Les Précipitation Elle constitue un facteur ecologique d’importance fondamentale non seulement pour le fonctionnement et la répartition des ecosysteme trrestre mais aussi pour certaine ecosysteme limnique telle les mares et les lacs temporaires et les lagunes saumatres soumises à des périodes d’assechement. On disigne sous le tremes générale de pluviométrie, toutes les eaux météoriques qui tombent sur la surface de la terre, tant sous forme liquide (bruine, pluie, averse) que sous forme solide (neige, grésil, grêle) et les précipitations déposées ou occultes (rosée, gelée blanche, givre,...). Elles sont provoquées par un changement de température ou de pression. Leur formation dépend de la stabilité ou de l’instabilité de l’atmosphère. Formation des nuages Sources L’atmosphère contient toujours plus ou moins de vapeur d’eau. Cette vapeur se refroidit donc aussi ou se réchauffe suivant le mouvement de toute la masse. Quand la vapeur d’eau atteint en se refroidissant une température critique appelée point de rosée, elle se condense5 et passe à l’état liquide. Il se forme alors des nuages, composés de gouttelettes très petites maintenues en suspension par les courants ascendants (gouttes de quelques centièmes de millimètres de diamètres). Quand les mouvements d’ascendance sont rapides et transportent les gouttes nuageuses à de grandes altitudes, ces gouttes deviennent très froides et se transforment en glace. Mécanismes de refroidissement Refroidissement isobare Il s'agit d'une transformation au cours de laquelle la pression dans les particules ne change pas. Le paramètre essentiel est le point de rosée td (température à laquelle l'eau se condense). Le refroidissement est un phénomène de basses couches, on distingue les refroidissements : Refroidissement par détente adiabatique Il s'agit d'une transformation au cours de laquelle les échanges de chaleur sont nuls (c'est souvent une bonne hypothèse à cause de la mauvaise conductibilité de l'air). Le paramètre essentiel est le point de condensation C. Il s'agit essentiellement de détentes ou de compressions subies par les particules atmosphériques au cours de leurs mouvements verticaux. La compression provoque un réchauffement, la détente un refroidissement. Ce mécanisme de détente adiabatique est à l'origine de la quasi-formation des nuages. 1 Types de précipitations Il y a trois points importants à se rappeler au sujet des précipitations: 1. À mesure que l’air monte il refroidit. 2. Quand l’air se refroidit, la vapeur d’eau (qui est invisible) se condense. Les nuages commencent à se former. Les nuages sont faits de petites goutelettes liquides d’eau, qui sont maintenues en suspension dans l’air par les courants d’air puisqu’elles sont si légères. S’il y a assez de condensation, les goutelettes dans les nuages vont commencer à se fusionner ensemble et éventuellement elles vont commencer à tomber à mesure qu’elles deviennent trop lourdes pour flotter dans l’air. C’est la précipitation. L’air peut être pousser à s’élever de trois façons: Les précipitations convectives. Elles résultent d'une ascension rapide des masses d'air dans l'atmosphère. Elles sont associées aux cumulus et cumulo-nimbus, à développement vertical important, et sont donc générées par le processus de Bergeron. Les précipitations résultantes de ce processus sont en général orageuses, de courte durée (moins d'une heure), de forte intensité et de faible extension spatiale. (Figure 1). Figure 1 : Les précipitations convectives Les précipitations orographiques. Comme son nom l'indique (du grec oros, montagne), ce type de précipitations résulte de la rencontre entre une masse d’air chaude et humide et une barrière topographique particulière. Par conséquent, ce type de précipitations n’est pas « spatialement mobile » et se produit souvent au niveau des massifs montagneux. Les caractéristiques des précipitations orographiques dépendent de l'altitude, de la pente et de son 2 orientation, mais aussi de la distance séparant l'origine de la masse d'air chaud du lieu de soulèvement. En général, elles présentent une intensité et une fréquence assez régulières. (Figure 2) Figure 2 : Les précipitations orographiques. Les précipitations frontales : ou de type cyclonique. Elles sont associées aux surfaces de contact entre deux masses d'air de température, de gradient thermique vertical, d'humidité et de vitesse de déplacement différents, que l'on nomme « fronts ». Les fronts froids (une masse d’air froide pénètre dans une région chaude) créent des précipitations brèves, peu étendues et intenses. Du fait d’une faible pente du front, les fronts chauds (une masse d’air chaude pénètre dans une région occupée par une masse d’air plus froide) génèrent des précipitations longues, étendues, mais peu intenses.