Eaux continentales et océans : notions clés

Eaux continentales et océans : Ressources vitales

Ce document explore les eaux continentales et océaniques comme ressources vitales, en abordant leur cycle, leur gestion, leur vulnérabilité et leur rôle dans la régulation climatique.

1. Retour sur le cycle de l'eau

a. Le grand cycle de l'eau

Le grand cycle de l'eau décrit le mouvement continu de l'eau sur, au-dessus et en dessous de la surface de la Terre. Il inclut des processus tels que l'évaporation, la condensation, les précipitations, le ruissellement et l'infiltration.

• Pluies efficaces (PE) : Représentent l'eau disponible pour le ruissellement et l'infiltration. Elles sont calculées par la formule PE = P - ET, où P est la précipitation et ET l'évapotranspiration. Sous nos latitudes, l'évapotranspiration restitue environ 70% des précipitations à l'atmosphère.

b. Le petit cycle de l'eau

Le petit cycle de l'eau se concentre sur l'interaction humaine avec l'eau. Il comprend les étapes de prélèvement, d'usages, de dégradation de la qualité, de traitement et de restitution au milieu naturel.

c. Eau bleue, verte, grise

• Eau verte : L'eau utilisée par les cultures et l'élevage, majoritairement évapotranspirée.

• Eau bleue : L'eau prélevée dans les cours d'eau, lacs et nappes souterraines pour l'agriculture (irrigation), l'industrie, la production d'énergie et l'eau potable.

• Eau grise : Les eaux usées domestiques et industrielles.

2. Les eaux continentales

a. Quelques notions utiles

• Bassin versant : L'ensemble de la surface qui collecte les eaux s'écoulant naturellement vers un même cours d'eau ou une même nappe souterraine.

• Aquifère : Une formation géologique poreuse et perméable capable de stocker et de laisser circuler l'eau.

• Nappe : Une masse d'eau souterraine.

• Nappe libre : Une nappe en communication avec la surface, dont le niveau varie avec les précipitations.

• Nappe captive : Une nappe confinée entre deux couches géologiques peu perméables.

• Écoulement souterrain : Le déplacement des eaux dans le milieu souterrain, d'une zone de recharge vers un exutoire (source, résurgence). La vitesse dépend de la perméabilité des matériaux.

• Âge des eaux – temps de résidence : Notions associées à la durée du parcours de l'eau dans le milieu souterrain.

• Échanges nappe-rivière : La rivière peut alimenter la nappe et inversement, selon les conditions hydrologiques.

b. Prélèvements et consommation humaine d'eau douce

• Prélèvements dans le milieu naturel :

  • Déviation des cours d'eau pour l'irrigation.

  • Barrages pour la production hydroélectrique et l'eau potable.

  • Prélèvements par forages/puits.

• En France (prélèvements nets) :

  • 58% pour les usages agricoles.

  • 26% pour la production d'eau potable.

  • 12% pour le refroidissement des centrales électriques.

  • 4% pour les usages industriels.

• Consommation domestique : Environ 148 litres d'eau par personne et par jour en France.

c. Répartition inégale et enjeux

• Stress hydrique : Mesure le rapport entre les prélèvements d'eau et les réserves renouvelables d'eau de surface et souterraine. Un ratio élevé indique une forte concurrence pour la ressource.

• Impact sur les écosystèmes : Les prélèvements en eau douce perturbent le cycle de l'eau, affectant les écosystèmes.

• Exemples de tensions : Restrictions d'eau dans le Roannais (Loire) et pénurie d'eau potable en Ardèche, illustrant les défis locaux.

d. Politiques de gestion de l'eau

• Loi de 1964 : Lutte contre la pollution, redevances "pollueur-payeur" et "utilisateur-payeur".

• Loi de 1992 : Création des Schémas Directeurs d'Aménagement et de Gestion des Eaux (SDAGE) pour une gestion à l'échelle des grands bassins hydrographiques.

• Directive Cadre sur l'Eau (DCE) 2000 : Préservation et restauration des eaux superficielles et souterraines.

