Le cycle de l'eau sur Terre

Le cycle de l'eau correspond à un processus selon lequel l'eau se déplace entre différents endroits, tout en changeant de forme et d'état.

On parle de cycle puisque, en effet, il n'y a aucune perte car la quantité d'eau qui entre dans ce processus reste toujours la même, elle subit juste des modifications d'états.

C'est un cycle biogéochimique et cela signifie que, comme tous les cycles biogéochimiques, celui-ci concerne le cycle des éléments chimiques nécessaires à la manifestation et au déploiement de la vie. Dans le cas du cycle de l'eau, les éléments chimiques sont stockés dans des réservoirs qui sont :

  • L’atmosphère ;
  • L'hydrosphère et les éléments qui s'y forment ;
  • Les sols et les roches de la lithosphère ;
  • La biosphère.

Le cycle de l'eau se distingue néanmoins des autres cycles biogéochimiques par deux caractéristiques puisque la molécule d'eau ne subit aucune transformation au cours de son cycle et les êtres-vivants y interviennent très peu.

Pourquoi pleut-il ?
La pluie et toutes les précipitations sont causées par le cycle de l'eau.
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La répartition de l'eau sur Terre

L’eau est l’élément le plus répandu sur la planète mais aussi le constituant le plus important des êtres-vivants.
L'Homme est en effet lui-même constitué de 70% d'eau).

97,5% de l'eau présente sur Terre est salée. Elle constitue donc les océans et les mers de notre planète. Au niveau des hémisphères, celui du nord comporte moins d'eau que celui du sud et toutes les étendues salées de ces deux hémisphères représentent 1350 millions de km3. Ils recouvrent donc les deux tiers de la planète.

Le reste de l'eau disponible sur Terre est de l'eau douce. Parmi ces dernières, 2,59% sont immobilisées par les eaux souterraines ou sous forme de glace (eau non directement disponible pour les êtres-vivants). Les 0,1% restants représentent l'eau de surface et l'eau d'humidité du sol, ces dernières étant accessible des êtres-vivants.

Le plus grand réservoir d'eau douce au monde est le lac Baïkal. Il se situe en Sibérie et représente 1/5 du réservoir mondial avec une profondeur plus de 1600 mètres !

Cependant, seuls 0,007% de l'eau hydrosphérique sont utilisables par l'Homme et sont constitués de ces réservoirs :

  • Cours d'eau ;
  • Lacs ;
  • Nappes de sub-surface.

Le reste n'est pas facilement exploitable ou alors demanderait des coûts de forage trop élevés.

Le changement d'état est une transformation physique

On appelle transformation physique tout passage d'un ou de plusieurs corps d'une forme à l'autre et ce sans qu'il n'y ait de modification de la structure moléculaire voire nucléaire des constituants des corps qui subissent la transformation.

Ainsi, une transformation physique peut être représenté par un changement d'état de la matière, les déformations ou encore des ruptures suite à l'action de la température ou de la pression.

Les changements d'états de l'eau

Où trouver les 3 états de l'eau ?
Au sein de votre maison, vous pouvez rencontrer les 3 états de l'eau. Pour trouver de l'eau solide, rendez-vous dans votre congélateur : il y a des glaçons. Pour trouver de l'eau liquide, ouvrez le robinet : l'eau courante y est liquide. Enfin, pour trouver de l'eau gazeuse, rendez-vous dans votre cuisine et faîtes y chauffer de l'eau : de la vapeur s'échappera de la casserole !

Il existe en tout 6 changements d'états possibles pour l'eau. Ce sont les six transformations fondamentales qui interviennent en chimie.

La fusion

La fusion intervient lorsque de la glace fond. Par exemple, un glaçon dans un verre d'eau. Il s'agit donc du passage de l'état solide à l'état liquide.

La vaporisation

La vaporisation est le passage de l'état liquide à l'état gazeux. Même si le nom est proche, cela n'a aucun rapport avec le fait de projeter de l'eau avec un vaporisateur.
La vaporisation a lieu lorsqu'on laisse évaporer de l'eau au soleil ou quand on la porte à ébullition.

La liquéfaction

Il s'agit de la transformation inverse de la vaporisation. Elle intervient quand de la vapeur d'eau se transforme en eau liquide.
La liquéfaction a lieu soit par compression : la pression qui augmente rends l'eau gazeuse liquide ou par refroidissement et dans ce cas le gaz refroidit pour devenir liquide, c'est la condensation.

La solidification

La solidification est le phénomène durant lequel l'eau liquide devient solide. Cela se produit quand elle gèle, on parle alors de congélation. L'eau se met à se solidifier une fois qu'elle descend en dessous de 0° C.
L'eau peut aussi se solidifier en cas de cristallisation ou d'augmentation de la pression.

