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Le cycle naturel de l'eau
Par le Centre d'information sur l'eau,
le mercredi 7 août 2013 09:02
Débattre
Partager : La Terre est recouverte à plus de 70 % d'eau. La totalité de l'eau contenue sur terre forme ce que l'on appelle l'hydrosphère, dont le volume total est estimé à 1 400 millions de km3. Cela paraît considérable. Cependant, il convient de relativiser : l'eau douce ne représente que 39,2 millions de km3.
L'eau voyage entre ciel et terre. C'est la même eau qui circule partout, recyclée sans cesse depuis 3 milliards d'années comme nous le montrent les sciences contemporaines, la géologie, la météorologie, la climatologie et l'hydrologie... Aujourd'hui encore, les détails spatiotemporels du cycle de l'eau apparaissent parmi les plus grandes complexités de notre planète bleue.
L'histoire d'un cycle
Elément hautement mythologique, l'eau fascine les penseurs grecs et latins. Ainsi Platon et Aristote se sont interrogés sur la capacité des seules précipitations à alimenter les cours d'eau. Aristote imagina même que l'eau de mer remontait dans les sols continentaux et, en arrivant à la surface, entraînait la formation de l'eau douce.
A la Renaissance, la question du cycle de l'eau est remise à l'étude à partir d'observations et non d'idées philosophiques : Léonard de Vinci s'insurge contre les affirmations d'Aristote et de Platon. Bernard Palissy est le premier à donner une interprétation correcte du cycle de l'eau.
Au 17ème siècle, Pierre Perrault, le frère du conteur, effectue des mesures de précipitations, d'évaporation et de perméabilité dans le bassin de la Seine tandis qu'Edme Mariotte démontre que la pluie s'infiltre dans les couches poreuses des sols pour constituer des couches souterraines. Edmond Halley, celui qui a découvert la célèbre comète, prouve qu'il s'évapore assez d'eau pour provoquer la pluie.
Puis, au 18ème siècle, Alexis Clairaut et Georges Buffon mettent en évidence que "le cycle de l'eau ne peut être qu'atmosphérique".
La dynamique du cycle de l'eau
Le cycle de l'eau se déroule à la fois sur Terre et dans l'atmosphère. La dynamique terrestre de l'eau est complexe et évolutive. Elle a un impact sur le modelage des paysages par les phénomènes d'érosion et sur les variations de remplissage des réservoirs d'eau naturels.
L'eau est très mobile et certains de ses éléments qui paraissent distincts les uns des autres comme la pluie, les rivières, les océans, les glaces ou la vapeur d'eau constituent, en fait, les différents états du cycle de l'eau. Chaque type de réservoir possède sa propre dynamique ave, en particulier, une échelle de temps de remplissage et de renouvellement qualitatif et quantitatif spécifique à chacun. Les temps de séjour de l'eau dans les différents réservoirs de l'hydrosphère sont estimés en comparant les flux échangés entre les différents réservoirs et les volumes de chacun d'eux.
Ainsi s'opposent deux types de réservoirs : ceux qui font office de conducteurs (cours d'eau et atmosphère) et ceux qui jouent un rôle d'accumulateurs (glaciers, nappes et océans).
La durée de renouvellement moyenne de chacun d'entre eux est de :
1600 à 9700 ans pour les glaciers et les calottes glacières
2500 ans pour les océans
1400 ans en moyenne pour les eaux souterraines
17 ans pour les lacs d'eau douce
1 an pour l'humidité des sols
16 jours pour les cours d'eau
8 jours pour l'atmosphère
Sous l'effet du soleil, l'eau s'évapore et monte vers l'atmosphère. On estime à 1 000 km3 l'eau des océans qui, chaque jour, s'évapore. Dans les basses couches atmosphériques, elle emmagasine de la chaleur et monte ainsi. Peu à peu, elle se refroidit tout en étant redistribuée par les courants atmosphériques. L'action du froid condense cette eau qui retombe sous forme de précipitations (neige ou pluie). 61 % de cette eau s'évapore, 16 % ruisselle et rejoint les cours d'eau et 23 % s'infiltre et alimente les nappes et rivières souterraines.
L'hydrosphère
La masse d'eau totale de l'hydrosphère n'évolue pas au cours des années, elle reste toujours constante : l'eau s'évapore, forme la vapeur d'eau qui, en se transformant en pluie, va alimenter les mers, les cours d'eau et les nappes souterraines. On peut appliquer au cycle de l'eau la fameuse phrase de Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme".
L'eau change d'état au cours de son cycle, passant de l'état gazeux à l'état liquide ou à l'état solide. Cependant, sa quantité est restée inchangée depuis quatre milliards d'années, date de son apparition sur terre.
Dans l'atmosphère, l'eau est surtout présente à l'état de vapeur. Puis sous l'effet du refroidissement, l'eau passe de l'état de vapeur à l'état liquide. Cette eau liquide est concentrée dans les nuages puis dans les précipitations.
