Untitled - Interforum
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PresentationEauDecouvert.indd 1 17/11/15 11:46 Indispensable à la régulation du climat, au développement de la vie sur Terre, au maintien des écosystèmes, aux populations, au développement de l’agriculture, de l’industrie comme à la pr duction d’énergie, l’eau est un élément vital. Il convient donc, dans un contexte de changement global, d’analyser dans toute sa diversité la place et le rôle de l’eau et de se donner ainsi les moyens de mieux la préserver. Autour de cet enjeu qui engage toute l’humanité, Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ont réuni près de cent cinquante contributions, visant à apporter un éclairage sur chacun des domaines et des approches que couvre cette thématique. Quelle est l’origine de l’eau ? Son rapport avec l’apparition de la vie ? Quel rôle a-t-elle joué dans l’histoire de la planète et dans le développement de la vie végétale, animale et humaine ? Quel est son cycle ? Quelles sont ses propriétés chimiques ? Comment les sociétés se sont-elles emparées de cet élément précieux ? Allons-nous manquer d’eau ? L’eau est-elle source de conflits ? Comment l’eau est-elle gérée ? Comment recycle-t-on une eau polluée ? Quels sont les risques pour la santé mondiale ? Quels sont les grands enjeux liés à l’eau au XXIe siècle ? Comprendre et proposer des solutions à ces défis majeurs est l’intention de cet ouvrage. Pour préparer cet ouvrage et choisir les auteurs, un comité de pilotage pluridisciplinaire a été formé, composé de : Claire Albasi, chimiste Paul Arnould, géographe Gudrun Bornette, écologue Hélène Budzinski, écotoxicologue Thierry Caquet, écotoxicologie Nathalie Dörfl iger, hydrogéologue Agnès Ducharne, hydrologue Katia Fajerwerg, électrochimiste Patrick Flammarion, écotoxicologue Stéphane Ghiotti, géographe Bertrand Guillot, physico-chimiste Ghislain de Marsily, géologue Olivier Petit, économiste Jean-Luc Probst, hydrologue et géochimiste Jean-Luc Trancart, hydrologue Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ont pris en charge la coordination et la réalisation de l’ouvrage. PresentationEauDecouvert.indd 2 17/11/15 11:24 L’ eau à 150917_Eau_VB_EP3.indd 1 découvert 21/10/15 16:05 150917_Eau_VB_EP3.indd 2 16/10/15 12:27 Sous la direction de Agathe Euzen Catherine Jeandel Rémy Mosseri L' eau à découvert CNRS ÉDITIONS 150917_Eau_VB_EP3.indd 3 21/10/15 16:10 Conception éditoriale et graphique : Elsa Godet - www.sciencegraphique.com © CNRS Éditions, Paris, 2015 ISBN : 978-2-271-08872-7 CopyrightEauDecouvert.indd 1 17/11/15 11:38 Table des matières Préface Alain Fuchs .......................................................................................................................................................................... 15 Introduction générale Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ..................................................................................................... 16 - Première partie Les grandes thématiques et les enjeux d'aujourd'hui 1. Introduction Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ..................................................................................................... 21 2. Origine(s) de l'eau sur Terre Pierre Cartigny ................................................................................................................................................................... 22 3. L’eau et les origines de la vie Marie-Christine Maurel ................................................................................................................................................... 24 4. Le cycle de l’eau Agnès Ducharne et Katia Laval ...................................................................................................................................... 26 5. Eau, climat et biodiversité Bernard Dupré, Luc Abbadie et Jérôme Viers ............................................................................................................... 28 6. L’eau, marqueur d’événements climatiques Emmanuel Garnier ........................................................................................................................................................... 30 7. L'eau comme ressource Jean-Paul Haghe................................................................................................................................................................. 32 8. Histoire et évolution de la distribution de l'eau André Guillerme ................................................................................................................................................................ 34 9. L’eau et la ville en Europe : quelques paradoxes actuels Daniel Florentin et Olivier Coutard............................................................................................................................... 36 10. Eaux et risques pour la santé publique Yves Levi............................................................................................................................................................................... 38 11. L’eau, indispensable à la sécurité alimentaire mondiale Marion Guillou .................................................................................................................................................................. 40 12. Les grands enjeux de l’eau au xxi siècle e David Blanchon .................................................................................................................................................................. 42 13. L’eau douce : bien (s) commun(s) ou patrimoine ? Olivier Petit ......................................................................................................................................................................... 44 Table des matières | 5 150917_Eau_VB_EP3.indd 5 16/10/15 12:27 - Deuxième partie H 2O : aspects fondamentaux 1. L’eau, omniprésente et étonnante Bertrand Guillot................................................................................................................................................................. 