La sublimation

La sublimation intervient quand l'eau passe directement de l'état solide à l'état gazeux. Cela fait que la glace devient vapeur sans même passer par les étapes habituelles de fusion et de vaporisation.

Cela peut arriver lorsque de l'eau très chaude entre en contact avec de l'air très froid. Elle part alors en fumée blanche (de la vapeur d'eau).

La condensation solide

La condensation solide est le phénomène qui se produit lorsque de l'eau sous forme de vapeur vient toucher une surface très froide. Par exemple, si l'on souffle sur une vitre gelée, la vapeur d'eau contenue dans notre respiration gèlera instantanément en se transformant en eau solide.

L'eau et ses différents états

L'eau peut se trouver sous ses 3 états à la surface de la Terre. En effet, elle est liquide dans nos rivières et lorsqu'on la boit, gazeuse dans l'air que nous respirons et dans la vapeur d'eau et pour finir solide sur les glaciers ou dans les glaçons.

Les précipitations et leurs états

Toutes les précipitations que nous subissons à la surface de la Terre ne présentent pas d'états identiques. En effet, dans certains cas il s'agit de précipitations solides et dans d'autres il s'agit de précipitations liquides.

La pluie

C'est un phénomène qui se forme à partir des gouttelettes contenues dans les nuages ou des cristaux de glaces qui ne sont pas assez froids pour rester congelés lors de leur chute.
Il existe plusieurs formes de pluies : la bruine qui est caractérisée quand les gouttes d'eau mesurent moins de 1,5 mm ; la pluie verglaçante qui se forme quand les conditions de pression et température du sol sont inférieures au point de congélation alors que ce n'était pas le cas dans l'atmosphère.

La grêle

Elle est représentée par des billes de glace mesurant de 5 à 50 mm même si parfois ces billes, appelées grêlons, peuvent atteindre la taille d'une balle de tennis. Leur vitesse de chute monte jusqu'à 160 km/h, ce qui cause de nombreux dégâts.

La neige

Les conditions pour l’apparition de neige sont très particulières. De la vapeur se transforme en cristaux de glace et ces derniers doivent s'assembler rapidement pour former des flocons. Ce procédé à lieu à des températures qui permettent d'éviter la fonte du flocon durant sa chute. En moyenne, il neige entre -3°C et 3°C.

Comment se forme la neige ?
Pour que la neige se forme, il faut que de nombreuses conditions climatiques soient réunies.
Le grésil

Il est composé de grêlons qui sont devenus liquides durant leur chute mais se remettent à geler une fois entrés dans la masse d'air froide inférieure à 0°C. Son cœur reste donc liquide et son enveloppe solide.

L'eau solide

L'eau atteint son état solide lorsque la température atteint ou descend les 0° C. Les molécules adoptent donc une structure cristalline.

L'eau liquide

On peut trouver de l'eau liquide dans les conditions climatiques habituelles de nos environnements de vie. En effet, sous pression atmosphérique normale de 1 bar et entre 0° C et 100° C, l'eau prend sa forme liquide. Elle adopte alors une structure plus désordonnée et prends moins de place. C'est pourquoi l'eau gelée occupe plus de place que l'eau liquide.

L'eau gazeuse

La majorité de l'eau gazeuse est celle que nous respirons dans l'air. A pression normale de 1 bar et une fois passé la barre des 100° C, l'eau devient gazeuse et l'on parle alors de vapeur d'eau. C'est aussi l'état de l'eau qui s'évapore (au-dessus des lacs, rivières ou océans). Les molécules d'eau sont dans leur état le plus agité lorsqu'elles sont gazeuses. L'attraction terrestre s'exerce alors moins dessus et permet au gaz de expanser.

L'impact du changement d'état sur la Terre

Les changements d'états de l'eau peuvent avoir des conséquences sur notre vie, de manière visible ou invisible.

Lorsqu'il gèle l'hiver, l'eau infiltrée un peu partout se solidifie et prend alors plus de place. C'est pour cela qu'elle fait éclater les roches ou fissurer les murs et les sols. Cela cause aussi de nombreux dégâts sur les routes.

Dans l'industrie nucléaire, les centrales nucléaires utilisent la vapeur de l'eau chauffée par les réactions nucléaires de l'uranium afin de faire tourner de grosses turbines. Sans cette eau, les centrales ne seraient plus refroidies et le cœur des réacteurs pourrait entrer en fusion.

Les changements climatiques qui interviennent au quotidien peuvent changer les états de l'eau qui nous entoure. C'est pourquoi on peut tomber malade si l'air est humide car trop chargé en vapeur d'eau.

Exercice

Comment s'entraîner sur ces exercices ?
Afin de vous exercer aux différents états de l'eau, effectuez cet exercice sur les glaçons et les verres d'eau.