(figure 3). 3 Figure 3 : Les précipitations frontales Les différentes formes de précipitation La pluie : L'eau des mers, des rivières et des plantes s'évaporent sous l'effet de la chaleur du soleil. Cette vapeur monte dans le ciel et forme des nuages. Les goutelletes d'eau se regroupent sous l'effet du vent et se rencontrent en formant des gouttes de plus en plus grosses. Quand les goutelettes d'eaux des nuages deviennent trop lourdes elles retombent sous forme des précipitations. La neige Il faut que la température soit à 0°C ou qu'elle soit négative sur toute la hauteur du nuage pour que se forme la neige. La grêle C'est dans un type de nuage, le cumulonimbus que naît la grêle. Elle se formme en haut du nuage à 10 km d'altitude où il fait très froid et les températures sont en -dessous de 0°C, négatives. Le grésil : Le grésil est un phénomène hivernal. Le grésil est la précipitation en forme de petites sphères de glace translucide. La couleur de la glace montre qu'elle a été formée par la solidification lente de gouttes de pluie. Ce type de précipitation se forme quand la structure thermique de l'atmosphère présente une couche d'air chaud qui surmonte une couche d'air froid proche du sol. Les flocons de neige tombent dans la couche chaude et fondent partiellement. Ces gouttes de pluie, en sortant de l'air chaud, traversent l'air froid. La partie de neige dans les gouttes agit comme des noyaux de congélation et les gouttes arrivent au sol en forme de petites boules glacées de la taille des gouttes de pluie qui en sont à l’origine. Le verglas : En certaines occasions, la distribution verticale de la température est telle que la couche d'air chaud est assez épaisse pour fondre complètement les flocons de neige. Les 4 gouttes traversent donc la couche froide sans regeler mais deviennent surfondues. Ils se refroidissent souvent au-delà du point de congélation et gèlent en contact avec le sol ou d'autres objets solides, se transforment en glace. Le résultat est un paysage féerique mais dévastateur pour les plantes et fils électriques, sans Bruine: précipitations sous forme de très petites gouttelettes d'eau qui semblent flotter. Bruine se congelant : bruine qui gèle au contact des objets. Action des conditions hydriques Si l’on procède des milieux les plus secs vers des milieux d’humidité croissante on peut distinguer des organismes xérophiles, mésophiles, hygrophiles amphibiens et aqautiques ou hydrobiontes Adaptation des plantes à la sécheresse Morphologiques Les plus fréquentes se caractérisent par la diminution de l’évaporation, par implantation systématique des stomates au fond de profondes dépressions, en plus leur fermeture d’une cuticule cireuse étanche espèce de vernis recouvrant les feuilles de consistance dure et l’ouverture des stomates au fond des cavités (sclérophillie). Dans de nombreux cas, même les feuilles sont très épaisses et en forme de raquette, ce qui limite leur rapport surface/volume, ou encore elles sont remplacé par des phyllodes. Ils arrivent même que les feuilles disparaissent, phénomène dénommé aphyllie. Physiologique L’une des plus remarquables tient en l’apparition d’un type de photosynthèse particulier dit CAM (voire rayonnement solaire) Les plantes éphémères ou thérophytes : Ce sont des plantes qui ont une vie très brève et qui profitent de très petites quantités des pluies pour germer, croître et donner rapidement des graines souvent à forte longévité. La vitesse de germination de ces plantes est exceptionnelle. Au Sahara, on a étudié 50 espèces de plantes éphémères : 14 % ont germés au cours du 1er jour après la pluie, 88 % ont germés dans les 72 h suivantes. Ces plantes éphémères sont très recherchées par les éleveurs du Sahel à cause de leur croissance rapide. Le record de développement de ces plantes a été observé chez Boharia repens dont les nouvelles graines tombent sur le sol moins de 10 jours que la plante ait germé. Le plus souvent les éphémères sont naines et dépassent rarement 30 à 40 cm de hauteur. Elles n'ont aucune disposition de limitation de l'évaporation et présentent la même structure que les plantes des milieux humides. Elles fanent dès que l'eau disparaît. 