49 2. L'eau sous toutes ses formes et ses transformations Nicolas Sator ....................................................................................................................................................................... 50 3. L’eau pure Arnaud Etcheberry............................................................................................................................................................. 52 4. La molécule d’eau et la liaison hydrogène Claude Millot...................................................................................................................................................................... 54 5. Les différentes phases de l'eau José Teixeira ......................................................................................................................................................................... 56 6. L'eau liquide : structure et dynamique aux temps très courts Damien Laage .................................................................................................................................................................... 58 7. Les solutions et les dispersions aqueuses Bernard Cabane ................................................................................................................................................................. 60 8. L’eau comme milieu réactionnel Catherine Pinel et Michèle Besson .................................................................................................................................. 62 9. L’eau au cœur de l’électrolyse et des piles à combustible Michel Cassir ....................................................................................................................................................................... 64 10. Hydrodynamique et mécanique des fluides Olivier Thual ...................................................................................................................................................................... 66 11. Confiner les liquides pour les comprendre : microfluidique et nanofluidique Denis Bartolo et Cécile Cottin-Bizonne ......................................................................................................................... 68 12. L’eau en gouttes David Quéré ........................................................................................................................................................................ 70 13. La pression osmotique Benjamin Espinasse et Bernard Planchon ..................................................................................................................... 72 14. Propriétés optiques de l’eau Jean-Marc Frigerio ............................................................................................................................................................. 74 15. L'eau atmosphérique Sandrine Bony .................................................................................................................................................................... 76 16. La neige : formation et transformations Samuel Morin ..................................................................................................................................................................... 78 17. L'oxydation de l'eau au cœur de la photosynthèse Alain Boussac et Paul Mathis .......................................................................................................................................... 80 18. L’eau et la plante Christophe Maurel ............................................................................................................................................................. 82 6| 150917_Eau_VB_EP3.indd 6 16/10/15 12:27 19. Comment les arbres pompent-ils l'eau ? Christophe Clanet et Alexandre Ponomarenko ............................................................................................................ 84 20. L'eau et la dynamique des macromolécules biologiques Marie-Claire Bellissent-Funel ......................................................................................................................................... 86 21. L’activation des protéines membranaires Mounir Tarek et Lucie Delemotte ................................................................................................................................... 88 22. La régulation de l’eau chez les animaux Pierre Corvol ....................................................................................................................................................................... 90 - Troisième partie Eau et milieu 1. L’eau, un bien commun à comprendre pour mieux le préserver Sylvain Lamare .................................................................................................................................................................. 95 2. Cycle de l’eau à l’échelle des temps géologiques Yves Goddéris ...................................................................................................................................................................... 96 3. La Crise messinienne Christian Gorini, Jean-Pierre Suc et Marina Rabineau ............................................................................................ 98 4. La répartition spatiale actuelle de l’eau sur Terre Marine Herrmann, Sylvain Biancamaria et Rémy Roca........................................................................................... 100 5. Dynamiques temporelles du cycle de l'eau Thierry Lebel ...................................................................................................................................................................... 102 6. La fonte des glaces continentales Étienne Berthier et Frédérique Rémy ............................................................................................................................. 104 7. Les masses d’eau superficielle continentales Hervé Piégay ........................................................................................................................................................................ 106 8. Zones humides et marais d’eau douce Jean-Luc Peiry..................................................................................................................................................................... 