Un modèle analogique simple pour expliquer la forme du géotherme publié le 27/04/2016  - mis à jour le 23/06/2017

Résultats expérimentaux

Avec une température ambiante de 20°C, voici le type de données que l’on peut obtenir après exactement 5 minutes de chauffage et 2 minutes pour la prise des températures. Il est préférable de faire construire le graphique sur papier plutôt qu’avec un tableur car les élèves, sachant qu’ils doivent raisonner sur des pentes, sont tentés d’ajouter automatiquement une courbe de tendance. Si la convection ne s’est pas faite sur toute la hauteur du bécher (à 5%), la rupture de pente biaise totalement l’interprétation pour la densité 5%.

Interprétations des résultats et astuces manipulatoires

L’activité a été passée avec 4 groupes de TS. Globalement, ils ont enfin compris par eux-mêmes la relation entre les variations de gradient thermique des différentes enveloppes terrestres et les transferts de chaleur par conduction dans la lithosphère ou par convection dans l’asthénosphère. Malgré tout, c’est une compréhension souvent intuitive, du fait des observations réalisées, car bien peu sont capables d’expliquer clairement et sans ambiguïté l’homogénéisation des températures dans la pâte à 5%.

L’image suivante résume les explications données lors de la correction du TP et/ou du cours.

Quelques remarques manipulatoires

• Nous avons testé plusieurs densités. Avec notre PVA, ce n’est qu’à 5% que la convection se met en place, à 6%, le fond du bécher se liquéfie trop vite et la convection n’est pas visible. En dessous de 5% la pâte ressemble trop à un liquide.
• Avec une densité à 10%, quand on utilise des sondes thermiques en plastique avec des têtes trop larges, ces dernières entraînent avec elles de la pâte lors de leur enfoncement ce qui fausse le gradient de température.
• Le colorant n’a volontairement pas été ajouté, les élèves déduisent donc la convection au travers de leur résultats. Malgré tout, ajouter à la seringue du colorant au fond des béchers ne fonctionne pas, il remonte en suivant les parois plus chaudes et traduit plutôt la conduction à travers le verre.
• Quand la solution à 5% est "fraiche", les quelques bulles se mettent en mouvement après 3 ou 4 minutes de chauffe, les élèves attentifs les remarquent.
• Quand on chauffe trop longtemps, le bécher à 5% est complètement homogène et la plupart des élèves pensent que "ça ne marche pas"...
• Il est possible de réutiliser les béchers sur plusieurs groupes, mais il est impératif de les mélanger à nouveau, surtout pour la pâte à 10%. En s’échauffant, la base du bécher a tendance à se liquéfier et perd en densité, si on re-chauffe, même après refroidissement, il peut y avoir ébullition au fond du récipient avant la fin du temps fixé (5 minutes).

Les limites du modèle

La pâte Slime introduit une fausse idée sur la densité des roches dans les enveloppes terrestres. Ici, la densité à 5% correspond à la roche du manteau asthénosphérique donc la péridotite plus dense, tandis que la densité 10% correspond aux croûtes et au manteau lithosphèriques, en réalité moins denses (en tout cas pour les croûtes). Il faudrait donc plutôt parler de viscosité du matériau (à rapprocher de la ductilité) et "éviter" le mot densité dans ce TP...

Plus généralement, il faut également veiller à ne pas transcrire les résultats de cette modélisation comme vérité scientifique. Le modèle analogique n’a pas la valeur d’une expérimentation directe et les mouvements constatés dans le bêcher à 5% ne rendent pas compte de la diversité des mouvements convectifs réels du manteau (une couche convective, deux couches, ou le modèle intermédiaire confirmé par la tomographie sismique). Ils n’illustrent que le mécanisme physique qui conduit au déplacement de matière.