Comment mesurer la puissance d’une éruption volcanique Teach article

Traduit par Maurice Cosandey. Comment utiliser les tablettes effervescentes pour modéliser l’action de volcans et mesurer l’intensité de leurs éruptions à l’aide de votre propre échelle de mesure.

Image de l’USGS, dans le
domaine public

Le Mont St-Helens, le Pinatubo, le Vésuve, la Montagne Pelée, le Krakatoa. Tous ces volcans sont devenus tristement célèbres pour les dégâts que leurs éruptions ont créé, tant à la terre qu’à l’écosystème et à l’atmosphère. Comment les géologues sont parvenus à mesurer et à comparer l’intensité de ces éruptions volcaniques , c’est ce que le présent article se propose de présenter. En employant un modèle simple, à base de tablettes effervescentes, les étudiants peuvent  mesurer la force de leurs propres explosions, et créer leur propre échelle expérimentale, le tout en 90 minutes.

Tout le monde connaît les échelles servant à décrire et à classifier les phénomènes naturels, comme l’échelle de Richter pour les tremblements de terre, celle de Fujita pour les tornades, et celle de Saffir-Simpson pour les ouragans. Les étudiants ne seront donc pas vraiment surpris d’apprendre qu’il existe aussi une échelle pour les éruptions volccaniques, meme si elle n’est pas aussi bien connue que les précédentes.

Les volcanologues ont développé une échelle logarithmique dite VEI (volcanic explositvity index) pour mesurer l’intensité d’une explosion. Cette échelle va de 0 à 8. Comme elle est logarithmique, cela signifie qu’une éruption de type 2 est 10 fois plus puissante qu’une éruption de type 1. De même, une éruption de type 3 est 100 fois plus forte qu’une éruption de type 1. Les échelles logarithmiques sont très communes en science, comme l’échelle des pH, celle de Richter, et celle des étoiles de Hertzsprung-Russell. L’aspect logarithmique de l’explositivité dépend du volume de la matière éjectée du volcan pendant son éruption. En anglais, on appelle “tephra” l’ensemble de cette matière éjectée : lave, poussière et cendres et roches. Les vulcanologues tiennent aussi compte de la hauteur du panache de fumée, de l’altitude du nuage de cendres formé dans l’atmosphère, ainsi que de la distance parcourue par les cendres avant de retomber sur terre.
 

A groupe d’étudiants se prépare à observer une éruption. Le travail en équipe et le minutage sont essentiels.
Photo de Christopher
Roemmele

Comparer le désastre du Mont St Helens de 1980 à une éruption de degré 8 sur l’échelle VEI revient à comparer un pétard à une obus de guerre. Malgré l’épouvantable désastre que cette catastrophe a causé, l’explosion produite par une éruption de degré 8 serait 1000 fois plus importante, et sémerait la désolation jusqu’à plus de mille kilomètres. D’un autre côté, l’activité volcanique du Kilauea à Hawai n’est pas explosive, car il déverse des torrents de lave et de tonnes de poussière sans caractère explosif. Si le Mont St. Helens est assimilé à un pétard, alors le Kilauea ressemble à une casserole pleine de crème au chocolat qui déborde.

Mais pourquoi les éruptions volcaniques sont-elles si différentes les unes des autres ? Bien qu’il soit difficile d’émettre des règles absolues, il est possible de faire quelques corrélations entre l’explosivité et la nature du magma, donc de la lave qui se trouve dans les profondeurs du volcan. Les magmas riches en silice sont très visqueux, et peuvent contenir des gaz prisonniers et comprimés; ils ont tendance à provoquer des éruptions violentes en atteignant la surface. Plus le magma est visqueux, plus les gaz ont de la peine à s’en échapper, et plus les bulles libèrent d’énergie au moment de leur éclatement à l’air extérieur. Les magmas qui sont très fluides, donc peu visqueux, ne présentent qu peu de risques d’explosion. Les gaz s’en échappent progressivement pendant la montée de la lave, et le font de manière périodique et peu explosive. Si on veut faire une analogie pour les étudiants, on peut essayer de souffler avec une paille ou un chalumeau dans un verre de lait, qui est donc très fluide. Puis répétez l’opération dans un milk-shake ! Mais protégez-vous avec une serviette ! Il est plus difficile d’y former une bulle. Mais quand vous y arriverez, le milk-shake explose autour de vous en projetant de la crème un peu partout.

Comment modéliser les éruptions

L’activité du jour va permettre aux étudiants de créer un gaz sous pression dans des bouteilles de plastique fermées. Il faut donc d’abord réunir plusieurs bouteilles de plastique de 500 mL, et enlever leurs etiquettes. Comme source de gaz sous pression ,  on utilisera des pastilles effervescentes genre Alka-Seltzer. Elles contiennent toutes de l’acide citrique et du bicarbonate de sodium. Une fois dans l’eau, elles dégagent du gaz carbonique. Chaque groupe d’étudiants commence avec six tablettes. Chaque groupe mesure combien “son volcan” produit de matière, en récoltant la lave produite dans un container plat, et en en mesurant le volume.

Si on augmente la quantité d’Alka-Seltzer, la pression augmente dans la bouteille, et l’explosion change d’allure. L’élévation de température change aussi le style de l’éruption. Les étudiants peuvent  determiner l’importance de leurs éruptions et créer leur propre échelle VEI.

