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.
Où se situe l'eau sur Terre ?
La majorité de l'eau stockée sur Terre est dans les océans et les mers. En ce qui concerne l'eau douce, ses principales ressources se situent dans les glaciers.

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.

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La répartition de l'eau sur la planète

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 être-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

Les différents réservoirs naturels

On peut considérer qu’en fonction des caractéristiques et de la nature des roches, on peut trouver 3 grands types de réservoir :

  • Réservoir poreux : composé de roches sédimentaires poreuses comme, par exemple, le calcaire ou le grès.

Dans ces pores, l’eau des précipitations efficaces est stockée et accumulée.

Ce milieu poreux peut être considéré comme hétérogène à grand échelle (microscope ou loupe binoculaire) mais considéré comme homogène à petite échelle (échelle du terrain). Le géologue va donc observer des données de terrain (via sondage, forage, etc.).

  • Réservoir fissuré : composé de roches non poreuses (pas de stockage d’eau dans les pores) mais roches fracturées et fissurées où l’eau peut se stocker (exple : granite, basalte, roches magmatiques en général, calcaire micritique)

Pour qu’il y ait stockage, il faut qu’il y ait suffisamment de fissures et que les fissures soient interconnectées pour que l’eau puisse circuler et s’accumuler. Plus on va en profondeur, moins il y a de fissure. La roche ne sera réservoir que sur la zone superficielle (10m de réservoir sur 50m de granite). Le milieu est hétérogène à grande échelle et homogène à petite échelle.

  • Réservoir karstique : milieu carbonaté, calcaire qui subit de la dissolution. Il est d’abord fissuré puis formé de conduits et de grottes. Le milieu est hétérogène quelque soit l’échelle.

En hydrogéologie, on dissocie les méthodes d’approche pour les milieux fissurés et poreux pour les milieux karstiques (on fait des traçages pour suivre les conduits).

Il est important de retenir que selon le type de réservoir, les vitesses de transfert d’eau et des polluants seront différents :

  • Milieu poreux : une gouttelette d’eau met 1 an pour parcourir, en horizontal, 1 km.

L’eau de pluie efficace va s’infiltrer, traverser le sable jusqu’à une couche imperméable et être retenue et stockée dans les pores du sables. Lorsque tous les pores sont remplis d’eau, on parle de zone saturée

  • Milieu saturé : une gouttelette d’eau met 3 à 6 mois pour parcourir, en horizontal, 1 km.

L’eau de pluie efficace va s’infiltrer tant que les fissures sont suffisamment interconnectées.

  • Milieu karstique : une gouttelette d’eau met 1 à 30 heures pour parcourir, en horizontal, 1 km.

On en déduit ainsi la notion de vulnérabilité du milieu : comment le milieu va réagir face à une pollution de surface.

Dans un milieu karstique, le risque est plus élevé car l’eau circule très rapidement, il est plus vulnérable que le milieu poreux. Le milieu poreux est le milieu le moins vulnérable car sa vitesse de transfert est plus faible.

On observe la notion de vulnérabilité pour protéger les milieux.

L’eau n’est pas filtrée dans un milieu karstique, il y a beaucoup de dissolution et donc d’éléments en suspension. La qualité de l’eau évolue en fonction des précipitations.

Qu'est-ce qu'un iceberg ?
Les icebergs constituent une réserve d'eau douce importante.

Les nappes phréatiques

Définitions

Un aquifère correspond au terrain (ou roche) dont les pores ou fissures communiquent et sont suffisamment larges pour que l’eau puisse y circuler librement sous l’effet de la pesanteur. Pour simplifier, aquifère = roche réservoir + eau

Un aquiclude correspond au terrain (ou roche) contenant de l’eau mais dont les pores ou fissures sont trop petits ou non communicant pour que l’eau puisse y circuler librement sous l’effet de la pesanteur comme, par exemple, l'argile. L’aquiclude constitue la base de l’aquifère.

Un aquitard correspond aux terrains (ou roches) trop peu perméables pour permettre un écoulement latéral par gravité, mais suffisamment perméables pour permettre un transfert vertical lent vers ou en provenance d’un aquifère (phénomène de drainage) comme, par exemple, le sable très argileux.

Une nappe souterraine correspond au contenu quasi-continu de l’eau mobile présente dans un aquifère qui sera donc le contenant.