• Loi de 2004 : Transposition de la DCE, orientant la politique de l'eau vers des résultats.

• Loi de 2006 : Refonte des principes de tarification, droit à l'eau, prise en compte du changement climatique.

• Outils stratégiques : Schémas d'Aménagement et de Gestion des Eaux (SAGE) et Plans de Gestion Partagée de la Ressource en Eau (PGRE) pour une gestion durable.

e. Bien gérer = bien connaître la ressource en eau

• Rôle des scientifiques : Apporter expertise, produire et analyser les connaissances scientifiques pour aider à la décision.

• Exemple de la Cèze (Gard) : Étude d'un bassin versant méditerranéen caractérisé par un climat contrasté (étiages sévères et crues éclair), avec une géologie karstique complexe influençant les échanges nappe-rivière.

• Méthodes d'étude : Mesure des flux, temps de résidence, échantillonnage et analyse physico-chimique des eaux pour comprendre leur origine et leur cheminement.

f. Petit cycle de l'eau et qualité

• Définition d'eau potable : Eau conforme à des normes sanitaires strictes, exempte de substances nocives et de micro-organismes pathogènes.

• Rejets domestiques : Une personne rejette environ 150 litres d'eaux usées par jour, contenant matières organiques, azotées, phosphore, métaux lourds et germes.

• Rejets industriels et agricoles : Les industries traitent leurs effluents sur site, tandis que l'agriculture contribue au lessivage des sols (produits azotés, pesticides).

• Qualité des rivières : Les agences de l'eau surveillent la qualité des rivières, qui impacte les usages (eau potable, loisirs, irrigation, abreuvage).

g. Un problème = des solutions

En France métropolitaine, l'eau est disponible mais sa répartition est inégale dans le temps et l'espace. Les solutions incluent la gestion anticipative et le partage de l'eau, notamment via les PGRE, et l'adaptation des pratiques industrielles et agricoles.

3. Les eaux océaniques

a. Le littoral

Le littoral est une zone d'usages intenses (pêche, transports maritimes, tourisme) et l'exutoire de la majorité des cours d'eau, ce qui en fait la zone la plus soumise à la pollution.

• Concentration de la pollution : En surface (pétrole), dans les sédiments (matières en suspension, polluants piégés) et dans les êtres vivants. La mer ne peut pas tout diluer.

• Pollution des fonds côtiers : Envasement, fortes teneurs en matière organique et métaux lourds, disparition de la faune benthique et des herbiers (zones de reproduction).

• Eutrophisation : Développement d'algues vertes ou de phytoplancton dû aux apports de fertilisants.

• Pollution pétrolière : Impacts sur la biodiversité (oiseaux englués), l'économie (pêche, tourisme) et la santé (bactéries sur les plages).

• État des eaux de Méditerranée (2020-2022) :

  • Eaux côtières (0 à 2 km) :

    • Chimie : 90% en bon état.

    • Microplastiques : 86% de baisse de densité entre 2012 et 2021.

    • Macroalgues : 85% en bon état.

    • Invertébrés : 88% en bon état.

    • Poissons : 30% d'augmentation pendant le COVID, mais 25% de baisse de l'abondance des juvéniles.

    • Posidonie : 76% en bonne vitalité, mais 11% de surface détruite et 70% des mouillages en baisse.

  • Eutrophisation : 100% des eaux côtières et du large en bon état.

  • Chimie : Dépassement des seuils environnementaux pour le mercure (Hg) et le tributylétain (TBT) dans la chair et les organes de certains poissons.

• Objectifs de Développement Durable (ODD) : Soulignent l'importance de la gestion durable des océans.

b. Les notions complémentaires utiles pour comprendre la circulation océanique profonde

• Connexion entre l'océan de surface et l'océan profond :

  • Upwelling côtier : Remontée d'eaux froides et riches en nutriments des profondeurs vers la surface, souvent due à l'action des vents et à la force de Coriolis (ex: courant de Humboldt).

  • Downwelling côtier : Plongée d'eaux de surface vers les profondeurs, souvent associée aux cellules anticycloniques.

