Indispensable à la régulation du climat, au dévelop- pement de la vie sur Terre, au maintien des écosystèmes, aux populations, au développement de l’agriculture, de l’in- dustrie comme à la pr duction d’énergie, l’eau est un élément vital. Il convient donc, dans un contexte de changement glo- bal, d’analyser dans toute sa diversité la place et le rôle de l’eau et de se donner ainsi les moyens de mieux la préserver.
Autour de cet enjeu qui engage toute l’humanité, Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ont réuni près de cent cinquante contributions, visant à apporter un éclairage sur chacun des domaines et des approches que couvre cette thématique.
Quelle est l’origine de l’eau ? Son rapport avec l’ap- parition de la vie ? Quel rôle a-t-elle joué dans l’histoire de la planète et dans le développement de la vie végétale, ani- male et humaine ? Quel est son cycle ? Quelles sont ses propriétés chimiques ? Comment les sociétés se sont-elles emparées de cet élément précieux ? Allons-nous manquer d’eau ? L’eau est-elle source de conflits ?
Comment l’eau est-elle gérée ? Comment recycle-t-on une eau polluée ? Quels sont les risques pour la santé mondiale ? Quels sont les grands enjeux liés à l’eau au XXIe siècle ? Comprendre et proposer des solutions à ces défis majeurs est l’intention de cet ouvrage.
Claire Albasi, chimiste Paul Arnould, géographe Gudrun Bornette, écologue Hélène Budzinski, écotoxicologue Thierry Caquet, écotoxicologie Nathalie Dörfl iger, hydrogéologue Agnès Ducharne, hydrologue Katia Fajerwerg, électrochimiste
Patrick Flammarion, écotoxicologue Stéphane Ghiotti, géographe
Bertrand Guillot, physico-chimiste Ghislain de Marsily, géologue Olivier Petit, économiste
Jean-Luc Probst, hydrologue et géochimiste Jean-Luc Trancart, hydrologue
Pour préparer cet ouvrage et choisir les auteurs, un comité de pilotage pluridisciplinaire a été formé, composé de :
Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ont pris en charge la coordination et la réalisation de l’ouvrage.
L’ eau
à découvert
Sous la direction de
Agathe Euzen Catherine Jeandel Rémy Mosseri
CNRS ÉDITIONS
L' eau
à découvert
Conception éditoriale et graphique : Elsa Godet - www.sciencegraphique.com
© CNRS Éditions, Paris, 2015 ISBN : 978-2-271-08872-7
Table des matières | 5
Table des matières
Préface
Alain Fuchs ... 15 Introduction générale
Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ... 16
- Première partie -
Les grandes thématiques et les enjeux d'aujourd'hui 1. Introduction
Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ... 21 2. Origine(s) de l'eau sur Terre
Pierre Cartigny ... 22 3. L’eau et les origines de la vie
Marie-Christine Maurel ... 24 4. Le cycle de l’eau
Agnès Ducharne et Katia Laval ... 26 5. Eau, climat et biodiversité
Bernard Dupré, Luc Abbadie et Jérôme Viers ... 28 6. L’eau, marqueur d’événements climatiques
Emmanuel Garnier ... 30 7. L'eau comme ressource
Jean-Paul Haghe... 32 8. Histoire et évolution de la distribution de l'eau
André Guillerme ... 34 9. L’eau et la ville en Europe : quelques paradoxes actuels
Daniel Florentin et Olivier Coutard... 36 10. Eaux et risques pour la santé publique
Yves Levi ... 38 11. L’eau, indispensable à la sécurité alimentaire mondiale
Marion Guillou ... 40 12. Les grands enjeux de l’eau au xxie siècle
David Blanchon ... 42 13. L’eau douce : bien (s) commun(s) ou patrimoine ?
Olivier Petit ... 44
- Deuxième partie - H2O :
aspects fondamentaux 1. L’eau, omniprésente et étonnante
Bertrand Guillot ... 49 2. L'eau sous toutes ses formes et ses transformations
Nicolas Sator ... 50 3. L’eau pure
Arnaud Etcheberry... 52 4. La molécule d’eau et la liaison hydrogène
Claude Millot ... 54 5. Les différentes phases de l'eau
José Teixeira ... 56 6. L'eau liquide : structure et dynamique aux temps très courts
Damien Laage ... 58 7. Les solutions et les dispersions aqueuses
Bernard Cabane ... 60 8. L’eau comme milieu réactionnel
Catherine Pinel et Michèle Besson ... 62 9. L’eau au cœur de l’électrolyse et des piles à combustible
Michel Cassir ... 64 10. Hydrodynamique et mécanique des fluides
Olivier Thual ... 66 11. Confiner les liquides pour les comprendre : microfluidique et nanofluidique
Denis Bartolo et Cécile Cottin-Bizonne ... 68 12. L’eau en gouttes
David Quéré ... 70 13. La pression osmotique
Benjamin Espinasse et Bernard Planchon ... 72 14. Propriétés optiques de l’eau
Jean-Marc Frigerio ... 74 15. L'eau atmosphérique
Sandrine Bony ... 76 16. La neige : formation et transformations
Samuel Morin ... 78 17. L'oxydation de l'eau au cœur de la photosynthèse
Alain Boussac et Paul Mathis ... 80 18. L’eau et la plante
Christophe Maurel ... 82
| 7 19. Comment les arbres pompent-ils l'eau ?