Nappes libres

On parle de nappe libre lorsque l’aquifère n’est pas surmonté (ou du moins pas suffisamment importante pour mettre la nappe sous pression) par une roche imperméable et que le toit de la nappe (= surface libre ou surface piézométrique) est à la pression atmosphérique.

Le toit oscille en fonction des saisons, il est optimal en Avril qui correspond à la période des hautes eaux. La différence entre la période des hautes eaux et la périodes de faibles eaux, la hauteur peut atteindre 20 m.

La distance entre mur de la nappe (ou base de la nappe) et le toit de la nappe s’appelle hauteur piézométrique. Elle correspond à l’épaisseur de la nappe, de l’aquifère.

L’intersection avec la surface piézométrique et la surface topographique va donner naissance aux sources.

La surface piézométrique suit le relief.

La nappe perchée

C’est une nappe libre au dessus d’une autre nappe libre. Sa vulnérabilité est supérieure à celle de la nappe sous cette dernière car elle est victime de toutes les eaux de surface.

Nappes captives

On parle de nappe captive lorsque l’aquifère est surmonté par une roche imperméable et la pression de la nappe est à une pression supérieure à la pression atmosphérique.

Lorsque l’on perce le toit de l’aquifère, le niveau d’eau va remonter pour être en équilibre donc le niveau piézométrique est supérieur en altitude au toit de l’aquifère car le niveau piézométrique est en équilibre avec la pression atmosphérique. On parle de forage artésien  ou d’artésianisme.

Pour rappel, un forage artésien correspond à un forage où l'eau jaillit du sol.

Nappe semi-captive

On parle de nappe semi-captive lorsque l’on a deux aquifères séparés par un aquitard.

On a en premier une nappe libre puis une nappe captive. On parle de nappe semi captive car il y a un aquifère.

Par exemple, on peut en trouver à Merlimont, au Touquet ou encore à Fort Mahon.

Il y a 2 cas de figures possible :

  • Le niveau piézométrique de la nappe captive est en dessous du niveau de la nappe libre : on a un phénomène de drainance normal. En effet, la nappe libre va alimenter la nappe captive. La nappe libre est la nappe la plus vulnérable aux pollutions mais la nappe captive peut aussi être polluée dès que la pollution aura traversé l’aquitard.
  • Le niveau piézométrique de la nappe captive est au dessus du niveau de la nappe libre : on a un phénomène de drainance inverse. En effet, la nappe captive va alimenter la nappe captive. Donc la pollution en surface ne pollue pas la nappe captive. La tendance peut s’inverser si on pompe trop l’eau de la nappe libre.

On peut suivre les variations du niveau d’eau grâce à un piézomètre, un premier s’arrête dans la nappe libre, le deuxième dans la nappe captive. On peut ainsi comparer les niveaux piézométrique.

La courbe piézométrique

Grâce à une sonde piézométrique utilisée après forage, on peut mesurer la profondeur du toit de la nappe.

Les graphiques montrent l’évolution de la profondeur de la nappe sur la courbe du dessus et la courbe du dessous montre les précipitations efficaces qui rechargent la nappe.

Les amplitudes piézométriques sont très importantes chez les nappes libre. Au niveau de chaque année, on voit un pic, qui correspond à la recharge, et une chute, qui correspond à la décharge. On peut également voir l’évolution de la nappe qui retranscrit les évolutions pluviométriques. Par exemple lors qu'il y a beaucoup de pluies ou encore des sécheresses.

Ces courbes nous permettent d’observer ce qui est utilisable, il faut éviter de prélever de l’eau lorsque les nappes sont au niveau le plus bas.

Le forage a une action sur la nappe. En effet, au niveau du forage, le toit de la nappe est plus en profondeur et modifie les lignes de partage des eaux donc l’eau ne s’infiltre plus de la même manière. L’amont hydraulique arrivera forcément au niveau du captage et ce quelque soit le cas de figure. Cependant, lorsque l’on pompe, on crée un cône de rabattement : le niveau piézométrique, qui est dit dynamique car la nappe est exploitée, est différent et plus profond que le niveau statique.

Le niveau statique est le niveau piézométrique lorsque la nappe est au repos, elle n’est pas exploitée.

Avec un forage, même en aval hydraulique, la pollution peut rejoindre le forage à cause du cône de rabattement. Il est donc important de savoir le mesurer.