5 - Les plantes dilapidatrices Ce sont des plantes qui, dans le milieu désertique et malgré l'insuffisance de l'eau dans le sol et dans l'atmosphère, passent la saison sèche à l'état de vie active sans diminuer leur transpiration. Il s'agit par exemple de l'amandier. Elles réussissent, grâce à leurs longues racines et à la bonne conductibilité de leurs vaisseaux, à prélever suffisamment d'eau dans les couches profondes du sol et à l'acheminer en quantité suffisante dans les organes. Autres adaptation des plantes aux conditions hydrique Dans certains forets ombrophiles tropicales où les précipitations sont quasi quotidiennes, certain plantes terrestre peuvent se développer dans les milieux aquatique, où les racines sont immergés totalement dans l’eau, comme les écosystèmes mangroves, qui se distinguent par un sol mal oxygéné, et La respiration des arbres est donc assurée grâce à des organes complexes développés dans les racines. Par exemple, les palétuviers rouges, qui peuvent vivre dans les secteurs les plus inondés, poussent vers le haut au-dessus du niveau d'eau avec des racines échasses. Ils peuvent récupérer l'air par des fentes dans leur écorce appelées lenticelles. Les palétuviers noirs vivent sur des terrains plus élevés et produisent beaucoup de pneumatophores (des racines spécialisées qui poussent hors du sol vers le haut comme des pailles pour la respiration) qui sont couvertes de lenticelles. Ces « tubes pour respirer » atteignent des tailles de 30 centimètres, bien que quelques espèces en aient qui atteignent plus de 3 mètres de haut. Il y a quatre types de pneumatophore : échasse, droit, en arceau et en ruban. Adaptation des animaux à la sécheresse Chez les animaux, la résistance à la sécheresse s’accompagne aussi de diverses adaptations morphologique, ecophysiologiques, et comportementales, destinés à limiter les pertes d’eau par respiration et excrétion Chez de nombreux invertébrés vivant dans des biotopes arides, une modification anatomique, dénommée cryptonnéphridisme, permet la récupération de l’eau contenue dans les fèces par l’intermédiaire des tubes de Malpighi qui viennent en contact étroit avec le rectum. Chez les rongeures déserticoles où la vapeur d’eau respiratoire n’est pas exhalé, mais repasse dans le sang au niveau des fosses ethmoides. Par ailleurs, ces animaux qui ne boivent jamais assurent leurs besoins hydriques par le seul contenu hydrique de leur alimentation et grâce à l’eau produite par le métabolisme oxydatif des glucides et des lipides. Enfin, beaucoup de vertébrés xérophiles évitent les fortes les fortes déperditions d’eau en s’enfouissant dans des profondes galeries souterraines aux heurs les plus chaudes. De même 6 chez de nombreux animaux des zones arides, l’estivation s’accompagne d’une anhydrobiose( reptiles, amphibiens, insectes et les mollusques). L’humidité Hygrométrie : hygro - humidité, métrie mesure - Mesure et étude de l'humidité de l'air. Humidité absolue C'est la quantité d'eau, en grammes, contenue, sous forme de vapeur invisible, dans un volume de 1 mètre cube d'air. On dira par exemple que l'air a une humidité absolue de 10 g/m3. On constate que la quantité d'eau que peut contenir l'air, sous forme de vapeur invisible, est limité. Au-delà de cette limite, on voit apparaître du brouillard et de la condensation. L'eau forme alors de micro-gouttelettes en suspension dans l'air. On dit que l'air est saturé. La valeur de saturation (Vs en g/m3) est la quantité d'eau maximum que peut contenir l'air, sous forme de vapeur invisible, avant l'apparition du brouillard. On constate que cette valeur de saturation est fonction de la température (t en°C). T en C° -5 0 5 10 15 20 25 30 Vs en g/m3 3,2 4,8 6,8 9,4 12,9 17 23 30 Humidité relative ou hygrométrie On constate que de l'air ayant une humidité absolue de 6 g/m3 et une température de 5°C semble humide. On pourra voir apparaître des nappes de brouillard, une feuille de papier aura tendance à ramollir, une lessive ne va pas sécher. Par contre de l'air ayant la même humidité absolue (6g/m3) et une température de 30°C semble sec, l’air sera limpide, la feuille de papier sera ferme, voire craquante et une lessive