5-Ondes longitudinales et transversales

I - Les études scientifiques sur les
ondes sismiques:
A- Les diverses ondes sismiques et leur
propagation:
Les ondes sismiques sont des ondes élastiques dégagés lors d'un
séisme et pouvant traverser un milieu sans le modifier durablement.
L'impulsion créée lors du séisme va pousser des particules élémentaires qui
vont pousser d'autres particules et reprendre leur place. Les vibrations
(ondes sismiques) engendrées par un séisme ce propagent dans toutes les
directions.
On distingue ainsi deux types d'ondes, les ondes de volume qui traversent
la Terre et les ondes de surface qui se propagent comme leur nom l'indique
à la surface de la Terre.
1-Les ondes de volume :
Se propagent à l'intérieur du globe. Leur vitesse de propagation dépend du
matériau traversé et, d'une manière générale, cette dernière augmente avec
la profondeur car le matériau traversé devient plus dense (cette particularité
sera traitée dans la suite du TPE)
On distingue:
-Les ondes P: ou ondes primaires appelées aussi ondes longitudinales. Ce
sont les plus rapides, elle se propagent à environ 6 km/s et sont enregistrées
en premiers sur un sismogramme. Elles sont responsables du grondement
sourd que l'on peut entendre au début d'un séisme. Le déplacement du sol
qui accompagne leur passage se fait par dilatation et compressions
successives.

-Les ondes S: ou ondes secondaires appelées aussi ondes de cisaillement
ou ondes transversales. A leur passage, les mouvements du sol s'effectuent
perpendiculairement au sens de propagation de l'onde. Ces ondes ne se
propagent pas dans les milieux liquides, elles sont en particulier arrêtées par
le noyau externe de la Terre. Leur vitesse et de 4,06km/s. Elles apparaissent
en second sur les sismogrammes.
La différence des temps d'arrivée des ondes P et S suffit, connaissant leur
vitesse, à donner une indication sur l'éloignement du séisme. On peut ainsi
localiser son épicentre à l'aide de trois sismogrammes.
Les ondes de volume se propagent comme toutes les ondes, et en particulier
comme les rayons lumineux : elles peuvent être réfléchies ou réfractées,
c'est-à-dire déviées à chaque changement de milieu, au passage manteau-
noyau par exemple. Elles peuvent ainsi suivre des trajets complexes à
l'intérieur de la Terre. Leur temps de parcours dépend de ce trajet, elles
n'arrivent pas toutes en même temps au même endroit.
2-Les Ondes de surfaces :
sont guidées par la surface de la Terre. Leur effet est comparable aux rides
formées à la surface d'un lac. Elles sont moins rapides que les ondes de
volume mais leur amplitude est généralement plus forte.
On peut distinguer :

-L'onde de Love: c'est un anglais, Augustus Edward Hough Love qui a
découvert son existence en 1911. Son déplacement est comparable à celui
des ondes S sans le mouvement vertical. Les ondes de Love provoquent un
ébranlement horizontal qui est la cause de nombreux dégâts aux fondations
d'un édifice qui n'est pas une construction parasismique. Les ondes de Love
se propagent à environ 4 km.s-1.
-L'onde de Rayleigh : elle a été découverte par John William Strutt Rayleigh
en 1885. Son déplacement est complexe, assez semblable à celui d'une
poussière portée par une vague, constituant un mouvement à la fois
horizontal et vertical.
En physique, la propagation des ondes est un phénomène qui est décrit par
l'évolution d'une onde, ou du mouvement d'une particule dans le temps et
l'espace, par rapport à un milieu. En considérant la direction de propagation
de l'onde dans l'espace, on peut distinguer deux types d'ondes :
 les ondes longitudinales.
 les ondes transversales.
Le principal paramètre caractérisant la propagation des ondes est la célérité,
c'est-à-dire la vitesse de propagation d'une onde dans un milieu donné.
3-Conditions de propagation :
Certains types d'onde ont besoin d'un milieu matériel pour se propager. Par
exemple, le son ne se propage pas dans le vide. La propagation d'une onde
n'implique pas le déplacement des composants du milieu à grande échelle,
mais plutôt leur oscillation. Pour les ondes mécaniques, ce n'est pas la

matière qui est transportée, mais l'énergie, on parle alors de «transport
d'énergie sans transport de matière»
4-Vitesse de propagation :
Les ondes P, on l’a vu ont la vitesse de propagation la plus importante, elles
peuvent atteindre 14 km/s dans des milieux solides. En fait, cette
augmentation de vitesse s'explique par l'accroissement de densité des
roches traversées. Au contraire, la vitesse diminue quand les ondes
atteignent un milieu liquide ou de densité plus faible.
Les ondes S quant à elle sont moins rapides que les précédentes (1,7 fois
moins rapides). De même que pour les ondes P, la vitesse des ondes S
augmente en rencontrant une densité plus élevée, et diminue quand la
densité devient moins dense. Contrairement aux ondes P, les ondes S ne
traversent pas les milieux liquides; elles sont alors réfléchies vers la surface.

Sur ce schéma, on peut observer l'évolution de la vitesse de propagation des
ondes P et S en fonction des couches internes du globe qu'elle traversent :
-la vitesse des deux types d'ondes augmente de manière relativement
constante jusqu'à une profondeur de 3000km, donc les roches traversées
deviennent de plus en plus denses, du fait de la pression plus intense.
-au passage du manteau inférieur au noyau externe, la vitesse des ondes P
diminue de moitié, chutant à des valeurs voisines de 7km/s, et les ondes S
sont brutalement stoppées. On remarque par ailleurs qu'à ce point la densité
augmente brusquement. La cause de ces brusques changements dans le
comportement des ondes est due à un changement des propriétés chimiques
des milieux traversés : bien que la densité soit plus élevée, le milieu traversé
est plus fluide, ce qui contribue à ralentir les ondes.
-ensuite, lorsqu'on se rapproche du centre de la Terre, la vitesse des ondes P
augmente légèrement, puis se stabilise à environ 12km/s dans le noyau
interne: la pression étant toujours de plus en plus intense, le milieu traversé
par les ondes devient de plus en plus solide, ce qui contribue à augmenter la
vitesse de propagation des ondes.
5-Ondes longitudinales et transversales:
On parle d'onde longitudinale lorsque le phénomène physique s'effectue dans
la même direction que la propagation de l'onde. Le terme d'onde
transversales est employé lorsque le phénomène physique se fait
perpendiculaire à la direction de propagation, comme les ondes
électromagnétiques dans le vide, ou les vagues.
-Ondes progressives et ondes stationnaires :
Il est d'usage dans la communauté scientifique de distinguer les ondes
progressives des ondes stationnaires. Les ondes progressives, avancent
dans l'espace.
Les ondes stationnaires, au contraire, oscillent sans se déplacer.
Les ondes stationnaires sont des objets physiques très courants et se
rencontrent notamment dans les cavités laser ou les lignes hyperfréquence.