueur d’ondes (plusieurs centaines de kilomètres)
• au large, l’onde se propage très vite, et a une très petite amplitude (quelques centimètres)
• à l’approche des côtes, l’onde ralentit, car la profondeur diminue. C’est l’avant de l’onde qui est ralenti (l’arrière de l’onde se trouve toujours au large).
• Ainsi, l’onde se resserre, car l’arrière de l’onde rattrape l’avant de l’onde. Cela revient à comprimer l’onde (diminuer sa longueur d’onde)
• Comme la quantité d’eau mise en mouvement est toujours la même, le fait que l’onde ait été resserrée dans le plan horizontal implique qu’elle prenne de l’amplitude dans le plan vertical.
• Ainsi, à l’approche de la côte, l’onde prend de l’amplitude (et peut atteindre plusieurs mètres).

Aperçu du document 3

Eclairage scientifique (facultatif)

Le formateur peut ensuite faire un petit éclairage scientifique sur ce qu’est une onde et ce qu’est un tsunami. Il explique que la différence entre une grosse vague et un tsunami ne réside pas dans la hauteur de la vague (son amplitude) mais dans sa longueur d’onde. Un tsunami est une onde de très grande longueur d’onde. Dessinée à l’échelle, cela ressemble un une ligne « plate » tellement la longueur d’onde (des dizaines ou centaines de kilomètres) est grande devant l’amplitude (quelques centimètres ou quelques mètres). Il peut donner quelques ordres de grandeur : houle normale, tempête, tsunami, et faire calculer la quantité d’eau contenue dans une vague (cas simple d’une onde « rectangulaire » et non sinusoïdale). C’est cette quantité d’eau, énorme, qui fait qu’un tsunami provoque d’importants dégâts.

Document 4

Le formateur peut alors expliquer les différents régimes de propagation des ondes, et notamment le cas « eau peu profonde » où la profondeur de l’eau est petite devant la longueur d’onde. C’est ce cas qui nous intéresse ici, car un tsunami, vu sa longueur d’onde, est toujours considéré comme étant en eau peu profonde. Dans ce cas, la vitesse de propagation d’une onde est proportionnelle à la racine carrée de la profondeur (on peut comparer avec les courbes obtenues par les participants).

Le formateur peut prolonger cet éclairage scientifique en expliquant comment ces différents types d’onde peuvent être créés, et pourquoi tout séisme ou tout éboulement de terrain, même en milieu marin, ne crée pas de tsunami.

Il peut également évoquer le risque tsunami dans le monde (un tsunami majeur chaque année), et en France, aux Antilles principalement, mais également en France métropolitaine (plusieurs tsunamis au 20^ème siècle).

Eclairage pédagogique

Enfin, le formateur incite les participants à réfléchir, par petits groupes, aux différentes étapes qui ont structuré cette activité et aux modalités d’investigation. Lors de la mise en commun, il peut mettre l’accent sur le fait que le questionnement n’est pas seulement une phase initiale à l’activité, mais un élément qui intervient à tous les moments. L’investigation n’a pas un déroulement linéaire, mais « rebondit » en permanence sur ses propres résultats. Une question amène à une activité, qui apporte des réponses, mais également de nouvelles questions, qui elles-mêmes peuvent générer de nouvelles activités…

Crédits

Les documents distribués dans cette formation sont librement réutilisables dans un contexte pédagogique et non commercial. Les auteurs sont :

• Document 1 : David Wilgenbus
• Document 2 : UNESCO
• Document 3 : UNESCO
• Document 4 : David Wilgenbus