Christophe Clanet et Alexandre Ponomarenko ... 84 20. L'eau et la dynamique des macromolécules biologiques
Marie-Claire Bellissent-Funel ... 86 21. L’activation des protéines membranaires
Mounir Tarek et Lucie Delemotte ... 88 22. La régulation de l’eau chez les animaux
Pierre Corvol ... 90
- Troisième partie - Eau et milieu 1. L’eau, un bien commun à comprendre pour mieux le préserver
Sylvain Lamare ... 95 2. Cycle de l’eau à l’échelle des temps géologiques
Yves Goddéris ... 96 3. La Crise messinienne
Christian Gorini, Jean-Pierre Suc et Marina Rabineau ... 98 4. La répartition spatiale actuelle de l’eau sur Terre
Marine Herrmann, Sylvain Biancamaria et Rémy Roca ... 100 5. Dynamiques temporelles du cycle de l'eau
Thierry Lebel ... 102 6. La fonte des glaces continentales
Étienne Berthier et Frédérique Rémy ... 104 7. Les masses d’eau superficielle continentales
Hervé Piégay ... 106 8. Zones humides et marais d’eau douce
Jean-Luc Peiry ... 108 9. Lagunes et estuaires
Henri Etcheber et Rutger De Wit ... 110 10. Les eaux souterraines : cachées mais fondamentales
Virginie Vergnaud-Ayraud et Luc Aquilina ... 112 11. Interactions eaux de surface/eaux souterraines
Nicolas Flipo ... 114 12. La vie dans les eaux courantes continentales
Philippe Boët et Didier Pont ... 116 13. Formes d'adaptation des plantes aux milieux aquatiques
Florent Arthaud ... 118
Table des matières
14. Les adaptations des petits mammifères dans les milieux extrêmes
Christiane Denys ... 120 15. La cryopréservation
Éric Quéinnec ... 122 16. Ecosystèmes aux interfaces terre / eau
François Fromard et Eric Tabacchi ... 124 17. L’eau dans les écosystèmes continentaux
Nicolas Viovy et Gwenaël Abril ... 126 18. Action des systèmes continentaux sur le fonctionnement du milieu marin
Olivier Aumont et Laurent Bopp ... 128 19. Les échanges d’eau sol-végétation-atmosphère
Andrée Tuzet et Yves Brunet ... 130 20. Couvert végétal et ressources en eau
Serge Rambal ... 132 21. Petites rivières, qualité de l’eau et organismes
Éric Chauvet et François Guérold ... 134 22. Les eaux stagnantes
Josette Garnier, Vincent Thieu et Gilles Billen ... 136 23. La continuité écologique des corridors fluviaux
Céline Le Pichon et Kris Van Looy ... 138 24. Espèces introduites et invasions biologiques dans les eaux continentales
Anne-Marie Planty-Tabacchi et Henri Décamps ... 140 25. L'eau : milieu et ressource
Vazken Andréassian ... 142 26. Les bassins versants
Michel Lang, Éric Sauquet et Bernard Chastan ... 144 27. De la carte géologique à la carte hydrogéologique
Nathalie Dörfliger ... 146 28. Les outils pour détecter les ressources hydrologiques
Roger Guérin et Konstantinos Chalikakis ... 148 29. La dynamique des écoulements souterrains, moteur des réactions chimiques
Tanguy Le Borgne et Luc Aquilina ... 150 30. Comment les eaux acquièrent-elles leur composition chimique ?
Damien Lemarchand et Émilie Beaulieu ... 152 31. Les observatoires de l’eau terrestre
Jérôme Gaillardet et Vincent Bretagnolle ... 154 32. La gravimétrie : une méthode pour percer les secrets souterrains
Laurent Longuevergne ... 156
Table des matières | 9 - Quatrième partie -
Usages l'eaude
1. De la diversité des usages de l’eau
Denis Salles ... 161 2. Multifonctionnalité des rivières
Christian Lévêque ... 162 3. Histoire des techniques hydrauliques
Thierry Ruf... 164 4. L'agriculture irriguée et ses enjeux au xxie siècle
Sami Bouarfa, Jean-Christophe Poussin et Jean-Yves Jamin ... 166 5. Impacts de l'utilisation de l'eau par l'agriculture
Thierry Caquet ... 168 6. Usages de l’eau pour l’industrie
Michel Roustan et Alain Grasmick ... 170 7. L’eau et les exploitations minières : d’une contrainte à une richesse
Georges Vigneron ... 172 8. Industrie minière et environnement
Jacques Thibiéroz et Jérôme Viers ... 174 9. L’eau, source mécanique d’électricité
Pierre Crausse et Henri-Claude Boisson ... 176 10. L’eau, source de stockage d’énergie
Henri-Claude Boisson et Pierre Crausse ... 178 11. Stocker l’eau
Paul Royet ... 180 12. L'eau, fluide caloporteur, source d'énergie et de refroidissement
Sylvie Gentier ... 182 13. Eau lourde et énergie nucléaire de fission
Alexis Nuttin ... 184 14. Le transport par voie d’eau
Émilie Lorant-Plantier et Pierre Pech ... 186 15. Eau urbaine : production et distribution de l’eau potable
Jean-Luc Trancart ... 188 16. Eau urbaine : évacuation et assainissement
Marie-Noëlle Pons... 190 17. Les usages récréatifs de l’eau
Barbara Evrard, Damien Féménias et Olivier Sirost ... 192 18. Le thermalisme
Christian-François Roques et Claude-Eugène Bouvier ... 194
19. Les conflits d'usage autour de l’eau
Iratxe Calvo-Mendieta ... 196 20. Changements climatiques et conflits d'usage de l'eau
Pierre Chevallier... 198
- Cinquième partie - Qualité
l'eaude 1. Comment définir la qualité de l’eau ?
Laura Sigg ... 203 2. Vers quelles normes de qualité ?
Gabrielle Bouleau et Hélène Budzinski ... 204 3. Composition chimique des eaux et variabilité naturelle
Jean-Luc Probst et Anne Probst ... 206 4. Sources et cheminements des polluants
Philippe Behra et Jean-Luc Probst ... 208 5. Les macropolluants
Mireille Montrejaud-Vignoles et Claire Vialle ... 210 6. Les micropolluants et les nanoparticules
Hélène Budzinski et Julien Gigault ... 212 7. À la recherche de micropolluants dans les cours d’eau : l’échantillonnage
Fabrizio Botta ... 214 8. Mesure de la qualité des eaux par satellite
Jean-Michel Martinez ... 216 9. Capteurs de la qualité des eaux
Katia Fajerwerg, Philippe Behra et Jérôme Gaillardet ... 218 10. Impact écotoxique des contaminants chimiques
Jeanne Garric ... 220 11. Analyse des polluants dans l’eau
Patrick Mazellier et Marie-Hélène Dévier ... 222 12. Potabilisation de l’eau
Bernard Legube ... 224 13. Les technologies membranaires
Claire Albasi et Philippe Aptel ... 226 14. Dessalement d’eau de mer
Corinne Cabassud et Hélène Roux-de Balmann ... 228 15. Traitement de l'eau usée
Mathieu Spérandio et Jean-Marc Choubert ... 230
Table des matières | 11 16. Une chimie innovante au service du traitement des eaux usées
Claude Descorme ... 232 17. La remédiation naturelle et l’autoépuration des milieux aquatiques
Magali Gerino et Isabelle Laffont-Schwob ... 234 18. Réutilisation des eaux usées domestiques
Bernard de Gouvello et Nathalie Garrec ... 236 19. Recyclage et réutilisation des eaux industrielles et agricoles
Nicolas Roche et Bruno Molle ... 238 20. Les maladies liées à l’eau
Fabien Squinazi... 240 21. Hygiène et salubrité de l’eau
Gérard Jorland ... 242 22. Quelle qualité d’eau ?