• Topographie sous-marine et stratification de la tranche d'eau : Influencent la circulation océanique. La thermocline est une couche où la température change rapidement avec la profondeur.

• Force motrice des courants océaniques profonds (circulation thermohaline) : Les variations de température et de salinité entraînent des variations de densité de l'eau.

  • La masse volumique de l'eau (ρ) varie de 1022 kg·m⁻³ à 1029 kg·m⁻³ à 1 atm.

  • L'anomalie de masse volumique (σ = ρ - 1000 kg·m⁻³) est utilisée en océanographie.

  • Les principales masses d'eau profonde sont les Eaux Nord Atlantiques (NADW), les Eaux Antarctiques Intermédiaires (AAIW) et les Eaux Antarctiques de fond (AABW).

• La circulation thermohaline – la boucle est bouclée : Les eaux de surface plongent (NADW et AABW), parcourent l'océan profond et reviennent à la surface. Ce cycle peut prendre entre 2500 et 5000 ans.

c. Vulnérabilité de l'océan

• La pollution plastique : Les courants océaniques, influencés par la rotation de la Terre et la force de Coriolis, emprisonnent les détritus, créant des "gyres de déchets". Cette crise est visible, avec des microplastiques s'accumulant dans les écosystèmes et le corps humain. Sans action, 37 millions de tonnes de plastique pourraient se déverser dans l'océan chaque année d'ici 2040, entraînant des coûts économiques considérables.

• L'acidification des océans :

  • Le pH des océans est d'environ 8,2. L'océan de surface est un puits et une source de CO₂ pour l'atmosphère.

  • L'augmentation de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère (l'océan absorbe 30% des émissions anthropiques) entraîne une diminution du pH de l'océan.

  • Impacts : Diminution de la résistance aux maladies chez les huîtres, impact sur la reproduction des poissons, diminution de la calcification et de la couverture des espèces calcifiantes (coraux).

  • Limites planétaires : L'acidification des océans est une limite planétaire dépassée. En 2015, l'état de saturation de l'eau de mer en aragonite était estimé à 84% du niveau préindustriel. En 2025, il est estimé à moins de 80%, seuil en dessous duquel des effets majeurs pour le vivant sont attendus.

4. Conclusion

a. De l'océan aux continents et des continents à l'océan

Il existe un transfert continu de matière solide et d'espèces dissoutes entre les continents et l'océan. Le cycle de l'eau est impacté par les prélèvements humains et la dégradation de la qualité de l'eau. L'océan, en mouvement, stocke et transporte l'énergie, régulant ainsi le climat. Cependant, il est vulnérable, ce qui pose des enjeux majeurs pour son rôle de régulateur et la préservation de la biodiversité.

b. Les notions importantes

• Cycle de l'eau et eaux continentales : Comprendre les processus, les échanges et les réservoirs d'eaux douces.

• Circulation océanique et régulation : Expliquer la trajectoire des courants, le moteur de la circulation thermohaline et son rôle régulateur.

• Qualité des milieux aquatiques : Faire le lien entre l'activité humaine, la dégradation d'un milieu, sa dynamique et les conséquences, en s'appuyant sur les exemples étudiés (ex: l'état des eaux de Méditerranée).

Climat Global, bilans et circulations

Ce chapitre aborde les définitions du climat, la structure de l'atmosphère, le bilan énergétique de la Terre, la classification des climats et la redistribution de l'énergie par les circulations atmosphériques et océaniques.

1. Introduction : quelques définitions

• Climat : Distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée sur une longue période (mois, années).

• Météorologie : Étude de l'évolution et de la formation des phénomènes atmosphériques (nuages, dépressions, précipitations).

• Climatologie : Étude du climat, c'est-à-dire de la succession des conditions météorologiques sur de longues périodes.

• Données climatiques : Température de l'air, précipitations, vent, humidité, évapotranspiration, pression atmosphérique, radiations solaires.

