PROXIMARS, le son de Mars

Voici notre premier atelier en ligne autour de Perseverance, le rover (ou astromobile) envoyé par la NASA en juillet 2020. Il a atterri sur Mars en février 2021 dans le cratère Jezero.

C'est la première mission spatiale à enregistrer des sons à la surface d'une autre planète pour les envoyer sur Terre ! En effet, ce rover est équipé de deux micros. L'un des deux fait partie de la SuperCam, l'instrument franco-américain situé en haut du mât du véhicule. L'autre est sur le côté droit de l'engin.

Sur Mars, est-ce que quelqu'un vous entendra crier ?

Commençons par écouter un extrait de "Clair de Lune" de Claude Debussy, joué sur Terre :

Maintenant, sans toucher au volume, écoutez le même morceau de musique comme si il était joué sur Mars :

Que constatez-vous ? Quelles sont vos hypothèses pour expliquer les différences de son entre la Terre et Mars ?

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LE SON

Le son est une onde qui se diffuse dans une ou plusieurs matières. Ecrit ainsi, cela paraît un peu mystérieux... Nous allons donc avancer pas à pas vers ces notions d'onde et de milieu.

En lançant un caillou dans de l'eau, on observe le déplacement de petites vagues. Il s'agit d'ondes mécaniques (l'eau se déplace sous forme de vaguelettes) créées par le choc du caillou sur la matière "Eau".

Le son fonctionne de la même façon. Des ondes qui se déplacent dans une ou des matières. L'air qui nous entoure, l'atmosphère, est composé de matière. Pensez au vent, qui est un déplacement d'air, nous le ressentons.

Première expérience : le son de la table...

Avec un camarade, un enfant gratte d'un côté d'une table en bois ou métal, l'autre enfant écoute d'abord debout, ensuite en collant son oreille à l'autre bout de la table. Il s'agit de la même technique que celle bien connue de l'indien qui colle son oreille au rail pour savoir si un train va arriver.

Constat : le son est bien plus fort quand l'oreille est collée à la table.

C'est la raison pour laquelle l'indien colle son oreille au rail. Il perçoit le son du train beaucoup plus fort et bien plus tôt que s'il restait debout à écouter les sons dans l'air. En effet, le déplacement de l'onde sonore dans le métal va 15 fois plus vite que dans l'atmosphère.

• Dans l'air : 340 mètres par seconde soit 340 m/s. En km/h, cela donne 1 224 km/h (340 x 3600 s). C'est le fameux "mur du son"
• Dans l'eau : 1 480 m/s =  5 328 km/h
• Dans le bois (de pin) 3 320 m/s = 11 950 km/h
• Dans le métal : entre 3 900 m/s (cuivre) et 5 170 m/s (acier) = 18 600 km/h !

Lors de notre expérience, le son se déplace dans la table ! L'onde sonore se diffuse dans les matières liquides, solides ou gazeuses. Plus la matière est dense*, plus vite le son se propage. Dans le vide spatial, on ne peut entendre aucun son.

• Un pot en plastique ou en métal qui a une partie ouverte
• Un ballon de baudruche (plusieurs par précaution...)
• Un élastique
• De quoi percer un trou (attention, demandez de l'aide à un bricoleur si vous ne connaissez pas les règles de sécurité d'usage lors de l'utilisation d'outils)
• De la farine de maïs

L'objectif est de tendre le ballon de baudruche comme une peau de tambour sur la partie ouverte de la boîte, et de l'entourer d'un élastique.

Il vous reste à percer un trou en bas de la boite, afin de créer un orifice dans lequel vous parlerez.

Versez ensuite une fine couche de farine de maïs bien répartie sur la surface du ballon tendu.

Maintenant, un enfant parle dans le trou, pendant que l'autre observe la boîte.

Constat : la farine de maïs bouge selon les sons produits. Vous pouvez varier les sons (graves, aigus, des Ooo, des Aaa, des Iii...), en fonction de la puissance du son et selon les graves ou les aigus, le ballon tendu fait bouger la farine de différentes manières. Le ballon tendu vibre suivant les sons qu'on dirige vers lui.

Nos oreilles fonctionnent de la même façon. Nos tympans sont comme le ballon tendu, les ondes sonores viennent les faire vibrer. Selon la puissance et la hauteur du son (graves, aigus...), nous percevons toutes ces différences.

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Voilà pour les activités, revenons maintenant à la question initiale :

Sur Mars, est-ce que quelqu'un vous entendra crier ?

L'atmosphère de Mars est très différente de l'atmosphère terrestre : elle est très froide (-63° en moyenne) et beaucoup moins dense. La pression atmosphérique est approximativement 100 fois plus faible sur Mars que sur Terre, et est composé à 96% de dioxyde de carbone (CO2). Ces différences modifient la façon dont le son se propage :

La vitesse de propagation du son : le froid modifie la vitesse du son dans l'air : 240 mètres par secondes sur Mars, 340 mètres par seconde sur la Terre.

Par exemple, sur Terre, si on compte 3 secondes, l'orage est à 1 kilomètre. Alors que sur Mars, le tonnerre mettrait 4 secondes pour faire un kilomètre.

Le volume sonore : À cause de la faible densité de l'air, les sons sont beaucoup plus étouffés. Il y a moins de particules "d'air" pour transmettre la vibration. Pour entendre un son aussi fort que sur Terre, il faudrait être beaucoup plus proche de la source du son.

Par exemple, sur Mars, dans la salle de classe, les enfants à plus de 10 mètres du professeur ne l'entendraient plus.

La qualité du son : Le CO2 (dioxyde de carbone) a tendance à absorber les sons plus aigus. Ainsi, on entend mieux les sons graves. Plus on se trouve loin d'une source sonore, plus les sons aigus sont atténués. Passé une certaine distance, on n'entend plus que les sons graves.

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Pour conclure ces activités, la Nasa (Agence Spatiale Américaine) propose d'écouter l'ensemble des enregistrements effectués par le rover Perseverance. Vous y découvrirez les sons captés directement par ses micros (cliquez sur l'image ci-dessous).

Ces sons permettent de vérifier le bon fonctionnement du véhicule et de ses instruments embarqués. Les grincements de la carrosserie permettent de déterminer si l'astromobile se porte bien. Et pour l'instrument Supercam, qui projette des rayons lasers sur les roches afin d'en déterminer la composition, cela donne des informations complémentaires sur la nature des roches.