Soit un verre d’eau, dans lequel flotte un glaçon. Le glaçon fond.

Le niveau d’eau dans le verre monte-t-il ? descend-il ?

Correction

Considérons le volume compris entre le fond du verre, les parois du verre, et la surface de l’eau. Volume initial = Vi ; volume final = Vf ; la part immergée du glaçon subit une force de bas en haut qui équilibre le poids du glaçon, cette force a pour valeur absolue le poids du glaçon – je ne vous dessine pas les vecteurs, p=mg etc….

Au départ, Vi = Vie (volume d’eau liquide initial) + Vmg (volume d’eau dont la masse vaut la masse du glaçon)

A la fin, il n’y a plus de glaçon, mais il y a une masse d’eau liquide supplémentaire, provenant de la fonte du glaçon. Il y a eu conservation des masses : la masse du glaçon est devenue une masse d’eau liquide.

Vf = Vie + volume de l’eau liquide provenant de la fonte du glaçon.

Ce volume est celui de la masse d’eau que nous avions précédemment sous forme de glaçon.  Tiens ! mais c’est Vmg !

Donc Vf = Vie + Vmg.

Donc Vf = Vi.

Et on peut aussi démontrer en prenant un état intermédiaire où le glaçon n’est pas complètement fondu que cette égalité est valable à tout moment pendant la fonte.

(Bon, mon raisonnement manque un peu de vecteurs et de formules ; je vous laisse les ajouter).

Petites variantes

  • Supposons que le glaçon ne soit pas dans un verre d’eau mais au fond d’un verre d’huile…

Dans ce cas, le niveau va baisser, car la même masse d’eau occupera moins de place sous forme liquide que sous forme solide.

  • Supposons que nous ayons, flottant à la surface d’un verre d’eau, non pas un glaçon, mais un bloc d’huile figée. Il fond. Que se passe-t-il ???

Il fond… l’huile se répand à la surface de l’eau, une couche d’huile se forme, qui offre au solide une « poussée de bas en haut » inférieure à celle qu’offrait l’eau, donc le solide s’y enfonce un peu…

Mais peu importe les péripéties intermédiaires (le solide flottant trempant dans deux couches de liquide : l’eau et la couche d’huile qui se forme). In fine, on aura une couche d’eau dont le volume est le même que dans la situation initiale et une couche d’huile, dont le volume est celui de la masse d’huile figée initiale. Comme on n’a aucune indication sur les masses volumiques de l’huile (ni liquide ni solide), on ne peut guère aller plus loin.

  • Généralisons. L’histoire se passe dans les conditions normales de température et de pression. Supposons que nous ayons dans un récipient de forme parallélépipédique une masse d’un corps C1, liquide à CNTP. On y dépose un bloc solide d’un corps C2, liquide à CNTP. Il fond. Que devient le niveau de liquide dans le parallélépipède ?

Tout va dépendre des rapports entre elles des masses volumiques de C1 (liquide), C2 liquide et C2 solide. Je prends comme étalon la masse volumique de C1 liquide et…

    • J’appelle d1s le quotient (masse volumique de C1 solide sur C1 liquide)
    • J’appelle d2s le quotient (masse volumique de C2 solide sur C1 liquide)
    • J’appelle d2l le quotient (masse volumique de C2 liquide sur C1 liquide)

(Remarque : Dans le cas du glaçon dans l’eau, on a d2l = dll = 1 et d2s < d2l)

On peut distinguer deux cas.

1er cas : au départ, le solide est complètement immergé (rien ne dépasse). Le niveau final du liquide dépendra de la différence de volume entre C2 liquide et C2 solide :

    • Si d2l < d2s, alors la masse C2 occupe plus de place sous forme liquide, donc le niveau monte
    • Si d2l > d2s, c’est le contraire.

En voilà un de réglé.

2ème cas : au départ, le solide flotte : une partie est émergée. C’est donc que d2s < d1l …

L’effet de la fonte sur le niveau de liquide dans le récipient sera la résultante de 2 effets :

    • Suppression du volume immergé A, qui vaut (masse de C2) / (masse volumique de C2 solide). D2s
    • Ajout d’un volume de C2 liquide B, qui vaut (masse de C2) / (masse volumique de C2 liquide)

Faisons le rapport A/B entre ces deux volumes : simplifions par (masse de C2). On obtient :

(Masse volumique de C2 liquide) / (masse volumique de C2 solide). d2s ou bien :

Ou bien d2l/d2s. d2s c'est-à-dire d2l.

Donc, ça ne dépend que du rapport des masses volumiques des deux corps à l’état liquide.

Surprenant, non ?

Pourtant, le cas du glaçon est bien un cas particulier de ce cas général. Le cas du bloc d'huile aussi.

Qu’en pensez-vous ?

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !