L'eau au quotidien

Sa présence sur Terre

Pourquoi y a-t-il de l'eau sur Terre ?
On appelle notre planète la "planète bleue" car elle est constituée en majorité d'eau. C'est donc la couleur des océans et des mers qui prédomine quand on la regarde depuis l'espace.

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.

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 stockage naturel de l'eau

Qu'est-ce-qu'un milieu karstique ?
Le calcaire est un bon réservoir d'eau grâce à la porosité de la roche.

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 (10 m de réservoir sur 50 m 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 quel que 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 sable. 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.

L'eau et l'Homme

Peut-on mourir de déshydratation ?
L'eau est un composant majoritaire de nos corps. Sans elle nous ne pouvons survivre bien longtemps, c'est pour ça qu'il faut régulièrement s'hydrater.

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 vieillissants, 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 différentes formes :

  • Eau potable ;
  • Eau du robinet ;
  • Eau en bouteille ;
  • Eau de source ;
  • Eau minérale naturelle ;
  • Eau gazeuse ;
  • Eau plate ;
  • Eau purifiée.
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Attention à la pollution des nappes phréatiques

Puisque l'eau est essentielle pour l'Homme et qu'elle se stocke naturellement dans les sous-sols, il est important de prendre soin à ne pas les polluer pour éviter d'évident risques sanitaires.

Étudions d'ailleurs comment l'eau est stockée dans les nappes :

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 période 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 piézométriques.

Expérience

Pourquoi le sulfate de cuivre devient-il bleu ?
Puisque la plupart de notre alimentation comporte de l'eau, il est possible de s'hydrater un peu en mangeant.

Préparation du test

  • Chauffez du sulfate de cuivre en poudre de couleur bleue dans un tube à essais.

Qu'observez-vous ? La poudre devient blanche et de l'eau se dégage.

  • Interprétation :

Le sulfate de cuivre chauffé perd l'eau qu'il contient : il se déshydrate.
La poudre obtenue après chauffage est de couleur blanche.
La poudre obtenue s'appelle du sulfate de cuivre anhydre.

Réalisation du test

  • Disposez une petite quantité de poudre de sulfate de cuivre anhydre obtenue dans plusieurs coupelles et plaçons à son contact différentes substances (boissons ou aliments).
  • Rassemblez les observations dans un tableau
Aliment ou boisson en contact avec la poudre de sulfate de cuivre anhydreObservations
PommeLa poudre de sulfate de cuivre anhydre bleuit
OrangeLa poudre de sulfate de cuivre anhydre bleuit
Coca-ColaLa poudre de sulfate de cuivre anhydre bleuit
HuileLa poudre de sulfate de cuivre anhydre ne bleuit pas
BeurreLa poudre de sulfate de cuivre anhydre ne bleuit pas
VinaigreLa poudre de sulfate de cuivre anhydre bleuit
PainLa poudre de sulfate de cuivre anhydre bleuit
BananeLa poudre de sulfate de cuivre anhydre bleuit
  • Interprétation

Si la poudre de sulfate de cuivre anhydre bleuit, elle se réhydrate : elle récupère de l'eau au contact de certains aliments.

Tous les aliments contiennent de l'eau sauf les matières grasses.

Conclusion

Pour savoir si une substance contient de l'eau, on la met en contact avec du sulfate de cuivre anhydre. Si cette poudre bleuit, la substance contient de l'eau.

A savoir sur le sulfate de cuivre

La formule brute du sulfate de cuivre est CuSO4 tandis que dans sa forme hydratée, elle se lie à 5 molécules d'eau, ce que l'on appelle pentahydrate, de formule CuSO4,5H2O.

Le sulfate de cuivre est donc composé d'ions sulfates de formule SO42- et d'ions cuivre II de formule Cu2+.

Sous sa forme anhydre, il est blanc et hygroscopique. Au contact de l'eau, il bleuit et forme du pentahydrate. Cette coloration est due à la présence d'ions cuivre. Il est aussi assez facilement soluble dans l'eau.

On dit d’une molécule qu’elle est hygroscopique quand elle absorbe facilement l’humidité de l’air par absorption ou par adsorption

Chauffé fortement, le sulfate de cuivre anhydre se décompose en deux substances, du trioxyde de soufre SO3 et de l'oxyde cuivre CuO.

Mis en contact avec de la soude, le sulfate de cuivre II réagit pour former de l'hydroxyde de cuivre.
C'est cette réaction que l'on utilise afin de prouver la présence d'ions cuivre dans une solution.

Le sulfate de cuivre, lorsqu'il est sous sa forme anhydre, est utilisé comme réactif et permet de détecter la présence d'eau dans une solution. En effet, ses cristaux virent du blanc au bleu en présence d'eau, ce qui en fait un réactif très utilisé notamment dans les écoles. Pour lui redonner sa couleur initiale, il suffit de le faire chauffer pour le débarrasser de son eau.

Cela signifie également qu'il faut apporter des précautions au stockage du sulfate de cuivre anhydre. En effet, l'air suffit à le faire régir avec l'eau qu'il contient. C'est pourquoi il doit être conservé dans un endroit hermétique et sec, sans air.

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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 !