Agathe Euzen ... 244
- Sixième partie - Eau et société 1. L'eau, une ressource multiforme
Corinne Larrue ... 249 2. Eau, territoires et sociétés
Stéphane Ghiotti ... 250 3. Villages lacustres du Néolithique et de l’Âge du Bronze
Pierre Pétrequin ... 252 4. Le modèle urbain : histoire de l’accès à l’eau
Sylvain Petitet ... 254 5. Nouveaux enjeux de l’accès à l’eau et à l’assainissement
Catherine Baron ... 256 6. Droit de l’eau, droit à l’eau
Nicole Belloubet ... 258 7. Droit international de l’eau
Bernard Drobenko ... 260 8. Les guerres de l’eau, une notion controversée mais avérée
Jacques Bethemont ... 262 9. Sécurité alimentaire et limites des ressources en eau
Sébastien Treyer et Sandrine Paillard ... 264 10. L’empreinte eau
Anne-Marie Boulay ... 266
11. Pratiques de consommation domestique
Agathe Euzen ... 268 12. Compter l’eau
Cyril Leclerc, Julien Batisse et Xavier Litrico ... 270 13. Peut-on expliquer le prix de l’eau ?
Rémi Barbier ... 272 14. L’eau : un objet économique complexe
Arnaud Buchs et Olivier Petit ... 274 15. Modalités de gestion des services d'eau et d’assainissement : un affrontement public-privé ?
Lætitia Guérin-Schneider ... 276 16. Outils, obstacles et défis de la politique de l’eau en France
Jean-Pierre Le Bourhis ... 278 17. Gestion des risques naturels liés à l’eau et vulnérabilités
Magali Reghezza-Zitt ... 280 18. Adaptation des populations aux conditions extrêmes liées à l'eau
Yamna Djellouli-Tabet ... 282 19. Les crues rapides : problème d’échelles et de société
Isabelle Ruin ... 284 20. Les outils de suivi et de prévision des aléas
Véronique Ducrocq ... 286 21. Les sédiments des lacs, archives des crues
Bruno Wilhelm, Fabien Arnaud et Pierre Sabatier ... 288 22. Transferts d’eau interbassins
François Molle ... 290 23. Partager l’eau : instruments, logiques et diversité
Fabienne Wateau ... 292 24. Gestion sociale de l’irrigation
Olivia Aubriot ... 294
- Septième partie - Représentations et
perspectives 1. L’eau et ses représentations, vers de nouvelles perspectives
Agathe Euzen ... 299 2. Les imaginaires de l’eau
Jean-Philippe Pierron ... 300 3. Eau, symboles et rites sacrés
Agathe Euzen ... 302
Table des matières | 13 4. L’eau dans les paysages
Augustin Berque ... 304 5. Représentations de l’eau en peinture
Georges Roque ... 306 6. Représentations visuelles de l'eau en synthèse d'image
Patrick Callet ... 308 7. L’eau, un objet d’enseignement des sciences à la physique singulière
Nicolas Décamp et Cécile de Hosson ... 310 8. Comment communiquer et sensibiliser le grand public sur les enjeux liés à l'eau ?
Bernard Chocat ... 312 9. Systèmes de modélisation et participation pour la gestion de l’eau
Olivier Barreteau ... 314 10. Les outils d’aide à la décision
Philippe Vervier, Matthieu Saint-Michel et Adrien Bonneu ... 316 11. Controverses autour de l'eau
José Teixeira ... 318 12. Les recherches sur l’eau : de nombreux défis pour l’avenir
Ghislain de Marsily et Élisabeth Lallier-Vergès ... 320 13. À la recherche d’eau dans le Système Solaire
Sylvestre Maurice ... 322
- Huitième partie -
Compléments
Glossaire ... 327 Contributeurs ... 352 Laboratoires et instituts ... 361
Préface | 15
Préface
Alain Fuchs
Cet extrait très célèbre du poème de Samuel Taylor Coleridge, « La complainte du vieux marin », résonne aujourd’hui de façon un peu grinçante à nos oreilles, dans le contexte des défis environnementaux auxquels nous faisons face, et où la place de l’eau, dans tous ses états, est souvent centrale.
Avec ce nouveau volume dédié à l’eau, Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ont pris l’initiative de compléter la série traitant du climat, de l’énergie et du développement durable « à découvert », par un ouvrage du même type sur l’eau. Je n’ai pu que les encourager dans cette démarche et je suis heureux de voir aboutir ce projet, au moment où se prépare la conférence COP21 dont on connait l’importance pour notre avenir.
Traiter à la fois des grands enjeux liés à l’eau-ressource, ses propriétés fondamentales, l’eau et ses milieux, la qualité, les usages et les politiques de l’eau par une série de courts articles accessibles et percutants écrits par les meilleurs spécialistes du domaine, constitue un incroyable défi que les trois directeurs de cet ouvrage, son comité éditorial et bien entendu l’ensemble des auteurs ont relevé de façon magistrale. Qu’ils en soient ici tous remerciés etfélicités.
Je souhaite à L’eau à découvert la même audience que ses prédécesseurs dans la même collection.
Water, water,everywhere, And all the boards did shrink;
Water, water,everywhere Nor any drop todrink.
Introduction générale
Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri
Après trois ouvrages de la même série traitant du climat, de l’énergie et du développement durable, il nous a semblé utile, voire indispensable, de compléter cet ensemble par un nouvel ouvrage collectif consacré à l’eau, compte tenu de l’enjeu majeur qu’elle représente pour lexxie siècle.
Avec la croissance démogra- phique et une urbanisation galo- pante, préserver cet élément vital, tant pour satisfaire les besoins des populations et leur santé que pour les écosystèmes, nécessite une gestion spécifique de cette ressource sur et entre les territoires. Indispensable au développement de l’agriculture pour nourrir les communautés humaines, elle l’est aussi pour le développement industriel, la production d’énergie…
Sans compter le rôle essentiel dans le maintien des mondes vivants et de la biodiversité. Or, dans ce contexte de changement global et avec le changement climatique, l’exacerba- tion des phénomènes de sécheresses, d’inondations et autres événements extrêmes, a de lourdes conséquences sur les sociétés et leurenvironnement.
Faire face à ces réalités, tout en se préoccupant de la question de la disponibilité de la ressource et de son accessibilité pour satisfaire les besoins essentiels des populations humaines, est au cœur des Objectifs du dévelop-
pement durable, qui viennent pour- suivre les Objectifs du millénaire pour le développement s’achevant en 2015.
Les enjeux liés aux milieux aquatiques ainsi qu’à l’eau et l’assainissement font l’objet d’objectifs pour garantir le bien-être humain et le respect de l’environnement. Ainsi, la question de l’eau, à l’échelle globale, s’accom- pagne de sa nécessaire gestion sur les territoires et de la préservation de sa qualité, qui se dégrade avec les acti- vités humaines. La restauration de la qualité des milieux est d’ailleurs l’une des priorités pour chacun des États européens, en cette année 2015, qui marque l’une des échéances de la
Directive cadre européenne sur l’eau.
