La notion d'évaporation comme celle de précipitations est centrale dans le bilan de l'eau (Hufty , 2001).
« À l'échelle du globe, les quantités d'eau reçues sous forme de précipitations liquides ou solides
équivalent aux quantités perdues par évaporation. Mais l'équilibre du bilan global ne doit pas masquer les différences qui existent d'une zone à l'autre » (Estienne et Godard, 1970, p.112).
En définition l'évaporation est « le phénomène physique de transformation de l'eau liquide en
gaz, en vapeur » (Lambert, 1996, p. 50). Ce processus nécessite de l'énergie afin de casser les liens
qui existent entre les molécules d'eau lors du changement d'état. Ce processus se produit à la surface des océans, mers et plans d'eau continentaux ou à la surface des milieux humides (sol, végétal,...) (Beltrando, 2011).
Nous pouvons décrire le processus physique d'évaporation : « Les molécules qui constituent une
masse d'eau donnée sont en agitation permanente. Tout apport de chaleur à l'eau augmente le niveau d'énergie des molécules, donc la vitesse de leurs mouvements, avec comme résultat un accroissement de la distance entre les molécules liquides, et une fragilisation des liens entre elles. Plus les températures sont élevées donc, plus des molécules proches de la surface liquide ont
tendance à s'échapper vers la couche d'air juste au-dessus de cette surface. De la même façon, les molécules de vapeur d'eau contenues dans ces basses couches sont aussi en perpétuel mouvement, et certaines d'entre elles pénètrent dans la masse d'eau sous-jacente. L'évaporation pendant une période donnée dépend du bilan entre les molécules qui ont quitté l'eau pour l'air et les molécules qui ont quitté l'air pour l'eau » (Cosandey et Robinson, 2000, p. 84). L'évaporation est positive
quand les molécules qui quittent l'eau pour l'air sont plus nombreuses que celles qui quittent l'air pour l'eau.
l'évaporation consomme de l'énergie correspondant à la chaleur latente de vaporisation, elle a donc généralement pour conséquence un abaissement de la température du liquide qui s'évapore (Parcevaux et al., 1990).
La chaleur latente de vaporisation (λ) est égale à (2,46 * 106 J/kg) (Lenters et al., 2005). Mais en fait, elle varie légèrement d'un chercheur à un autre par exemple : pour évaporer 1 gramme d'eau liquide Brunt (1952) propose l'équation (14), Harrison (1963) propose l'équation (15) et Lambert (1996) propose l'équation (16).
λ = 595 – 0,51 T°... (14) λ = 597,3 – 0,564 T°... (15) λ = 607 – 0,708 T°... (16)
avec : λ dans toutes les équations précédentes en (calories/gramme) et T° est la température de la surface évaporante en (°C).
L'évaporation de l'eau qui se produit à partir d'une surface dépend du rayonnement net, de la température de la surface évaporante et de celle de l'air, de la vitesse du vent au niveau de la surface, de la différence entre la tension de vapeur saturante de l'air, à la température de la surface évaporante, et de la tension de vapeur réelle de l'air, de la pression atmosphérique, de la nature de la surface et de la disponibilité de l'eau au niveau de cette surface. Nous allons étudier tous ces facteurs en détail plus loin dans cette thèse.
Il convient de noter qu'il existe des différences entre le phénomène d'évaporation et celui d'ébullition. La table (2) montre les principales différences entre ces deux phénomènes.
Figure. 5 : Les échanges de molécules entre l'eau et l'air à la surface de l'eau.
Table. 2 : Les différences entre l'évaporation et l'ébullition
Évaporation Ébullition
Processus dans lequel une substance change son état de l'état liquide à l'état gazeux sans bouillir
Processus dans lequel l'eau change son état de l'état liquide à l'état gazeux en bouillant
Processus lent Processus rapide
Se produit uniquement à partir de la surface exposée du liquide
Se produit dans tout le liquide
Se produit à toute température entre la température de fusion et celle d’ébullition
Se produit à une température définie - Point d'ébullition
Énergie fournie par l'environnement (principalement par le rayonnement solaire)
Source d'énergie nécessaire
Phénomène naturel Phénomène rarement naturel
Dans les conditions naturelles l'évaporation comprend souvent pour une très large part la transpiration.
La transpiration est « le phénomène physiologique de transformation de l'eau liquide en vapeur
d'eau par les êtres vivants et d'abord les végétaux » (Lambert, 1996, p. 51). Plus simplement, la
transpiration est « la quantité d'eau transpirée par les plantes lors de leur activité de croissance » (Perrin, 2011, p. 9). Selon le dictionnaire du climat « la transpiration physiologique est le fait des
êtres vivants, surtout des végétaux, qui expirent une partie de l'eau qu'ils ont absorbée pour assurer le fonctionnement de leur organisme et leur croissance. Cette vapeur d'eau est produite par la respiration ou, pour la végétation, par les stomates, orifices situés à la surface des feuilles »
(Beltrando, Chémery, 1995, p.131). Nous pouvons encore définir la transpiration végétale comme « la quantité d'eau que la plante transpire pour synthétiser un gramme de matière sèche » (Gaume, 2000, p. 8).