2. Atmosphère

a. Structure et composition de l'atmosphère

• Pression atmosphérique : Représente le poids de la colonne d'air s'exerçant sur une surface de 1m². Elle diminue avec l'altitude.

• Troposphère : Couche la plus basse (jusqu'à 8-15 km), contenant 80 à 90% de la masse totale de l'air et presque toute la vapeur d'eau. Elle est chauffée par le rayonnement du sol et est le siège des mouvements convectifs qui transfèrent l'énergie à la surface de la Terre.

• Composition : Principalement Azote (N₂), Oxygène (O₂), Argon (Ar), et des gaz traces comme la vapeur d'eau (H₂O), le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄), l'oxyde nitreux (N₂O) et l'ozone (O₃).

3. L'énergie du système Terre - Atmosphère

a. Le Soleil : source d'énergie

• Le Soleil émet des ondes électromagnétiques. La distance Terre-Soleil est de 150 millions de km.

• Constante solaire (E₀) : Énergie solaire disponible par unité de surface normale aux rayons solaires au niveau de l'orbite terrestre, soit environ 1368 W/m² (±0,4%).

• Flux moyen d'énergie : L'énergie totale interceptée par un disque de rayon terrestre (πR_T²) est redistribuée sur toute la surface de la Terre (4πR_T²), donnant un flux moyen de E₀/4 = 342 W/m².

• Le rayonnement solaire reçu est principalement dans le domaine du visible (42,4%) et du proche infrarouge (48,4%).

b. Que devient l'énergie solaire entrant dans l'atmosphère ?

• Absorption sélective : L'atmosphère est opaque aux rayonnements infrarouges de grande longueur d'onde et aux UV de faible longueur d'onde (absorbés par O₃, H₂O, CO₂). Elle est transparente au rayonnement visible, qui atteint la surface.

• Albédo : Fraction de l'énergie des ondes électromagnétiques renvoyée par une surface (par réflexion ou diffusion). L'albédo moyen de la Terre est d'environ 30%, ce qui signifie que 30% de l'énergie incidente est réfléchie vers l'espace. L'albédo varie selon les surfaces (neige, glace, forêts, océans).

c. À l'heure du bilan radiatif !

• Le système Terre-Atmosphère est globalement à l'équilibre radiatif, mais les sous-systèmes (atmosphère, surface terrestre) sont en déséquilibre.

• La surface des continents et des océans absorbe l'énergie solaire et émet à son tour de l'énergie dans le domaine de l'infrarouge.

• Effet de serre : L'énergie réémise par la surface est en partie absorbée par les gaz à effet de serre (GES) et les nuages de l'atmosphère, puis réémise vers la surface (324 W/m²) et vers l'espace.

• Les GES sont naturellement présents et l'effet de serre est un phénomène naturel essentiel. Sans GES, la température moyenne de la Terre serait inférieure à 30°C (actuellement environ 15°C).

• Déséquilibre régional et saisonnier : L'insolation varie avec la latitude (courbure de la Terre) et les saisons (inclinaison de l'axe de rotation terrestre). Cela crée un déséquilibre énergétique zonal (excédent aux basses latitudes, déficit aux hautes latitudes) qui est corrigé par les mouvements atmosphériques et océaniques.

4. La classification des climats (Köppen-Geiger)

La classification de Köppen-Geiger est un système mondial qui catégorise les climats en fonction de la température et des précipitations, permettant de visualiser la distribution des différents types de climats sur Terre.

5. Redistribution de l'énergie

a. Un déséquilibre régional à corriger !

L'excédent d'énergie des basses latitudes doit être déplacé vers les hautes latitudes déficitaires. Ce processus est assuré par la mise en mouvement de l'atmosphère (vents) et des océans (courants océaniques).

b. La circulation générale atmosphérique

• Mouvement des masses d'air : Une masse d'air chauffée se dilate, devient moins dense et s'élève (convection), créant une zone de basse pression au sol. L'équateur est une zone principale de convection atmosphérique (Zone de Convergence Intertropicale - ZCIT).