L’apport des travaux des scientifiques dans ce domaine, tant dans l’appro- fondissement de la connaissance du fonctionnement du système Terre et de ses interactions, que dans la mise en place de dispositifs de mesures ou dans l’élaboration d’indicateurs et de systèmes de restauration des milieux, par exemple, est particuliè- rement important pour son appui aux gestionnaires, techniciens et décideurs. La question de l’eau n’est en effet pas dissociable de ces chan- gements globaux, dans la mesure où elle joue un rôle essentiel dans la régulation du climat de la Terre. L’eau
Fontaine des Quatre Parties du Monde, Paris. © Kmlz. ■
Introduction générale | 17 est, par conséquent, l’un des enjeux
de la conférence internationale sur le climat (COP 21) dedécembre 2015.
C’est ainsi, dans ce contexte, que nous avons envisagé la construction de cet ouvrage, visant à apporter un éclairage sur chacun des domaines et des approches que couvre le large spectre de la thématique de l’eau et de ses liens avec la santé, la biodiversité, les usages, la géopolitique, les sociétés, les risques, l’agriculture, laville…
L’eau reste, sur le plan fonda- mental, une substance aux propriétés physico-chimiques souvent originales et encore insuffisamment comprises.
Son histoire sur Terre n’est pas disso- ciable de l’histoire de la planète elle- même et de son climat. La vie, qui en est sortie, ne peut s’en passer. Les sociétés ont accompagné leur déve- loppement d’une maîtrise de l’eau, que ce soit pour s’approvisionner, la distribuer, ou encore la traiter. Ainsi, garante de la pérennité et du déve- loppement du monde vivant, l’eau est reconnue comme patrimoine commun de l’humanité, qui doit être préservé pour les générations futures.
L’élément eau devient alors un objet social, économique et même politique, lorsqu’il s’agit de prendre en considé- ration les conflits d’intérêts qu’elle suscite parfois entre les individus et entre les communautés, à l’échelle locale comme à l’échelleglobale…
Comprendre et proposer des solutions à ces défis majeurs est l’une des intentions de cet ouvrage. Elle ne peut en effet être envisagée sans la pré- sentation, par le monde académique qui mène ces recherches, de multiples ressorts, avancées, verrous et perspec- tives qu’elle suscite. Il convient aussi de montrer l’articulation subtile entre les niveaux de connaissance, qui vont d’une compréhension globale de phénomènes à leur description fine, mobilisant ainsi une grande diversité
d’outils, plus ou moins spécialisés, à la fois conceptuels etexpérimentaux.
L’objectif de cet ouvrage est préci- sément d’essayer de rendre accessible cet ensemble de connaissances, et quand cela est possible, de décrire les lieux d’interface où celles-ci tentent de se conjuguer en fertilisation croisée. Le comité éditorial de cet ouvrage se devait donc d’être large- ment pluridisciplinaire. Il a travaillé plusieurs mois pour identifier, sans atteindre l’exhaustivité, les sujets à privilégier, ainsi que les auteurs, pris parmi les meilleurs spécialistes du secteur académique. La quantité et la diversité des sujets relatifs à l’eau ont contraint le comité éditorial à faire le choix de privilégier les eaux douces continentales. La question de l’océan a été restreinte aux rôles qu’il joue aux interfaces avec l’atmosphère (évapora- tion-précipitation) et avec les conti- nents (estuaires, littoraux…). L’océan comme ressource d’eau est aussi dis- cuté, dans le cadre des dispositifs de traitement de l’eau, en particulier ledessalement.
Après avoir présenté les grandes problématiques et les enjeux liés à l’eau dans la première partie de l’ouvrage, il s’agit de donner les élé- ments fondamentaux pour com- prendre l’eau, sous sa forme H2O, dans tous ses états, au chapitre deux.
Omniprésente sur la Terre, elle est au cœur d’un cycle et prend des formes différentes selon les milieux qu’elle compose et qu’elle traverse, ce que montre le troisième chapitre.
Considérée comme une ressource, le
chapitre quatre invite à comprendre comment l’eau est captée, prélevée, canalisée, stockée et encore traitée et transformée, pour satisfaire la grande diversité des usages qu’en ont les populations pour se développer. Mais ces usages ne sont pas sans incidence sur la qualité de l’eau, ce qui impacte les milieux et la santé humaine, comme le montre le chapitre cinq. Le chapitre six permet de comprendre comment les sociétés se sont organi- sées, depuis les temps anciens jusqu’à aujourd’hui, autour de cette ressource vitale, tant en milieu urbain que rural.
Enfin, le dernier chapitre s’attache à montrer jusqu’où l’eau est prégnante pour chaque individu et pour les sociétés à travers les représentations et ouvre vers les perspectives qu’offre la recherche dans le domaine del’eau.
Cet ouvrage n’aurait pu être réa- lisé sans de multiples soutiens. Nous tenons tout d’abord à remercier le président du CNRS, qui a soutenu le projet et accepté de préfacer l’ouvrage.
Nous souhaitons aussi remercier les membres du comité éditorial pour la richesse de leur grande implica- tion, la richesse des échanges et leur contribution dans la structuration de l’ouvrage, chacun des auteurs pour leur enthousiasme dans ce projet et leur mobilisation en un temps record, et aussi CNRS Éditions qui a accompagné la réalisation jusqu’à sa parution. Mais tout cela n’aurait pas suffi sans le dynamisme et le pro- fessionnalisme d’Elsa Godet, qui a mis l’ensemble de ses compétences et toute son efficacité au service de la réalisation de ce belouvrage.
Références bibliographiques
• C. JEANDEL et R. MOSSERI (dir.) – Le climat à découvert, CNRS Éditions, 2011.
• R. MOSSERI ET C. JEANDEL (dir.) – L’énergie à découvert, CNRS Éditions, 2013.
• A. EUZEN, L. EYMARD et F. GAILL (dir.) – Le développement durable à découvert, CNRS Éditions, 2013.
Introduction générale | 19
- P REMIÈRE PARTIE -
Les grandes
thématiques
et les enjeux
d'aujourd'hui
Page précédente :
De la source au robinet, histoire d’un cycle aux multiples enjeux. Abreuvoir suisse, près d’Hasliberg, Canton de Bern.
© P. Bürgler. ■
Introduction | 21 Eau des villes ou eau des
champs ? Eau à boire, cuire, se laver ou eau pour fabriquer un jeans, un T-shirt, une voiture ? Eau pure et purifiante ou eau toxique, dange- reuse ? Comment l’eau arrive-t-elle au cœur de la ville, au robinet ? Et d’abord, ces grandes questions : d’où vient toute cette eau sur Terre, d’où vient et où va la pluie, com- bien de temps l’eau reste-t-elle dans l’océan, d’ailleurs l’océan a-t-il tou- jours eu le même volume et depuis combien de temps est-il surTerre ?
