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L'eau, l'or bleu

Le cycle de l'eau (II)

C. Ruissellement et écoulements

Par ruissellement on entend les différentes formes d'écoulements de l'eau, qu'ils soient lents (rivière) ou rapides (crues), se manifestant en surface ou dans le sous-sol. On peut également faire la distinction entre les écoulements naturels (cours d'eau) et artificiels (canaux) bien que cela fasse référence à une notion hydraulique.

A gauche, des cascades en Utah, USA. A droite, celle de Sgwd Clun-gwyn dans le parc national de Brecon Beacons en Angleterre (Wales). Document M.Vuyisich et Webshots.

Les écoulements peuvent également se définir par rapport à leur champ d'application. Ainsi dans le cadre de projets d'aménagement, le bilan du réseau hydrologique peut s'exprimer en litres/seconde quand on parle de drainage ou d'irrigation ou s'exprimer en mètre cube/mètre carré/seconde pour caractériser l'écoulement sur une surface.

Des mesures récentes indiquent que les solides arrachés aux masses continentales par les cours d'eau s'élèvent à 10 tonnes par km2 en Australie et à environ 193 tonnes par km2 en Europe. A l'échelle mondiale, les cours d'eau transportent quelque 4 milliards de tonnes de sels dissous vers les océans.

Quand cela concerne exclusivement des écoulements souterrains ou la quantité d'eau transportées par les cours d'eau, les ingénieurs parlent de débit, c'est-à-dire de volume d'eau s'écoulant par unité de temps. Ainsi, en période de crue le débit de l'Amazone atteint 300000 m3/sec, davantage que les débits du Nil et du Mississippi réunis.

On estime qu'en moyenne sur l’ensemble du globe terrestre, chaque année 65 % des précipitations qui arrivent au sol s’évaporent, 24 % ruissellent et 11 % s’infiltrent sous terre.

2. Le cycle externe de l'eau

L'hydrosphère de la Terre comprend quatre grands réservoirs d'eau que sont les océans et les mers, les eaux continentales (de surface et souterraines) et dans une moindre mesure l'atmosphère et la biosphère.

Croissant de Lune photographié à 360 km d'altitude à travers la haute atmosphère par l'équipage d'ISS. Document EOL.

Les échange d'eau entre ces quatre réservoirs sont permanents et forment un cycle fermé constituant ce qu'on appelle le cycle externe de l'eau.

Ici également, le moteur de ce cycle est la chaleur du Soleil : plus il rayonne plus il active les interactions entre ces réservoirs et plus il entretient le mouvement des masses d'air et indirectement la distribution de chaleur dans les masses liquides.

Ce cycle se caractérise par deux composantes interdépendantes :

- une composante atmosphérique caractérisant la circulation de l'eau dans l'atmosphère

- une composante terrestre relative à l'écoulement de l'eau sur les continents, en surface ou souterrain.

Il faut y ajouter une composante moins visible mais tout aussi importante, celle des échanges d'eau qui se produisent entre l'hydrosphère et le manteau terrestre.

Concernant la première composante, on observe dans la haute atmosphère une décomposition accélérée des molécules d'eau sous l'effet du rayonnement ultraviolet solaire. Suite à cette photodissociation, l'hydrogène étant très léger, il échappe à l'attraction terrestre et s'échappe dans l'espace. Il en est de même pour l'oxygène mais dans des proportions nettement inférieures.

Toutefois, le bilan global tend à démontrer que ces pertes sont négligeables et que la quantité totale d'eau contenue dans l'hydrosphère reste constante.

On peut même démontrer sur base d'études des sédiments marins que le volume des océans a très peu varié depuis 1.5 milliard d'années, les pertes ou le déficit dans l'une ou l'autre composante étant compensé par un excès dans une autre composante.

Non seulement cela démontre que la Terre est un système thermodynamique parfaitement régulé mais c'est une serre capable de contrôler son taux d'humidité et sa température avec une extrême précision au cours du temps malgré les écarts importants que l'on observe localement. La Terre est un système thermodynamique complexe dans lequel des variables sont en interactions et qui semble tout à fait capable de s'autoréguler naturellement.

Coucher de Soleil à Denarau aux îles Fiji. Un climat paradisiaque, mais pour combien de temps encore... Document Digiocto.

Mais ce n'est pas une raison pour le pousser jusqu'à ses limites où, à l'image d'une machine, le système peut s'emballer, entrer dans un nouveau régime et produire des effets inattendus voire préjudiciables à l'homme. Car si les scientifiques comprennent le fonctionnement de la Terre dans ses grandes lignes, ils ignorent les détails de cette machinerie et les conséquences précises que peut entraîner la modification d'une ou plusieurs variables sur son régime.

Nous avons l'exemple des émissions de gaz à effet de serre. Nous savons qu'elles augmentent la température de l'air et par extension elles accélèrent la fonte des glaces et l'élévation du niveau des océans. Parmi les conséquences les plus visibles, on constate que le corail meurt à petit feu car les eaux sont trop chaudes, des mammifères comme des poissons perdent leurs territoires et leur population diminue, les eaux inondent des îles paradisiaques forçant des population à se réfugier sur de plus grandes îles ou sur le contient, etc. Ces dérèglements sont loin d'être innocents et nous n'en connaissons que quelques effets. On y reviendra en climatologie.

