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Le cycle de l'eau (ou cycle hydrologique ) est un cycle biogéochimique qui décrit la transformation continue de l'eau sous différentes formes à la surface, au-dessus et en dessous de la surface terrestre , à travers divers réservoirs. La masse d'eau sur Terre reste relativement constante au fil du temps . Cependant, la répartition de l'eau entre les principaux réservoirs – glace , eau douce , eau salée et eau atmosphérique – est variable et dépend des conditions climatiques . L'eau se déplace d'un réservoir à l'autre, par exemple d'une rivière à l'océan , ou de l'océan à l'atmosphère, grâce à divers processus physico-chimiques. Ces processus, qui sont à l'origine de ces mouvements, ou flux , sont l'évaporation , la transpiration , la condensation , les précipitations , la sublimation , l'infiltration , le ruissellement de surface et les écoulements souterrains. Au cours de ces mouvements, l'eau passe par différents états : liquide, solide ( glace ) et vapeur . L'océan joue un rôle essentiel dans le cycle de l'eau, car il est responsable de 86 % de l'évaporation mondiale
Le cycle de l'eau est alimenté par des échanges d'énergie sous forme de transferts de chaleur entre ses différentes phases. L'énergie libérée ou absorbée lors d'un changement de phase peut entraîner des variations de température . De la chaleur est absorbée lorsque l'eau passe de l'état liquide à l'état gazeux par évaporation. Cette chaleur est également appelée chaleur latente de vaporisation. Inversement, lorsque l'eau se condense ou fond à partir de la glace, elle libère de l'énergie et de la chaleur. À l'échelle mondiale, l'eau joue un rôle crucial dans le transfert de chaleur des tropiques vers les pôles via la circulation océanique.
La phase d'évaporation du cycle agit également comme un processus de purification en séparant les molécules d'eau des sels et autres particules présentes dans sa phase liquide. La phase de condensation dans l'atmosphère alimente les sols en eau douce. Le flux d'eau liquide transporte les minéraux à travers le globe. Il remodèle également les caractéristiques géologiques de la Terre par les processus d'altération, d'érosion et de sédimentation. Le cycle de l'eau est essentiel au maintien de la plupart des formes de vie et des écosystèmes sur la planète.
Les activités humaines ont un impact considérable sur le cycle de l'eau. Des pratiques telles que la déforestation , l'urbanisation et le prélèvement d' eau souterraine modifient les paysages naturels ( changements d'affectation des sols ) et influent sur ce cycle. De plus, le changement climatique intensifie ce cycle . Des études ont montré que le réchauffement climatique provoque des modifications des régimes de précipitations, une augmentation de la fréquence des phénomènes météorologiques extrêmes et des changements dans le calendrier et l'intensité des pluies. Ces modifications du cycle de l'eau affectent les écosystèmes , la disponibilité en eau , l'agriculture et les sociétés humaines.
évaporation : l'énergie solaire chauffe l'eau des océans, des lacs, des ruisseaux, des rivières, des mers, des étangs, etc., et cette eau subit un changement d'état pour se transformer en gaz ( vapeur d'eau ) qui s'élève dans l'atmosphère. Deux autres mécanismes contribuent à l'évaporation de l'eau dans l'atmosphère : la sublimation de la neige et de la glace en vapeur d'eau et l'évapotranspiration , c'est- à-dire la transpiration des plantes et l'évaporation de l'eau du sol.Les nuages se forment car les molécules d'eau ont une masse moléculaire inférieure à celle des principaux gaz constituant l'atmosphère (oxygène, O₂ ; et azote, N₂ ). Cette masse moléculaire plus faible confère à l'eau une densité moindre , ce qui , par poussée d'Archimède , propulse les molécules d'eau vers les hautes altitudes . Cependant, à mesure que l'altitude augmente, la pression atmosphérique diminue, entraînant une baisse de température . Cette baisse de température contraint la vapeur d'eau à subir un nouveau changement d'état, la condensant en gouttelettes d'eau liquide. Ces gouttelettes sont entraînées par un courant ascendant. Si ces gouttelettes sont suffisamment nombreuses et réparties sur une vaste zone, on parle alors de nuage . La condensation de la vapeur d'eau plus près du sol est appelée brouillard .