L’eau, indispensable au déve- loppement de la vie sur Terre, est nécessaire au développement de l’agriculture pour nourrir les popu- lations et pour leur hygiène, mais elle l’est aussi pour le développe- ment industriel et la production d’énergie. Notre planète est direc- tement concernée par des phéno- mènes de sécheresses, d’inondations et autres événements extrêmes*, qui ont de lourdes incidences sur les éco- systèmes et populations. La ques- tion de l’eau n’est pas dissociable des changements globaux, dans la mesure où elle joue un rôle essentiel dans la régulation du climat de la Terre. Dans un contexte de démo- graphie croissante et d’urbanisation galopante, la question de l’eau est au centre de nos préoccupations, de celle des gestionnaires publics, des enjeux politiquesmondiaux.
Ce premier chapitre est conçu pour répondre à plusieurs questions très génériques et fondamentales à la fois. Un premier groupe d’articles aborde la question de l’eau sous son aspect « fluide géophysique », support de la vie sur Terre. Le pre- mier texte surprend le lecteur en expliquant pourquoi notre planète est considérée comme « pauvre en eau », alors que l’eau est majori- tairement présente à la surface de la planète, et tente de décrire où en est la compréhension de la prove- nance de l’eau terrestre. Le second débat de l’origine de la vie sur Terre, présente depuis plusieurs milliards d’années, et discute la recette de la soupe originelle d’où ont émergé les premières protéines. Le troisième décrit le grand cycle de l’eau, des océans aux arbres, ouvrant sur les quatrième et cinquième articles, qui traitent de l’eau dans l’histoire récente du climat et de l’eau dans le changement global, qui affecte aujourd’hui les rythmes naturels à l’œuvre depuis plus de 8 000ans.
Un deuxième groupe d’articles décrit une eau plus technique, au service des êtres humains, où le lecteur apprend comment ceux-ci maîtrisèrent progressivement la distribution de l’eau et quelle est la place de l’eau dans le dévelop- pement des sociétés. Il y est éga- lement question de l’eau dans la ville, celle bue directement, mais
aussi celle consommée indirecte- ment via les produits manufacturés etl’alimentation.
Un troisième groupe d’articles rappelle le rôle essentiel de l’eau dans la vie, que ce soit l’eau des champs pour la sécurité alimen- taire mondiale, en soulignant l’ur- gence des besoins en innovation pour mieux irriguer avec moins, mais aussi l’eau pour l’hygiène ou à l’opposé, l’eau insalubre et vecteur demaladies.
Le dernier groupe d’articles traite de l’eau « politique », l’eau comme enjeu mondial et posé tel quel aux gouvernants. Et enfin, le dernier article nous invite à réfléchir sur le statut de l’eau : bien commun ou patrimoinecommun ?
1. Introduction
Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri
Gulfoss, chute d’eau de la rivière Hvítá, Islande. © A. Euzen. ■
2. Origine(s) de l'eau sur Terre
Pierre Cartigny
L'habitabilité d'une planète dépend de nombreux paramètres : si la planète est trop petite, et donc trop légère, son atmosphère s’échap- pera rapidement… Mais parmi tous, la présence d'eau liquide reste l'élé- ment central. Comprendre l'origine de l'eau sur Terre, c'est répondre à la condition nécessaire à l'appari- tion de la vie et c’est également un moyen d'appréhender la présence de vieextraterrestre.
Sans eau notre planète serait morte
L’origine de l’eau sur Terre est une vieille question scientifique, qui, par manque de données temporelles et spatiales, reste largement ouverte.
En l'état des connaissances, la Terre apparaît globalement pauvre en eau.
La présence, en abondance, d’eau à la surface (masse des océans ~ 1,4 1021 kg) ne saurait cacher le fait que le manteau terrestre (qui s’étend sous la croûte jusqu'à 2 900 km de profondeur) est vraisemblablement pauvre en eau. La plupart des échantillons dont on dis- pose donne des valeurs de l’ordre de 250 milligrammes par kilogramme de roche. De par sa taille (~4 1024 kg) il contient néanmoins l'équivalent d’un océan (soit ~1021kg).
Dans le manteau, l'eau, ou plutôt l’hydrogène, n'est pas présente sous
forme d'H2O liquide ou vapeur, mais sous la forme de groupements hydroxyles (OH-), qui pénètrent dans les minéraux (le plus abondant étant l'olivine). Ils sont en général en concen- tration très faible, mais ont des effets significatifs sur les propriétés physiques du manteau, puisque l’eau peut abaisser localement la température de fusion des roches de l’ordre de 200 °C et leur viscosité* d'un facteur 100. La présence d’eau rend le manteau plus ductile et permet l'existence de grandes cellules de convection*, dont la tectonique des plaques et le volcanisme en sont les expressions desurface.
Enfin, sans eau, l'atmosphère de notre planète ressemblerait à celle, très épaisse, de Vénus (96 % de CO2 et 3,5 % de N2). Sur Terre, l'eau a dis- sous en grande partie le CO2 atmos- phérique pour laisser une atmosphère riche en azote et donner naissance au cycle du carbone* (cf.III.18).
La distribution de l'eau sur Terre
Sur Terre, la formation de la croûte océanique au niveau des dorsales océa- niques* est associée à une intense acti- vité hydrothermale (interactions entre la roche et l’eau de mer), dont les fumeurs noirs* témoignent du transfert vers la surface d'éléments essentiels aux cycles bio-géochimiques (fer, manganèse, zinc,
cuivre). Elle aboutit surtout à la forma- tion de minéraux hydratés. Par exemple, la serpentine se forme aux dépens de l'olivine, la première contenant 12 % en poids d'eau alors que la seconde n'en contient que quelques dizaines de mg par kg. La croûte océanique voit ainsi sa concentration en eau multipliée par plus de 100. Sans un retour massif de l'eau de la croûte océanique, l'eau des océans disparaîtrait en moins de cent millionsd'années.
L'eau piégée dans la croûte océa- nique est libérée en profondeur dans les zones de subduction*. Au fur et à mesure de l’enfoncement de la plaque océanique dans le manteau, la pression et la température augmentant, les réac- tions métamorphiques* libèrent l’eau et conduisent à la formation de nouveaux minéraux pauvres en eau. Ainsi, plus de 98 % de l'eau retournerait à la surface et un état stationnaire entre cette eau piégée dans la croûte et celle libérée dans les zones de subduction serait atteint depuis l'Archéen (soit depuis plus de 2,5 milliards d'années). Les océans auraient donc atteint leur taille actuelle depuis cetteépoque.
L'eau n'est cependant pas répartie de manière homogène dans le man- teau. Il existe des variations latérales ; par exemple, les basaltes montrent des teneurs en eau variables de plus d'un facteur quatre. Il pourrait aussi exister des variations avec la profondeur, pouvant aller jusqu'à un facteur 50.