Pour conclure, le relevé des variations piézométriques permet :

  • De suivre l’impact des situations de sécheresse de certains aquifères.
  • D’évaluer les ressources renouvelables des aquifères et de quantifier les volumes exploitables.
  • De limiter, si nécessaire, l’usage de certains captages en fonction des ressources en eau.

La place de l'eau dans l'alimentation de l'Homme

Quelle eau faut-il boire ?
L'eau est essentielle à la vie. Sans eau, un homme ne peut survivre plus de 3 jours.

L'eau correspond au constituant le plus important du corps humain. En effet, dans l'organisme d'un adulte, l'eau correspond à 65% de celui-ci soit 45 litres d'eau pour une personne pesant 70 kilogrammes. Notons que ce pourcentage varie sensiblement selon la corpulence de la personne mais également de l'âge : plus une personne vieillit, moins son organisme est riche en eau car, les tissus vieillissant, ils se déshydratent et remplacent l'eau par de la graisse.

De plus, au sein même de l'organisme, la concentration en eau varie selon l'organe et selon les cellules :

Concentration en eauTissus humains
76%Cerveau
78%Poumons
81% Reins
79%Sang
79%Coeur
78%Estomac
75%Muscles
70%Peau
22%Os
10%Dents

Un être humain à besoin d'absorber environ 2,5 litres d'eau par jour dont 1,5 litre sous une forme liquide et 1 litre qui est absorbé via l'alimentation. Mais un corps peut avoir besoin de plus d'eau si la personne pratique une activité physique ou en cas de forte chaleur. Si un corps est privé d'eau, la mort peut survenir entre 2 et 5 jours si le corps reste au repos.

En moyenne, un organisme absorbe quotidiennement :

  • 3 litres pour l'homme ou 2,2 litres pour la femme, d'eau sous forme de boisson ;
  • 0,7 litre pour l'homme ou 0,5 litre pour la femme, d'eau contenue dans les aliments ;
  • 0,25 litre d'eau produite par le métabolisme des nutriments énergétiques.

Tandis que, quotidiennement, l'organisme rejette :

  • 1 à 2 litres par l'urine (avec un minimum de 0,5 litre pour une personne correctement hydratée en conditions normales) ;
  • 0,45 litre par la perspiration et la transpiration (les valeurs peuvent être augmentées avec la chaleur et/ou à l'activité physique) ;
  • 0,3 litre à 0,55 litre dans un contexte d'activité physique, par la respiration ;
  • 0,15 litre par les selles.

On peut donc conclure que l'eau est un besoin vital pour toutes les espèces vivantes connues bien que certains animaux n'apprécient pas un contact direct avec l'eau.

On peut trouver l'eau sous différents formes :

  • Eau potable ;
  • Eau du robinet ;
  • Eau en bouteille ;
  • Eau de source ;
  • Eau minérale naturelle ;
  • Eau gazeuse ;
  • Eau plate ;
  • Eau purifiée.

Exercice : Détecter de l'eau dans les boissons et les aliments

Comment prouver la présence d'eau ?
Le sulfater de cuivre est souvent utilisé lors des TP de chimie pour prouver la présence d'eau. En effet, ce dernier change de couleur en présence d'eau : il passe de blanc à bleu.

Pour détecter de l'eau dans les boissons et les aliments, il est nécessaire de déposer du sulfate de cuivre anhydre sur l'aliment. Dans le cas des boissons, il est nécessaire de prendre une pipette, de mettre de la boisson dans la pipette et déposer une goutte sur le sulfate de cuivre anhydre.

Exemple :

  • Coca : J'observe que le sulfate de cuivre anhydre devient bleu donc le coca contient de l'eau ;
  • Lait : J'observe que le sulfate de cuivre devient bleu donc le lait contient de l'eau ;
  • Huile : J'observe que le sulfate de cuivre anhydre reste blanc donc l'huile ne contient pas d'eau ;
  • Kiwi : J'observe que le sulfate de cuivre anhydre devient bleu donc le kiwi contient de l'eau ;
  • Pain : J'observe que le sulfate de cuivre devient bleu (sauf s'il a plusieurs jours) donc le pain contient de l'eau.

A retenir : Toutes les boissons et la plupart des aliments contiennent de l'eau, indispensable à notre existence.

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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 !