La circulation atmosphérique transporte la vapeur d'eau à travers le globe ; les particules nuageuses entrent en collision, grossissent et retombent des hautes couches de l'atmosphère sous forme de précipitations . Certaines précipitations tombent sous forme de neige, de grêle ou de verglas et peuvent s'accumuler dans les calottes glaciaires et les glaciers , qui peuvent stocker de l'eau gelée pendant des milliers d'années. La majeure partie de l'eau tombe sous forme de pluie et se déverse dans l'océan ou sur les terres émergées, où elle ruisselle en surface . Une partie de ce ruissellement alimente les rivières, dont le débit transporte l'eau vers les océans. Les eaux de ruissellement et les eaux souterraines peuvent être stockées sous forme d'eau douce dans les lacs. Toutes les eaux de ruissellement ne se déversent pas dans les rivières ; une grande partie s'infiltre dans le sol. Une partie de cette eau s'infiltre profondément et alimente les aquifères , qui peuvent stocker de l'eau douce pendant de longues périodes. Une autre partie de l'infiltration reste près de la surface et peut retourner dans les cours d'eau (et l'océan) sous forme de rejets d'eaux souterraines ou être absorbée par les plantes et restituée à l'atmosphère sous forme de vapeur d'eau par transpiration . Une partie des eaux souterraines s'infiltre à la surface du sol et jaillit sous forme de sources d'eau douce. Dans les vallées fluviales et les plaines inondables , un échange d'eau continu s'opère souvent entre les eaux de surface et les eaux souterraines dans la zone hyporhéique . Au fil du temps, l'eau retourne à l'océan, perpétuant ainsi le cycle de l'eau.
L’océan joue un rôle clé dans le cycle de l’eau. Il contient « 97 % de l’eau totale de la planète ; 78 % des précipitations mondiales se produisent au-dessus de l’océan, et il est la source de 86 % de l’évaporation mondiale ».
Temps de résidence
| Réservoir | Durée moyenne de séjour |
|---|---|
| Antarctique | 20 000 ans |
| Océans | 3 200 ans |
| Glaciers | 20 à 100 ans |
| Couverture neigeuse saisonnière | 2 à 6 mois |
| humidité du sol | 1 à 2 mois |
| Eaux souterraines : peu profondes | 100 à 200 ans |
| Eaux souterraines : profondes | 10 000 ans |
| Lacs (voir temps de rétention des lacs ) | 50 à 100 ans |
| Rivières | 2 à 6 mois |
| Atmosphère | 9 jours |
Le temps de séjour d'une molécule d'eau dans un réservoir au sein du cycle hydrologique correspond au temps moyen qu'elle y passe ( voir tableau ). Il permet de mesurer l'âge moyen de l'eau contenue dans ce réservoir.
Les eaux souterraines peuvent rester plus de 10 000 ans sous la surface de la Terre avant de s'évaporer. Les eaux souterraines particulièrement anciennes sont appelées eaux fossiles . L'eau stockée dans le sol n'y demeure que très brièvement, car elle est répartie en faible quantité sur la Terre et disparaît rapidement par évaporation, transpiration, écoulement des cours d'eau ou recharge des nappes phréatiques. Après évaporation, son temps de séjour dans l'atmosphère est d'environ 9 jours avant de se condenser et de retomber sur Terre sous forme de précipitations.
Les principales calottes glaciaires – l’Antarctique et le Groenland – stockent la glace pendant de très longues périodes. La glace de l’Antarctique a été datée avec certitude jusqu’à 800 000 ans avant le présent, bien que la durée de résidence moyenne soit plus courte.
En hydrologie, le temps de séjour peut être estimé de deux manières. La méthode la plus courante repose sur le principe de conservation de la masse ( bilan hydrique ) et suppose que la quantité d'eau dans un réservoir donné est approximativement constante. Avec cette méthode, le temps de séjour est estimé en divisant le volume du réservoir par le débit d'entrée ou de sortie d'eau. Conceptuellement, cela revient à calculer le temps nécessaire pour que le réservoir se remplisse complètement si aucune eau ne sort (ou le temps nécessaire pour qu'il se vide complètement si aucune eau n'y entre).
Une autre méthode d'estimation des temps de résidence, de plus en plus utilisée pour la datation des eaux souterraines, consiste à recourir aux techniques isotopiques . Elle relève du sous-domaine de l'hydrologie isotopique .
Eau en réserve
Le cycle de l'eau décrit les processus qui régissent le mouvement de l'eau dans l' hydrosphère . Cependant, une quantité d'eau bien plus importante est stockée (ou contenue dans des « réservoirs ») pendant de longues périodes que celle qui circule réellement dans le cycle. Les océans constituent les réservoirs de la grande majorité de l'eau sur Terre. On estime que sur les 1 386 000 000 km³ de ressources en eau mondiales, environ 1 338 000 000 km³ sont stockés dans les océans, soit environ 97 %. On estime également que les océans fournissent environ 90 % de l'eau évaporée qui alimente le cycle de l'eau. Les calottes glaciaires, les glaciers et le manteau neigeux permanent stockent 24 064 000 km³ supplémentaires , ce qui ne représente que 1,7 % du volume total d'eau de la planète. Toutefois, cette quantité d'eau représente 68,7 % de toute l'eau douce présente sur Terre.