Matériel

  • Bouteille de plastique de 500 mL
  • De l’eau
  • 6 tablettes effervescentes
  • Du liquide à vaiselle
  • Une règle métrique
  • Un grand plateau ou un bassin plat
  • Des cylindres gradués
  • Des lunettes de protection
  • Des élastiques
  • Du film alimentaire plastique
  • Des cure-dents
  • Un chronometer
  • Des blouses de protection
  • Du papier ménage
     
Avant de percer la feuille de
plastique, les étudiants se
préparent à mesurer les
produits éjectés par
l’explosion.

Photo de Christopher
Roemmele
Les éruptions les plus
violentes peuvent dépasser
les limites du bassin.

Photo de Christopher
Roemmele

 

La mesure de la matière
éjectée sert à déterminer la
puissance de l’explosion,
donc le facteur VEI
.
Photo de Christopher
Roemmele

 

Mode opératoire

  1. Essayer de décrire à l’avance ce qui va se passer quand la première tablette touche le liquide, et comment l’effet dépendra du nombre de tablettes utilisées, ainsi que de la température de l’eau.
  2. Remplir d’eau une bouteille plastique jusqu’au niveau inférieur du pas de vis.
  3. Ajouter une demi-cuillère à café de liquide à vaisselle.
  4. Poser la bouteille au milieu du plateau, bassin ou baquet.
  5. Casser les tablettes en fragments assez petits pour qu’ils puissent plus tard passer par le goulot. Attention ! Avec des mains sèches ! Mettre les petits fragments sur un tissu ou un carton pour pouvoir les glisser ensuite dans la bouteille.
  6. Pendant qu’un étudiant fait glisser la tablette dans la bouteille, un autre recouvre l’ouverture avec le film alimentaire, et un troisième rabat ce film et le maintient en place avec un élastique, qu’il faut entourer plusieurs fois autour du goulot, pour que la fermeture soit étanche. Le tout doit être exécuté en moins de 8 secondes. Il est bon de s’exercer à l’avance avec un essai à blanc, sans pastille.
  7. La réaction démarre immédiatement. Au bout de moins d’une minute, on perce le plastique avec un cure-dents. Ne pas trop attendre, sinon la réaction arrache le plastique et l’élastique, et l’expérience est ratée.
  8. Le reste des étudiants doit être mis à contribution pour estimer la hauteur du jet d’eau, et sa portée latérale.
  9. Mesurer la durée de l’éruption avec un chronomètre
  10. Quand l’éruption est calmée, on récolte la matière éjectée et on la verse dans un cylindre gradué. S’il y en a au delà du plateau de récolte, ou au plafond, il faut en estimer la quantité et la rajouter au volume du cylindre.
  11. Récolter les mesures faites dans un tableau récapitulatif
  12. Répéter les étapes 2 à 11, avec deux puis trois tablettes.
  13. Si le temps le permet, répéter les mesures avec de l’eau à différentes températures, ou avec un autre liquide, comme de l’huile végétale.
Comparaisons entre les types d’activité volcanique, explosive à gauche, et plus calme à droite.
Photo de Steven Smith

En combinant leurs mesures et leurs observations, les étudiants peuvent estimer la puissance de leurs eruptions à l’aide d’une échelle VEI de leur cru. Ils devraient même être capables de tester la validité de leurs hypothèses, et d’expliquer pourquoi les choses se passent de telle ou telle manière. Un rapport de laboratoire plus formel peut aussi être rédigé, en suivant les indications du maître. Mais il faut qu’il  reflète l’analogie qui existe entre l’expérience du jour et la réalité de la science des volcans en general.

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Resources

Author(s)

Christopher Roemmele fait son doctorat en géosciences dans le Département des sciences atmosphérique et planétaire de l’Université  de Purdue, USA. Il a enseigné les sciences de la terre pendant 15 ans dans son lycée du New Jersey. Il était aussi instructeur adjoint en géologie au niveau post-secondaire. Il a participé activement à un programme de vulgarisation lance par l’Université de Purdue. Son adresse : croemmel@purdue.edu

Steven Smith est un coordinateur chargé de promouvoir les sciences de la terre à l’Université de Purdue, USA auprès d’un public de niveau primaire et secondaire. Il bénéficie d’une expérience de 16 ans à Purdue, où il a suivi des conférences académiques ou des conférences des maîtres, en faisant des visites à des classes, en organisant des ateliers de développement professionnel et des démonstrations d’équipements scientifiques dans les classes. Il peut être atteint à l’adresse suivante : mrsmith@purdue.edu


Review

La plupart des maîtres de science connaissent les volcans chimiques. Mais cet article présente une approche nouvelle et intéressante de cette activité classique. En fait, les auteurs proposent d’utiliser un volcan chimique pour construire une échelle permettant de décrire scientifiquement  l’intensité des volcans.

L’article est écrit dans un style plaisant. Il présente l’information scientifique en la reliant à des métaphores liées à la vie de tous les jours. L’approche méthodologique est basée sur l’expérience, et implique de faire des hypothèses, puis de les tester en modifiant les conditions expérimentales.  C’est exactement le propre de la démarche scientifique.

Finalement, c’est un excellent exemple de communication scientifique, qui est à la fois sérieux et plaisant. Si demain je vois une photo du Kilauea, je ne pourrais pas m’empêcher de penser à “une casserole pleine de crème au chocolat qui déborde”.


Giulia Realdon, Italie




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