La transpiration joue un rôle très important dans le cycle de l'eau, vue l'étendue des couvertures végétales sur les continents et l'épaisseur exploitée par les racines qui pompent l'eau du sol et des nappes phréatiques qu'elles atteignent.
La transpiration végétale est généralement plus élevée pendant la journée, lorsque les stomates sont ouverts, que pendant la nuit. En cas de forte sécheresse, la végétation se protège des dégradations qu'une trop forte transpiration lui ferait subir en fermant ses stomates (Aldomany, 2013, p. 11).
Bien que la transpiration soit commandée, comme l'évaporation, par les facteurs météorologiques, elle est aussi commandée par des facteurs physiologiques concernant l'espèce végétale, la nature et le développement du feuillage et du réseau racinaire, le stade végétatif et la régulation par les plantes elles-mêmes en fermant leurs stomates, réduisant la surface ensoleillée (orientation des feuilles parallèlement au rayons solaires), en provocant la chute précoce des feuilles ou un flétrissement partiel.
La transpiration apparaît donc liée au régime thermique de l'air, mais non de manière linéaire. Par ailleurs, à la différence de l'évaporation qui dessèche le sol du haut vers le bas, la transpiration qui implique un pompage de l'eau du sol par les réseaux racinaires dessèche le sol dans toute son épaisseur.
Dans les recherches hydro-climatologiques nous utilisons, souvent, le concept d'évapotranspira- tion comme la somme de l'évaporation physiologique (transpiration) et l'évaporation physique. Mais, il faut faire attention aux différents types d'évapotranspiration que nous pouvons utiliser dans les recherches scientifiques.
D'après C. Lecarpentier (1975), le regroupement de l'évaporation physique et de l'évaporation physiologique sous le vocable d'évapotranspiration s'explique par une série de motifs aussi valables les uns que les autres, fait dans un souci de simplification. Parmi ces motifs, nous pouvons citer les raisons suivantes :
1. il est extrêmement difficile, voire impossible, de séparer quantitativement les deux processus : une case lysimétrique englobe sol et végétation ; un film plastique imperméabilisant le sol, non seulement conduit à des résultats non généralisables, mais surtout perturbe considérablement les phénomènes naturels ;
2. cette éventuelle séparation n'aurait d'ailleurs qu'un intérêt pratique restreint, le sol végétalisé formant un tout indissociable quant au bilan hydrique et ses applications, irrigation entre autres ;
3. le rapport entre évaporation et transpiration est en tout état de cause fluctuant : il dépend non seulement du type de plante et de sol, mais encore de la saison, du stade végétatif, des conditions climatiques antérieures, etc. Nous n'obtiendrions donc pas un rapport, mais une multitude de rapports, dénués, par là même, de tout intérêt ;
4. au plan physique, les deux phénomènes sont au fond de même nature : il s'agit de l'émission d'un flux de vapeur d'eau dont malheureusement l'étude ou la mesure directe restent du domaine des théories et modèles mathématiques : mécanique des fluides et échanges par turbulence. (C. Lecarpentier, 1975, p. 258).
2.3.2.1- L'évapotranspiration potentielle (ETP)
L'agronome américain Thornthwaite en 1931 était le premier à utiliser cette expression. En 1948 Thornthwaite a donné une définition précise de l'ETP : « évapotranspiration d'un sol couvert par
une végétation en pleine pousse végétative, le sol étant toujours bien alimenté en eau ». R. Lambert
(1996) dit en ce qui concerne cette définition que l'ETP serait indépendante de la nature de la couverture végétale et, à l'échelle du mois, ne dépendrait que des facteurs climatiques. H. Penman en 1956, donne cette définition de l'ETP : [« Evaporation from an extended surface of short green
corp, actively growing, completely shading the ground, of uniform height and no short of water »
(évaporation d'une pelouse suffisamment étendue, en bon état et convenablement alimentée en eau et régulièrement tondue).
En situation d'ETP, les plantes ne manquant pas d'eau pourraient se développer au maximum, produire le maximum possible de matière végétale et transpirer sans autre limite que l'énergie disponible.
Bien que l'ETP soit un concept élaboré en laboratoire dans des conditions qui n'existent qu'exceptionnellement dans la nature, il a bien été à la base de la théorie de l'irrigation de
complément, irrigation qui aujourd'hui s'est généralisée dans toute la France non méditerranéenne (Lambert, 1996).
L'ETP peut être calculée à partir de formules plus ou moins complexes. Nous allons consacrer un chapitre entier de cette thèse pour présenter les différents types de formules que nous avons utilisés pour calculer l'ETP.
Si les formules qui calculent l'ETP donnent des résultats satisfaisants dans les régions humides et subhumides de la zone tempérée, ces formules donnent des résultats très loin de la réalité dans les régions arides ou semi-arides.
Comme la disponibilité en eau dans le sol n'est pas toujours assurée dans notre région d'étude, surtout pendant les mois d'été, l'ETP dans ce cas est différente, voir très différente, de l'évapotranspiration réelle (ETR). Et, dans ce cas, les résultats de l'ETP ne sont pas acceptables pour estimer l'évaporation à partir des plans d'eau libres.