Changements causés par l'homme
changements de la couverture et de l'utilisation des sols
Les activités humaines peuvent modifier le cycle de l'eau à l'échelle locale ou régionale. Cela se produit en raison des changements d'utilisation et de couverture des sols . Ces changements affectent les précipitations, l'évaporation, les inondations, les eaux souterraines et la disponibilité en eau douce pour divers usages.
Parmi les changements d'affectation des sols les plus courants, on peut citer l'urbanisation, l'expansion agricole et la déforestation. Ces changements peuvent accroître le compactage des sols et l'imperméabilisation des surfaces, ce qui diminue la capacité d'infiltration des sols et entraîne une augmentation du ruissellement de surface. La déforestation a des effets locaux et régionaux : à l'échelle locale, elle réduit l'humidité du sol, l'évaporation, les précipitations et les chutes de neige ; à l'échelle régionale, elle peut provoquer des variations de température qui influent sur les régimes pluviométriques.
Les ouvrages de gestion de l'eau, tels que les barrages, les réseaux d'eaux pluviales et les canalisations d'eaux usées, peuvent également modifier les conditions hydrologiques locales. Les barrages peuvent altérer les débits naturels, dégrader la qualité de l'eau et entraîner une perte d'habitat pour les espèces aquatiques. Les réseaux d'eaux pluviales permettent de réduire le ruissellement, de réguler les débits et d'accroître la recharge des nappes phréatiques. Les fuites des canalisations d'eaux usées peuvent contribuer artificiellement à la recharge des nappes phréatiques, ce qui entraîne une augmentation du débit de base des cours d'eau et une contamination des eaux souterraines. L'épuisement des ressources en eau souterraine demeure toutefois une préoccupation constante, car ces ressources sont pompées à un rythme non durable pour répondre aux besoins en eau des municipalités, des industries et de l'agriculture.
Intensification du cycle de l'eau due aux changements climatiques
Depuis le milieu du XXe siècle, les changements climatiques d'origine humaine ont entraîné des modifications observables du cycle global de l'eau. Le sixième rapport d'évaluation du GIEC, publié en 2021, prévoyait que ces changements continueraient de s'amplifier significativement aux niveaux mondial et régional. Ces conclusions s'inscrivent dans la continuité du consensus scientifique exprimé dans le cinquième rapport d'évaluation du GIEC de 2007 et dans d'autres rapports spéciaux du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, qui indiquaient déjà que le cycle de l'eau continuerait de s'intensifier tout au long du XXIe siècle.
La cause sous-jacente de l'intensification du cycle de l'eau est l'augmentation de la quantité de gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère, ce qui entraîne un réchauffement de l'atmosphère par effet de serre . Les lois fondamentales de la physique expliquent comment la pression de vapeur saturante dans l'atmosphère augmente de 7 % lorsque la température s'élève de 1 °C. Cette relation est connue sous le nom d'équation de Clausius-Clapeyron .
L'intensité du cycle de l'eau et ses variations au fil du temps présentent un intérêt considérable, notamment dans le contexte des changements climatiques. Le cycle hydrologique est un système par lequel l'évaporation de l'humidité en un lieu entraîne des précipitations (pluie ou neige) en un autre lieu. Par exemple, l'évaporation est toujours supérieure aux précipitations au-dessus des océans. Cela permet à l'humidité d'être transportée par l'atmosphère des océans vers les terres émergées où les précipitations excèdent l'évapotranspiration . Les eaux de ruissellement alimentent les cours d'eau et se jettent dans l'océan, bouclant ainsi le cycle global. Le cycle de l'eau est un élément clé du cycle énergétique terrestre grâce au refroidissement par évaporation à la surface, qui fournit de la chaleur latente à l'atmosphère, les systèmes atmosphériques jouant un rôle primordial dans la remontée de la chaleur vers le haut.
Processus connexes
cycle biogéochimique
Bien que le cycle de l'eau soit lui-même un cycle biogéochimique , l'écoulement de l'eau à la surface et sous la Terre est un élément clé du cycle d'autres substances biogéochimiques. Le ruissellement est responsable de la quasi-totalité du transport des sédiments érodés et du phosphore des terres vers les plans d'eau . La salinité des océans provient de l'érosion et du transport des sels dissous depuis les terres. L'eutrophisation anthropique des lacs est principalement due au phosphore, appliqué en excès aux champs agricoles sous forme d'engrais , puis transporté par voie terrestre et fluviale. Le ruissellement et les écoulements souterrains jouent un rôle important dans le transport de l'azote des terres vers les plans d'eau. La zone morte à l'embouchure du Mississippi est une conséquence du lessivage des nitrates provenant des engrais depuis les champs agricoles, qui sont canalisés par le système fluvial jusqu'au golfe du Mexique . Le ruissellement participe également au cycle du carbone , toujours par le transport des roches et des sols érodés.