Le conditionnel est requis, les é chan-
Origine(s) de l'eau sur Terre | 23 tillons terrestres plus profonds que 250
kilomètres restent exceptionnels et se limitent à 300 diamants. La nature de leurs inclusions minérales permet de déduire leur profondeur de formation et de plonger jusqu’à ~ 800 km. Avec si peu d’échantillons, le cycle de l’eau est donc généralement étudié de manière indirecte. Les données expérimentales aux hautes pressions et températures montrent que si les minéraux du man- teau supérieur (jusqu'à 410 km) ne peuvent accommoder de grandes quan- tités d'eau, ceux de la zone de transition manteau supérieur-manteau inférieur (410-660 km), peuvent, quant à eux, contenir jusqu'à 2,6 % en poids d'eau.
De plus, les zones à faible vitesse sis- mique (autour de 410 km profondeur) et surtout la découverte récente d'une inclusion de ringwoodite (un poly- morphe de haute pression de l'olivine) dans un diamant contenant au moins 1,5 % d'eau en poids démontrent que la zone de transition peut être au moins localement très riche en eau. En extra- polant à son ensemble, il pourrait y avoir l'équivalent d'un océan dissous dans la zone de transition. Pour le manteau inférieur (660-2900 km), les données expérimentales suggèrent que peu d'eau pourrait rentrer dans les minéraux exis- tants. Mais les compositions chimiques considérées restent souvent très simples, ainsi l'étude d’inclusions minérales de diamants du manteau inférieur devrait
bientôt apporter une première estima- tion des teneurs en eau potentiellement présentes. Pour le noyau de la Terre (2900-6400 km), aucune donnée ne permet d'appréhender avec précision sa concentration enhydrogène.
Provenance de l’eau sur Terre
La plupart des scientifiques s’accordent pour dire que, durant sa formation, la Terre a dû perdre la majo- rité de son eau, dite primordiale, puis acquérir tardivement l’eau que nous voyons aujourd’hui. Mais il n’y a pas encore de consensus, ni sur la chrono- logie ni sur les composants apportés.
Les modèles d'accrétion des planètes (en général) prédisent un épisode de fusion globale durant les premières centaines de millions d'années, consé- quence de la libération de l'énergie gra- vitationnelle et nucléaire. L’histoire de la Terre (en particulier) a été marquée par la formation de la Lune. Les simi-
litudes géochimiques entre la Terre et la Lune (mais aussi la grande taille de la Lune et la courte distance Terre-Lune) attestent d'une formation conjointe des deux objets via un impact entre la proto-Terre et un impacteur de la taille de Mars, aboutissant là encore à la fusion globale des deux corps. Une telle histoire suggère que l'eau terrestre (et bien sûr celle de la Lune) ait pu être évaporée… pour être ensuite apportée il y a environ 4,4 milliards d'années, par des corps primitifs riches en eau, tels que des chondrites* ou des comètes. Sur la base des rapports isotopiques de l'hydro- gène, l’hypothèse d’un apport d’eau provenant de chondrites carbonées (celles qui ressemblent le plus au soleil et qui contiennent jusqu'à 20 % d'eau en poids) serait la plusvraisemblable.
Pour comprendre si la Terre a perdu l'intégralité de son eau avant qu'elle ne soit apportée plus tardive- ment, il faudrait avoir accès à l'eau primordiale ou à celle apportée tardive- ment. Bien sûr, cela est impossible, tout ayant, en effet, été effacé et mélangé par l'érosion* et la tectonique des plaques.
Là encore, ce sont des évidences indi- rectes, via la géochimie des gaz rares et de l'azote, qui permettent de conclure à la présence d'eau primordiale sur Terre, mais un bilan reste en l'état impossible à faire. Malgré les difficultés soulignées, de grandes avancées ont néanmoins été réalisées. Des zircons âgés de près 4,4 milliards d'années pré- servent, dans l’abondance des isotopes*
de l'oxygène, la trace d'interactions hydrothermales, démontrant de facto la présence d'eau. Cette observation prouve que, très tôt dans l'histoire de notre planète, les conditions étaient favorables à l'apparition de lavie.
Références bibliographiques
• F. ROBERT – L’origine de l’eau dans le système solaire telle qu’elle est enregistrée par son rapport isotopique D/H, L’environnement de la Terre primitive, Presses Universitaires de Bordeaux, 2001.
• www.eau-seine-normandie.fr/index.php?id=7213 Une vue d'artiste des conditions régnant à la surface de la Terre il y a 4,4 mil-
liards d'années. Cette vue est à l'opposé de celle qui a longtemps prévalu, décri- vant la Terre comme un milieu hostile, chaud et dépourvu d'eau. © D. Dixon www.cosmographic.com, avec autorisation. ■
3. L’eau et les origines de la vie
Marie-Christine Maurel
Tout organisme vivant, de la simple cellule à la méduse, contient une très grande quan- tité d'eau (de 70 % à 99 % pour la méduse). Les tardigrades (ou
« oursons d’eau ») sont les ani- maux les plus résistants que nous connaissons, et ils ne retrouvent leurs propriétés vitales, après des- siccation*, qu’en recouvrant les 99 % d’eau perdue en cryptobiose (cf. III.15). La vie sans eau liquide est aujourd’huiinimaginable.
L’eau, indispensable à la vie
Depuis ses origines, 90 % de l’histoire de la vie s’est déroulée dans l’eau et l’analyse isotopique* de l’oxygène 18O/16O extrait du plus vieux minéral connu, le zircon (découvert en Australie et datant de -4,4 milliards d’années), révèle que la Terre abritait déjà à cette époque un ou plusieurs océans d’eau liquide. Contrairement aux océans actuels, dont le pH est légèrement basique (aux environs de 8), le pH des premiers océans était alors inférieur en raison du niveau élevé de CO2 (0,1 à 1 atmosphère).
Des conditions très acides ou très basiques, telles que celles rencontrées près des sources hydrothermales, qu’elles soient sous-marines ou de surface, auraient donc pu permettre le
déroulement des premiers événements chimiques précurseurs du vivant (chimiepré-biotique*).
Charles Darwin, fondateur de la théorie de l’Évolution, déclarait en 1871 : « Mais si (et oh !, quel grand si) nous pouvions concevoir, dans quelque petite mare chaude, en présence de toutes sortes de sels d'ammoniac et d'acide phosphorique, de lumière, de chaleur, d'électricité, etc., qu'un composé de protéine fût chimiquement formé, prêt à subir des changements encore plus complexes, au jour d'aujourd'hui une telle matière serait instantanément dévorée ou absorbée, ce qui n'aurait pas été le cas avant l'apparition des créaturesvivantes ».