• Force de Coriolis : Due à la rotation de la Terre, elle dévie la trajectoire des masses d'air (vers la droite dans l'hémisphère Nord, vers la gauche dans l'hémisphère Sud). Elle est nulle à l'équateur et maximale aux pôles.

• Règle de Buys-Ballot : Établit la relation entre la circulation des masses d'air et le champ de pression atmosphérique, indiquant le sens de circulation autour des dépressions et anticyclones.

• Dépressions : Zones de basse pression où l'air s'élève, se refroidit et condense, entraînant des précipitations. L'air tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère Nord.

• Anticyclones : Zones de haute pression où l'air descend, se réchauffe et s'assèche, apportant du beau temps. L'air tourne dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère Nord.

• Circulation en altitude : Les courants-jets (jet streams) sont des tunnels de vents forts en altitude qui jouent un rôle majeur dans le transfert d'énergie.

• Cellules de Walker : Influencées par la répartition des continents, elles décrivent des circulations atmosphériques verticales et horizontales.

• Transfert d'énergie : Plus de 50% du transfert d'énergie à la surface du globe est assuré par les vents.

c. La circulation océanique de surface

• Moteur : L'action des vents (transport frictionnel) et la force de Coriolis sont les principaux moteurs de la circulation océanique de surface.

• Spirale d'Ekman : L'action du vent met en mouvement la tranche d'eau superficielle, dont la trajectoire est déviée par Coriolis. L'énergie cinétique est transférée aux couches sous-jacentes, créant une spirale d'environ 100 à 200 mètres d'épaisseur. Le mouvement résultant moyen est perpendiculaire à la direction des vents.

• Courants chauds et froids : La distribution des courants chauds et froids est due au bilan d'énergie à la surface des océans.

  • L'océan absorbe plus de 90% de l'énergie solaire qu'il reçoit.

  • Le bilan d'énergie (Q) est la somme des flux solaires absorbés, infrarouges émis, de l'évaporation (flux d'énergie latente) et de la conduction (flux de chaleur sensible).

  • L'océan emmagasine l'énergie solaire, se réchauffe, et transfère cet excédent d'énergie des zones tropicales vers les pôles via les courants océaniques.

6. Couplages océans – atmosphère (vers une régulation du climat)

a. Les variations oscillatoires des circulations verticales

• Oscillation Nord-Atlantique (ONA ou NAO) : Calculée par l'écart de pression atmosphérique au sol entre Reykjavik (Islande) et Lisbonne (Portugal). Un indice ONA positif indique un écart de pression supérieur à la moyenne, et un indice négatif un écart inférieur. Ces variations influencent le climat de l'Europe et de l'Amérique du Nord.

• Oscillation Australe (ENSO – El Niño Southern Oscillation) : Phénomène climatique majeur dans l'océan Pacifique.

  • Conditions normales : Le courant de Humboldt, froid et riche en nutriments, remonte le long des côtes du Chili et du Pérou (upwelling côtier), favorisant la pêche. Les alizés soufflent d'est en ouest, poussant les eaux chaudes vers l'ouest du Pacifique, créant une thermocline peu profonde à l'est et profonde à l'ouest.

  • Phénomène El Niño : Caractérisé par un affaiblissement des alizés, un réchauffement des eaux de surface dans le Pacifique Est, une diminution de l'upwelling et des précipitations accrues sur les côtes sud-américaines. L'indice d'oscillation australe (SOI), différence de pression entre Tahiti et Darwin, devient négatif.

7. À retenir

• La circulation océanique de surface est contrôlée par les vents.

• Le déplacement des masses d'eau en surface modifie la topographie dynamique de l'océan.

• Les gradients de pression génèrent des courants géostrophiques dans les couches profondes de l'océan (thermocline).

• Ces mouvements horizontaux entraînent des mouvements verticaux (upwelling, downwelling).

• Le moteur de la circulation océanique profonde est la différence de densité des masses d'eau (circulation thermohaline). Les eaux plongent au nord de l'Atlantique et au niveau de l'Antarctique, parcourent les océans en profondeur avant de remonter à la surface.