Perte lente sur des temps géologiques
Interprétations historiques
Dans l'Antiquité, on croyait généralement que la terre ferme flottait sur une étendue d'eau et que la majeure partie de l'eau des rivières prenait sa source sous terre. On trouve des exemples de cette croyance dans les œuvres d' Homère ( Les Travaux et les Jours (vers 700 av. J.-C.), le poète grec Hésiode décrit l'idée du cycle de l'eau : « [La vapeur] est tirée des fleuves qui coulent sans cesse et est élevée haut au-dessus de la terre par la tempête de vent, et parfois elle se transforme en pluie vers le soir, et parfois en vent lorsque Borée de Thrace rassemble les épais nuages. »
Dans l' ancien Proche-Orient , les érudits hébreux observaient que, bien que les fleuves se jettent dans la mer, celle-ci n'était jamais pleine. Certains érudits en concluent que le cycle de l'eau était décrit dans son intégralité à cette époque dans ce passage : « Le vent souffle vers le sud, puis tourne vers le nord ; il tourne sans cesse, et le vent revient sur ses pas. Tous les fleuves se jettent dans la mer, et la mer n'est pas pleine ; les fleuves retournent à leur source » ( Ecclésiaste 1:6-7 ). De plus, on observait également que lorsque les nuages étaient pleins, ils déversaient la pluie sur la terre ( Ecclésiaste 11:3 ).
Dans l' Adityahridayam (un hymne dévotionnel au dieu Soleil) du Ramayana , une épopée hindoue datant du IVe siècle avant notre ère, il est mentionné au verset 22 que le Soleil chauffe l'eau et la fait tomber sous forme de pluie. Vers 500 avant notre ère, des érudits grecs supposaient qu'une grande partie de l'eau des rivières provenait de la pluie. L'origine de la pluie était également connue à cette époque. Ces érudits soutenaient cependant que l'eau remontant de la terre contribuait largement à la formation des rivières. Anaximandre (570 avant notre ère) (qui a également émis des hypothèses sur l' évolution des animaux terrestres à partir des poissons ) et Xénophane de Colophon (530 avant notre ère) partagent cette idée. Des érudits chinois de la période des Royaumes combattants , tels que Chi Ni Tzu (320 avant notre ère) et Lu Shih Ch'un Ch'iu (239 avant notre ère), avaient des idées similaires
L'idée que le cycle de l'eau est un cycle fermé se retrouve dans les œuvres d' Anaxagore de Clazomènes (460 av. J.-C.) et de Diogène d'Apollonia (460 av. J.-C.). Platon (390 av. J.-C.) et Aristote (350 av. J.-C.) ont tous deux envisagé la percolation comme un élément du cycle de l'eau. Aristote a émis l'hypothèse, à juste titre, que le soleil jouait un rôle dans le cycle hydraulique terrestre dans son ouvrage Météorologie : « Par son action, l'eau la plus pure et la plus douce est chaque jour transportée vers le haut, se dissout en vapeur et monte vers les hautes altitudes, où elle se condense à nouveau sous l'effet du froid et retourne ainsi sur terre. » Il pensait également que les nuages étaient composés de vapeur d'eau refroidie et condensée. À l'instar d'Aristote, le scientifique chinois Wang Chong (27-100 apr. J.-C.), de la dynastie Han orientale, a décrit avec précision le cycle de l'eau terrestre dans son ouvrage Lunheng , mais ses travaux ont été rejetés par ses contemporains.
Jusqu'à la Renaissance, on supposait à tort que les précipitations seules ne suffisaient pas à alimenter les rivières pour un cycle complet de l'eau, et que les eaux souterraines remontant des océans constituaient la principale source d'eau fluviale. Barthélemy d'Angleterre (1240), Léonard de Vinci (1500) et Athanasius Kircher (1644) partageaient cette opinion.
Découverte de la théorie correcte
Le premier penseur à affirmer que les précipitations suffisaient à elles seules au maintien des rivières fut Bernard Palissy (1580), souvent considéré comme le découvreur de la théorie moderne du cycle de l'eau. Les théories de Palissy ne furent testées scientifiquement qu'en 1674, dans une étude généralement attribuée à Pierre Perrault . Même alors, ces idées ne furent acceptées par la communauté scientifique qu'au début du XIXe siècle.