va sécher rapidement. L'humidité absolue ne suffit donc pas pour décrire la notion d'humidité et la réaction de la nature et de notre environnement à cette présence d'eau. Humidité relative (%)= Humidité absolue/Valeur de saturation × 100 L’humidité relative est le rapport, pour une température donnée, entre la quantité d’eau que contient l’air (humidité absolue) et la quantité maximale qu’il est capable de contenir(valeur de saturation) On aime bien exprimer ce résultat en pourcentage. On dit : L’humidité relative est des 60%, c’est-à-dire que l’air contient 60% de la quantité maximale qu’il est capable de contenir, pour cette température. L’évapotranspiration 7 L’évaporation et plus particulièrement l’évapotranspiration jouent un rôle essentiel dans l’étude du cycle de l’eau. La figure suivante représente schématiquement les différents éléments intervenant dans les processus d’interception et d’évaporation (en italique) et d’évapotranspiration L’INTERCEPTION Une fraction non négligeable de l’eau des précipitations n’atteint jamais le sol. Cette eau est interceptée par des obstacles au cours du trajet vertical mais aussi horizontal de l’eau. Ce phénomène se nomme interception. On rappelle que l’interception telle qu’elle est définie par les hydrologues est liée à l’évaporation à partir des eaux interceptées et qu’il s’agit donc d’une interception évaporée (que les anglo-saxons appellent sans équivoque interception losses). L’EVAPORATION ET LA TRANSPIRATION L’évaporation physique au-dessus des surfaces d’eau libre, des sols dépourvus de végétation et des surfaces couvertes par de la neige ou de la glace. • La transpiration des végétaux (évaporation physiologique) qui permet à la vapeur d’eau de s’échapper des plantes vers l’atmosphère. En hydrologie, on utilise le terme générique d’évapotranspiration pour prendre en compte la combinaison de ces deux processus qui ont lieu généralement simultanément dans la situation d’un sol couvert par de la végétation. La loi de Dalton se formule ainsi : E=f(u)⋅(es−ea) 8 Avec : E : taux d'évaporation, ea : pression de vapeur d’eau effective ou actuelle es : pression de vapeur d’eau à saturation, f(u) : constante de proportionnalité L’évaporation dépend essentiellement de deux facteurs associés à des facteurs météorologiques (la quantité de chaleur à disposition, la capacité de l’air à stocker de l’eau) mais aussi de facteurs physiques liés aux surfaces évaporantes. La notion d’évapotranspiration regroupe l’évaporation directe de l'eau du sol et la transpiration par les plantes. Sur un sol présentant une couverture végétale, même partielle, les échanges par transpiration sont quantitativement plus importants que les échanges par évaporation directe. On peut distinguer deux principales notions dans l’évapotranspiration : • l’évapotranspiration de référence (ET0), terme aujourd’hui recommandé pour designer l’ensemble des pertes en eau par évaporation et transpiration d’une surface généralement recouverte de gazon de hauteur uniforme, couvrant totalement le terrain, en pleine période de croissance, recouvrant complètement le sol et abondamment pourvue en eau. • L’évapotranspiration maximale (ETM) d’une culture donnée est définie à différents stades de développement végétatif d’une culture donnée, lorsque l’eau est en quantité suffisante et que les conditions agronomiques sont optimales. • L'évapotranspiration réelle (ETR) est la somme des quantités de vapeur d'eau évaporées par le sol et par les plantes quand le sol est à son humidité spécifique actuelle et les plantes à un stade de développement physiologique et sanitaire réel. Estimation de l’évapotranspiration potentielle par bac d'évaporation Une mesure grossièrement approchée de l'évapotranspiration (dite « pan evaporation » par les anglophones) peut être approchée de manière simplifiée par des mesures réalisées avec un bac d'évaporation rempli d'eau. En l'absence de pluie, la variation du niveau d'eau dans le bac est supposée proportionnelle à l'évapotranspiration, car l'eau du bac est soumise aux mêmes conditions climatiques que les plantes et le sol : rayonnements (solaire), vent, température et humidité. Cette relation simple est formulée comme suit : ET_p = K_{bac} * E_{bac} ETp l'évapotranspiration potentielle calculée (en mm) Kbac le coefficient du bac 9 Ebac la mesure d'évaporation dans le bac (en mm). 10