Une fois que l'eau a atteint le sol, son cycle va se dérouler de façon essentiellement liquide. Seule une toute petite partie de cette eau est en mouvement, la grande majorité étant stockée dans les nappes souterraines. Une partie de l'eau est utilisée par les plantes, le reste est drainé vers les rivières ou dans les nappes. Les racines des plantes vont capter l'eau, qui s'évaporera ensuite par le système de transpiration des feuilles. Cette transpiration constitue de la vapeur d'eau. De la même façon, les lacs, les océans, vont évaporer une partie de leur eau.
La somme des évaporations, soit 496 000 km3/an, est toujours égale à la somme des précipitations. Or, sur les continents, les précipitations sont supérieures de 40 000 km3 à l'évaporation. Sur les océans, en revanche, on observe le phénomène inverse pour la même quantité d'eau. Les continents vont donc renvoyer chaque année une masse d'eau de 40 000 km3 aux océans, de façon à ce que le cycle de l'eau soit équilibré.
Le moteur de ce cycle est le soleil, ou plus exactement l'énergie solaire qu'il dégage. En effet, c'est cette dernière qui entraîne les changements d'état de l'eau : la formation et la fonte des glaces, ou encore l'évaporation de l'eau et son élévation dans l'atmosphère.
L’évapotranspiration
Jean-Luc Dolmaire
Le phénomène de l'évapotranspiration se compose de l'évaporation directe qui s'effectue à partir des sols humides et des différents plans d'eau, mais aussi de la transpiration des végétaux. Une bonne partie de l'évaporation de l'eau s'effectue via la transpiration des plantes. Les racines des végétaux captent l'eau qui se trouve dans le sol. Une fois parvenue aux feuilles, une partie de l'eau va s'évaporer à travers les stomates des feuilles, micropores par lesquels l'eau s'évapore. L'autre partie va servir à la photosynthèse.
Cette évapotranspiration dépend de deux éléments : la chaleur fournie par le rayonnement solaire et la quantité d'eau disponible dans le sol. La quantité d'énergie solaire arrivant à la surface terrestre est le facteur déterminant de l'évapotranspiration. Le rayonnement du soleil, constant depuis déjà 4 milliards d'années et pour cinq autres milliards d'années, n'est pas en question. En revanche, l'évapotranspiration est très sensible aux variations des climats et des saisons.
L'évaporation n'est pas la même en été et en hiver, son importance diffère également dans les pays froids ou chauds. L'évaporation est beaucoup plus importante en été lorsque le rayonnement solaire est le plus intense.
La transparence de l'atmosphère joue également un rôle dans l'impact du rayonnement solaire. On observe que les poussières contenues dans l'atmosphère obscurcissent ce dernier et constituent un frein aux rayons du soleil. Le rayonnement étant moins intense, l'évaporation sera réduite d'autant. Au bout d'une huitaine de jours, période de transition de l'eau dans l'atmosphère, les premiers effets se feront sentir sur les précipitations, qui vont commencer à décroître.
L'évapotranspiration dépend également de l'eau disponible dans le sol. En ce qui concerne la végétation, lorsque l'eau se fait plus rare, les stomates se referment et la transpiration se ralentit. La plante évite ainsi de trop souffrir du manque d'eau. Lorsque ce dernier augmente et qu'il atteint le minimum vital, la plante se flétrit puis meurt.
Les précipitations
Pluie (mousson) au Vietnam
Lorsque la température s'abaisse, l'eau qui s'est évaporée se condense et devient liquide. Les précipitations commencent.
La pluviométrie des cinq continents réunis représente quelques 1 100 000 km3 / an.
Le classement de la pluviométrie pour chaque continent est le suivant :
l'Asie avec un flux moyen de 30 000 km3 / an
l'Amérique du Sud (27 000 km3)/ an
l'Afrique (20 000 km3)/ an
l'Amérique du Nord (17 000 km3)/ an
l'Europe (8 000 km3)/ an
l'Australie (6000 km3)/ an.
Il est cependant important de préciser qu'il s'agit là de moyennes continentales peu significatives. On peut citer le cas du continent asiatique où la pluviométrie d'Israël n'a rien de commun avec celle du Bangladesh. Les précipitations peuvent, elles aussi, prendre plusieurs formes : bruine, pluie, neige lorsque la température se refroidit, ou encore grêle. La pluviométrie est importante car elle influe directement sur les réserves d'eau douce disponibles.
En ce qui concerne le régime des précipitations, il est très différent suivant les climats : tempéré, équatorial ou intertropical. Dans les zones tempérées, les pluies sont réparties sur toute l'année avec toutefois une plus grande abondance en hiver qu'en été. Dans la zone intertropicale, en revanche, il y a à peu près 9 mois de sécheresse qui sont les mois d'hiver. Puis suivent les pluies violentes des 3 mois d'été : c'est la mousson. Ces pluies violentes et concentrées sont assez dévastatrices pour le sol et les milieux naturels. Dans la zone équatoriale, la pluie est, comme dans les zones tempérées, répartie sur toute l'année.
Le cycle de l'eau pour les juniors en animation - "L'eau sur la Terre"
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