Ainsi, la recherche des origines de la vie se concentre principalement sur les voies de passage d’une chimie pré- biotique à une biologie simple dans l’eau, au sein d’une cavité rocheuse, où des cycles d’hydratation et de sécheresse ont pu se produire sur des surfaces minérales. Des traces fossiles de formes cellulaires datant de 3,5 milliards d’années ont été retrouvées dans les stromatolithes*
qui gisent dans des eaux saumâtres*
(figure). En plus des analyses sur le terrain, beaucoup de recherches sont menées en laboratoire. Certains cher- cheurs reproduisent l’environnement où s’épanouissent les sources chaudes sous-marines, qui jaillissent de vol- cans des rides océaniques situées en
Les stromatolithes* résultent de l’activité de Cyanophycées (algues bleues) qui piègent et cimentent avec du carbonate de calcium CO3Ca des particules détritiques. Une fine lamination indiquant une croissance par encroûtements suc- cessifs produit des monticules qui affleurent au niveau de la mer. © P. Harrison. ■
L’eau et les origines de la vie | 25 moyenne à 3 000 m de profondeur,
d’autres alternent les périodes de sécheresse et d’hydratation en sur- face (dans une « mare chaude »), d’autres encore font intervenir des argiles* ou des sulfures de fer. Enfin, des recherches sont menées sur les glaçons, les gouttelettes finement dispersées dans les brouillards et les nuages, qui peuvent rester liquides bien au-dessous de 0 °C (cf. II.2) et qui auraient pu favoriser sur Terre l’ap- parition d’un grand nombre de com- posés organiques, dissous, concentrés et prêts à réagirchimiquement.
Scenarii d’apparition de la vie
Dès les années 1920, Alexander Oparin (1894-1980) et John Hal- dane (1892-1964) ont proposé, dès les années 1920, le scénario dit de « l’océan primitif », sorte de
« soupe pré-biotique » dans laquelle se seraient déposées des molécules organiques formées dans l’atmos- phère réductrice et entraînées par les nombreuses pluies se déversant sur la planète. Ces molécules, méthane (CH4), ammoniac (NH3), eau (H20) et hydrogène (H2) auraient réagi dans l’eau du bouillon primitif pour former des molécules simples, acide cyanhydrique (HCN produit de la réaction du méthane et de l’ammo- niaque) et formaldéhyde* (HCHO issue de la combi nai son de l’eau et du méthane). Le mélange de for- maldéhyde et d’acide cyanhydrique dans l’eau, bénéficiant d’un apport d’énergie thermique, électrique (éclairs) ou photonique (UV solaire) aurait progressivement évolué pour donner les briques élémentaires du vivant et les vésicules (coacervats*), premières « niches écologiques » capables de concentrer et de rap- procher les réactants* pré-biotiques.
Stanley Miller a testé cette formi- dable hypothèse en construisant en 1953 le premier appareillage capable de reconstituer les conditions pri- mordiales. Grâce à ce réacteur, il a réussi la synthèse pré-biotique de cinq acides aminés artificiels en tout point identiques aux acides aminés naturels, éléments de base des pro- téines de toutes les cellulesvivantes.
Dans les années 1960, Juan Oro a combiné cinq molécules d’acide cyanhydrique (HCN) et obtenu les bases azotées de nos acides nucléiques*, supports moléculaires des chromosomes. Dans ces condi- tions, la principale voie de synthèse conduit à l’adénine* constitutive de l’ARN (acide ribonucléique) et de l’ADN (acide désoxyribonu- cléique), mais aussi des coenzymes*
et de l’ATP* (adénosine triphospho- rique), molécule-clé, responsable du stockage de l’énergie chimique de nos cellules. Enfin, la combinaison, en laboratoire, de molécules de for- maldéhyde permet de fabriquer des sucres, en particulier un sucre à cinq atomes de carbone, le ribose*, élé- ments de base de la moléculed’ARN.
Beaucoup de questionnements subsistent pour reconstituer de manière stable et quantitative la bio- masse primitive en suivant toutes les étapes décrites ci-dessus. Des inter- rogations portent, par exemple, sur la composition de l'atmosphère pri- mitive, ainsi que sur la teneur et sur la concentration des molécules dans le vaste océan primitif. La présence de CO2 est essentielle pour main- tenir l'effet de serre, sans lequel il n'y
aurait pas d'eau sous forme liquide sur Terre. Par ailleurs, récemment, de la matière organique a été recréée en conditions d’oxydo-réduction dites « neutres » (atmosphère riche en CO2). Le modèle d’atmosphère proposé pour la synthèse organique est donc compatible avec l’exigence d’eau liquide, sans laquelle il n’y aurait ni chimie pré-biotique, ni vie possible sur notreplanète.
La vie ailleurs ?
Il n’existe pas d’eau liquide à la surface de Mars, pourtant la sonde Mars Express (ESA) a montré qu'il devait y avoir, il y a très long- temps, une atmosphère et des océans. L’existence de glace d’eau au niveau de la calotte polaire nord et la présence de roches sédimen- taires salines de types évaporites*, d’argiles et d’autres niches possibles en sub-surface, sont les signes posi- tifs encourageant la recherche de traces de vie passée sur « la planète rouge » (cf. VII.13). La décou- verte par la sonde Cassini-Huygens (NASA/ESA) de puissants gey- sers d’eau liquide sur un satellite de Saturne, Encelade, montre que des réactions chimiques en solu- tion aqueuse sont possibles sous la calotte de glace. Des mélanges d’eau et d’ammoniaque ou de méthane et d’éthane existant un peu par- tout dans les planètes géantes, quels fluides, quelle chimie, quels types d’énergie permettraient à une forme de « vie » de se développer dans cesenvironnements ?
Références bibliographiques
• M.-C. MAUREL – Les origines de la vie, Editions SYROS, 1994.
• M.-C. MAUREL – D’où vient la vie ? Editions Le Pommier, 2014.
• P. FORTERRE, L. D’HENDECOURT, C. MALATERRE et M.-C. MAUREL – De l’inerte au vivant. Enquête scientifique et philosophique, Ed. La ville brûle, 2013.
• Les Origines de la vie, La Recherche, numéro spécial, février 2013.
4. Le cycle de l’eau
Agnès Ducharne et Katia Laval
L’eau circule continuellement dans les enveloppes superficielles de la Terre, au sein de plusieurs grands compartiments : les océans, la cryosphère* (neige et glaces), la lithosphère (sols et sous-sol), l’at- mosphère et labiosphère.
Pourquoi et comment un cycle ?
Ces compartiments sont les éléments constituant le système climatique, dont la masse d’eau totale est quasiment constante. Le rayonnement solaire, absorbé par la surface du globe, provoque l’éva- poration des océans, lacs, rivières et sols, la transpiration des plantes, et la sublimation de la glace et de la neige. Mais de multiples autres transports participent au cycle de l'eau (figure 1) : dans l'atmosphère, sous forme vapeur essentiellement, mais aussi liquide ou solide au sein des nuages ; de l'atmosphère vers la surface par précipitation de l’eau ou de la glace contenues dans les nuages ou par condensation directe (brouillards) ; dans les océans par les courants, ou dans la lithosphère, à travers les sols, le sous-sol et les cours d’eau, qui se déversent dans lesocéans.