Le cycle externe de l'eau concerne, en résumé, les mécanismes relatifs aux différents réservoirs d'eau et leurs interactions. A l'inverse du cycle interne de l'eau qu'il est possible de résumer en quelques paragraphes, le cycle externe est un concept très complexe qu'il me paraît impossible de décrire en quelques phrases au risque de caricaturer le sujet et de donner une fausse image de ce qu'il représente.

Pour comprendre son fonctionnement il est nécessaire de le diviser en ses différentes composantes élémentaires. Nous verrons donc successivement :

- Les volumes des réservoirs d'eau

- Les flux entre réservoirs d'eau

- La répartition de l'eau sur la Terre

- Les eaux souterraines

- Les cours d'eau

- Les lacs et mers intérieures

- Les glaciers

A. Les volumes des réservoirs d'eau

Il n'existe pas de chiffres officiel du volumes total d'eau disponible sur Terre. C'est à peine si on peut estimer la capacité des quatre grands réservoirs (océans, eaux continentales, atmosphère et biosphère) car on ne peut pas évaluer avec précision les quantités d'eau qui s'infiltre ou percole dans le sol car elles dépendent également de l'épaisseur de la croûte terrestre.

A défaut d'estimations fiables de chaque composante, on peut estimer les réserves d'eau à un instant donné pour un réservoir donné.

Ce travail de fourmi étant très complexe et fastidieux, les scientifiques sont contraints de se baser sur les études réalisées par leurs collègues pour obtenir des chiffres qu'il n'est pas facile de vérifier. Croyons-les donc sur parole. Selon Ghislain de Marsily[1], les différents réservoirs d'eau sont répartis comme suit :

Les réservoirs

Les stocks (km3)

Océans

1 350 000 000

Eaux continentales

35 976 700

Glaciers

27 500 000

Eaux souterraines

8 200 000

Mers intérieures

105 000

Lacs d’eau douce

100 000

Humidité des sols

70 000

Rivières

1 700

Atmosphère (humidité de l’air)

13 000

Biosphère (cellules vivantes)

1 100

Au total, l'hydrosphère contient 1 385 990 800 km3 d'eau, sachant que 1 km3 d'eau représente un cube mesurant 1 km de côté et contient mille milliards de litres ! Nous disposons donc en théorie de suffisamment d'eau pour désaltérer toute la population mondiale, arroser nos cultures et alimenter nos industries durant des milliards d'années s'il le fallait.

Malheureusement 37 % de cette eau est constituée d'eau de mer et est impropre à la consommation au risque de contracter des infections ou de tuer à petit feu nos cultures, brûlées par le sel.

En pratique 20 % seulement des réserves d'eau sont exploitables. Sur ces 20 %, seuls 3 % des réserves sont constituées d'eau douce et la majeure partie est gelée soit emprisonnée aux pôles soit sous forme de glaciers.

Il n'est même pas question de remorquer des iceberg des pôles et notamment de l'Antarctique car ils seront fondus avant d'arriver à destination. En fait les ressources d'eau douce sont très mal distribuées sur le globe et plus encore quand on considère les sources d'approvisionnement vis-à-vis des sites d'exploitation industriels.

Quant aux 43 % d'eau restant, ils constituent des réserves virtuelles car inexploitables à grande et même à petite échelle. Elles n'intéressent que les micro-organismes et les végétaux.

Finalement il reste à peine 9 millions de kilomètres cubes d'eau directement exploitables (9 milliards de milliards de litres) dont la plus grande partie est représentée par les eaux souterraines.

Le tableau suivant reprend les quantités d'eau douce disponible :

Volumes d'eau douce disponibles en millions de mètre cubes 

par habitant et par an

 

Europe

Afrique

Asie

Amérique

du Nord

Amérique

du Sud

Total

1950

5.9

9.6

20.6

37.2

105.0

178.3

2000

4.1

3.3

5.1

17.5

28.3

58.3

Source : Sommet Mondial de l'Alimentation, FAO, Rome 1996.

Ainsi qu'on le constate, en un demi-siècle nous avons plus que triplé nos besoins en eau, principalement dans les pays en voie de développement et nouvellement industrialisés. A n'en pas douter, la ressource se raréfie même si nous avons encore chacun plus d'un million de litres d'eau douce chaque année à notre disposition. On y reviendra.

Aussi, malgré les quantités impressionnantes d'eau présentes sur Terre, nous ne pouvons exploiter qu'une infime partie de ses ressources. Heureusement, à l'inverse des autres minéraux, les différents réservoirs sont perpétuellement alimentés dans un cycle continu et se renouvellent en permanence.

Troisième partie

B. Les flux entre réservoirs d'eau

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[1] G. de Marsily, “L’eau”, Flammarion, Coll. Dominos, 1995.


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