2.3.2.2- L'évapotranspiration réelle (ETR)
L'ETR se définit comme « la réponse, en termes de vapeur d'eau, d'un milieu donné à la
demande exercée par l'évapotranspiration potentielle, compte tenu de la quantité d'eau disponible » (Cosandey et Robinson, 2000, p. 98). Donc, la différence entre l'ETP et l'ETR est liée à
la disponibilité en eau, que cette eau vienne de l'atmosphère sous forme de précipitations, ou des réserves du sol.
L'ETR est toujours inférieure ou tout au plus égale à l'ETP. Comme l'ETP, l'ETR peut être calculée (estimée) en utilisant des formules mathématiques comme celle-ci proposée par L. Turc en (1954). Cette formule repose seulement sur les précipitations (P en mm) et la température de l'air (T en °C).
ETR mm/an=(P )/((0,9+((P )2/(L)2)))0,5 …...(17) (Lambert, 1996, p. 55)
où : L = 0,05 T3 + 25 T ;
L'ETR peut aussi être mesurée par les lysimètres à l'échelle du mois, de la semaine ou du jour.
2.3.2.3- L'évapotranspiration maximale (ETM)
Nous utilisons ce terme pour décrire la valeur de l'évapotranspiration d'une culture en l'absence d'advection, quand les conditions d'alimentation hydrique sont optimales, c'est-à-dire quand l'humidité du sol est proche de la capacité du champ dans la zone racinaire ; dans ces conditions la résistance stomatique est minimale et la résistance de l'espace poreux végétal intervient (Parcevaux
et al., 1990).
L'ETM peut être reliée à l'ETP par des coefficients culturaux empiriques inférieurs à l'unité (inférieurs à 1).
Enfin, il convient de noter que dans la littérature scientifique nous trouvons le terme
d'évapotranspiration de référence (Etr), ce terme est dans la grande majorité égal à l'ETP. Nous
trouvons aussi les termes d'évapotranspiration calculée qui se réfère au résultat de tout calcul de l'évapotranspiration, réalisé au moyen de formules (Penman, Turc, Rower...etc), et
d'évapotranspiration optimale qui représente l'évapotranspiration d'une culture spécifique, à un
optimale en vue d'un objectif agronomique ou économique particulier.
2.3.3 – L'interception
Pendant les précipitations une partie importante de la pluie est interceptée par le couvert végétal. Cette eau interceptée par la canopée végétale se divise en trois parties, 1- une partie tombe sur le sol directement par égouttage de la végétation ; 2- une autre partie parvient jusqu'au sol indirectement par le ruissellement le long des troncs ; 3- une partie est évaporée. Les deux premières parties ne composent pas une perte du point de vue hydrologique mais la troisième est considérée comme une perte.
Nous pouvons donc définir l'interception comme la fraction des précipitations qui n'atteint jamais le sol autrement dit l'interception évaporée.
Nous excluons ici l'interception horizontale du brouillard qui est positive pour le bilan hydrologique à l'inverse de l'interception verticale qui constitue une composante négative de ce bilan.
L'interception dépend à la fois des caractéristiques de la végétation et des conditions climatiques. Parmi les facteur liés à la végétation nous pouvons citer :
1. la capacité de stockage. Cette capacité est liée avant tout à l'espèce végétale. Par exemple les peuplements de feuillus interceptent moins que les peuplements de résineux. Il convient de noter ici que la capacité de stockage de la végétation basse est loin d'être négligeable (Rutter et al., 1975 ; Schuttleworth, 1977 ; Hall, 1985 et Zinke, 1987).
2. la densité et l'âge du peuplement. L'interception augmente avec la densité et le nombre des arbres par hectare. Par exemple, Aussenac (1981) estime l'interception de 35% pour une forêt de Douglas de 500 arbres/ha, et de 43% avec une densité de 3000 arbres/ha. De même l'interception est en relation positive avec l'âge des arbres mais elle atteint une valeur-seuil au-delà de laquelle elle ne progresse pratiquement plus (dès 15 ans pour le Douglas).
Les pertes par interception dépendent étroitement de l'évaporation et sont affectées par les facteurs météorologiques qui la gouvernent. Parmi ces facteurs météorologiques :
1. la vitesse du vent qui renouvelle l'air au contact de la végétation paraît être un de ceux qui jouent le plus grand rôle. Mais il faut faire attention car lorsque le vent devient violent, il provoque un égouttage rapide qui a tendance à limiter les possibilités de stockage.
2. Les caractéristiques de l'épisode pluvieux jouent aussi un rôle très important dans le processus d'interception. L'interception augmente avec la capacité de saturation du couvert végétal, la durée, l'intensité et la hauteur totale des précipitations (Calder, 1990). Dès 1919 E. Horton avait montré que les pertes par interception augmentaient avec la durée de la pluie mais de façon décroissante, de telle sorte que l'importance relative des pertes par interception diminue avec la durée de la pluie, comme cela a été aussi observé par Olszewsky (1976).