En moyenne globale, chaque m2 de la surface de la Terre évapore 1 000 l, soit une hauteur de 1 m, d’eau par an, et reçoit une précipitation équivalente. Ces valeurs masquent cependant de forts contrastes, dans le temps (variabilité saisonnière et interannuelle) et dans l’espace. En particulier, l’évaporation annuelle moyenne par m2 est deux fois plus forte depuis les océans que depuis les continents, où l’eau est moins faci- lement disponible. Dans le domaine océanique, l’évaporation excède les précipitations, à l’inverse du domaine continental. Ce déséquilibre entraîne
un transport de vapeur d'eau dans l'atmosphère depuis les océans vers les continents, contrebalancé par le transport d'un volume équivalent d'eau liquide depuis les continents vers lesocéans.
Le cycle de l’eau global est donc constitué par deux branches horizon- tales, l’une atmosphérique et l’autre continentale, associées à des trans- ports opposés, et couplées par deux branches verticales, où les échanges d'eau impliquent un changement de phase, qui précède leur transfert ver- tical(figure 1).
Fig. 1 –
Le cycle de l’eau global. © E. Godet ■Sols et zones humides
93 Cours d'eau
et lacs 93 Calottes
et glaciers 24 124 Transport atmosphérique
depuis les océans Atmosphère 40
13
Océans 1 338 000
Pergélisols 300 Évaporation continentale 73 (490) Précipitations
continentales 113 (758) Évaporation
océanique 413 (1144)
Flux en 103 km3/an (mm/an)
(Trenberth et al., 2007)
Volumes en 103 km3
(Shiklomanov et Rodda, 2003)
Précipitation océaniques 373 (1033)
Écoulements continentaux 40
Eaux souterraines 23 400
Le cycle de l’eau | 27
Branche
atmosphérique et circulation générale
Dans l’atmosphère, c’est la cir- culation des masses d’air qui permet de transporter la vapeur d’eau de ses sources (évaporation) à ses puits (pré- cipitation). Elle permet donc d’expli- quer les variations géographiques de la pluviosité. Sur les continents, les zones côtières sous les vents issus des océans (ouest de l’Europe et du Canada, sud- est des États-Unis) sont ainsi mieux arrosées que les zones plus continen- tales. Mais les précipitations sont aussi plus fortes quand les conditions sont favorables à la condensation. C’est notamment le cas quand l’air subit un refroidissement, ce qui est fréquemment associé à des ascendances. À condition que l’humidité soit suffisante, les préci- pitations sont donc abondantes sur les reliefs, souvent vus comme les châteaux d’eau descontinents.
À l’échelle du globe, les plus fortes précipitations apparaissent en zone équatoriale, où les masses d’air s’élèvent en permanence de quelques mm/s. Le moteur est le rayonnement solaire, maximum au niveau de l’équateur, où il chauffe fortement les basses couches de l’atmosphère. La dépression équatoriale, ainsi créée, favorise une ascendance qui constitue la branche équatoriale de la cellule de Hadley*. L’air qui arrive au sommet de l’atmosphère est expulsé vers les régions subtropicales, et ramené vers la basse atmosphère par la branche descendante de la cellule de Hadley. Le parcours est fermé par les alizés, qui transportent l’air des régions subtropi- cales vers l’équateur. Dans la branche ascendante de cette cellule, la décrois- sance de la température avec l’altitude est alors suffisante pour déclencher la convection*, qui nous offre le spectacle grandiose des cumulo-nimbus, tours blanches dont la hauteur peut dépasser 10 km (cf. II.15). Ces mécanismes
engendrent les maxima de précipita- tions annuelles à l’échelle du globe.
L’air descendant de la deuxième branche de la cellule de Hadley est très sec, ce qui explique l’existence de ceintures
« désertiques » subtropicales, tant sur les continents que sur lesocéans.
Branche continentale et ressources en eau
L’eau douce « utile » pour les besoins des écosystèmes terrestres et des activités humaines a deux com- posantes majeures. La première est l’humidité des sols, souvent appelée
« eau verte », car elle alimente la transpiration des plantes (cf. II.18), couplée par la photosynthèse à leur production de biomasse (cf. II.17). La seconde constitue les « eaux bleues », qui s’écoulent sous forme liquide dans les bassins versants, au sein des cours
d’eau, lacs, et dans les roches aquifères*.
Comme pour le pergélisol*, les volumes et la distribution des eaux souterraines sont mal connus, mais on estime que seules les plus superficielles (environ 3,6 millions de km3) circulent active- ment dans le cycle de l’eau, dont 10 % rejoindraient les océans sans transiter par les cours d’eau (cf.III.10).
Ces ressources en eau « utile » ont un volume faible, tout comme leur temps de résidence* (figure 2), ce qui traduit un renouvellement rapide, à même de soutenir des prélèvements plus importants sur le long terme que le volume moyen. In fine, elles sont perpétuellement renouvelées par dis- tillation* de l’eau de mer lors des chan- gements de phase du cycle de l’eau. Le reste des eaux souterraines et l’eau de la cryosphère offrent des volumes plus importants, mais mal connus, plus difficiles à exploiter (éloignement et conditions extrêmes) et peu renouve- lables (temps de résidence trèslongs).
Références bibliographiques
• K. LAVAL et G. LAVAL – Incertitudes sur le climat, Belin 2013.
• I. A. SHIKLOMANOV et J. C. RODDA – World Water Resources at the Beginning of the Twenty-First Century, Cambridge University Press, 2003.
• K. TRENBERTH et al. – Estimates of the global water budget and its annual cycle using observations and models data, J. Hydrometeorology, 8, 758–769, 2007.
Compartiment Volumes
Temps de résidence
103 km3 m
Océans 1 338 000 2624 2500 ans
Cryosphère
Calottes 24 000 47 9700 ans
Pergelisols 300 0,588 10000 ans
Glaciers de montagne 124 0,243 1600 ans
Eaux souterraines
Profondes 19800 39 1400 ans
Superficielles 3600 7 1400 ans
Sols et zones humides 28 0,055 1 à 5 ans
Lacs d’eau douce 91 0,178 17 ans
Mers intérieures 85 0,167 Non estimé
Atmosphère 13 0,025 8 jours
Cours d’eau 2 0,004 16 jours
Biosphère 1 0,002 quelques heures
Fig. 2 –
Volumes et temps de résidence* des principaux compartiments impliqués dans le cycle de l’eau. Les volumes s’entendent en eau liquide ; les valeurs en mètre sont obtenues en étalant le volume sur toute la planète. D'après Shiklomanov et Rodda, 2003. ■Retrouvez tous les ouvrages de CNRS ÉDITIONS sur notre site www.cnrseditions.fr