108 9. Lagunes et estuaires Henri Etcheber et Rutger De Wit.................................................................................................................................... 110 10. Les eaux souterraines : cachées mais fondamentales Virginie Vergnaud-Ayraud et Luc Aquilina ................................................................................................................. 112 11. Interactions eaux de surface/eaux souterraines Nicolas Flipo ........................................................................................................................................................................ 114 12. La vie dans les eaux courantes continentales Philippe Boët et Didier Pont............................................................................................................................................. 116 13. Formes d'adaptation des plantes aux milieux aquatiques Florent Arthaud.................................................................................................................................................................. 118 Table des matières | 7 150917_Eau_VB_EP3.indd 7 16/10/15 15:04 14. Les adaptations des petits mammifères dans les milieux extrêmes Christiane Denys ................................................................................................................................................................ 120 15. La cryopréservation Éric Quéinnec ...................................................................................................................................................................... 122 16. Ecosystèmes aux interfaces terre / eau François Fromard et Eric Tabacchi ................................................................................................................................. 124 17. L’eau dans les écosystèmes continentaux Nicolas Viovy et Gwenaël Abril ....................................................................................................................................... 126 18. Action des systèmes continentaux sur le fonctionnement du milieu marin Olivier Aumont et Laurent Bopp .................................................................................................................................... 128 19. Les échanges d’eau sol-végétation-atmosphère Andrée Tuzet et Yves Brunet ............................................................................................................................................ 130 20. Couvert végétal et ressources en eau Serge Rambal ...................................................................................................................................................................... 132 21. Petites rivières, qualité de l’eau et organismes Éric Chauvet et François Guérold ................................................................................................................................... 134 22. Les eaux stagnantes Josette Garnier, Vincent Thieu et Gilles Billen ............................................................................................................. 136 23. La continuité écologique des corridors fluviaux Céline Le Pichon et Kris Van Looy ................................................................................................................................. 138 24. Espèces introduites et invasions biologiques dans les eaux continentales Anne-Marie Planty-Tabacchi et Henri Décamps ......................................................................................................... 140 25. L'eau : milieu et ressource Vazken Andréassian........................................................................................................................................................... 142 26. Les bassins versants Michel Lang, Éric Sauquet et Bernard Chastan .......................................................................................................... 144 27. De la carte géologique à la carte hydrogéologique Nathalie Dörfliger ............................................................................................................................................................. 146 28. Les outils pour détecter les ressources hydrologiques Roger Guérin et Konstantinos Chalikakis ..................................................................................................................... 148 29. La dynamique des écoulements souterrains, moteur des réactions chimiques Tanguy Le Borgne et Luc Aquilina ................................................................................................................................. 150 30. Comment les eaux acquièrent-elles leur composition chimique ? Damien Lemarchand et Émilie Beaulieu ...................................................................................................................... 152 31. Les observatoires de l’eau terrestre Jérôme Gaillardet et Vincent Bretagnolle ...................................................................................................................... 154 32. La gravimétrie : une méthode pour percer les secrets souterrains Laurent Longuevergne ...................................................................................................................................................... 156 8| 150917_Eau_VB_EP3.indd 8 16/10/15 12:27 - Quatrième partie Usages de l'eau 1. De la diversité des usages de l’eau Denis Salles .......................................................................................................................................................................... 161 2. Multifonctionnalité des rivières Christian Lévêque .............................................................................................................................................................. 162 3. Histoire des techniques hydrauliques Thierry Ruf.......................................................................................................................................................................... 164 4. L'agriculture irriguée et ses enjeux au xxi siècle e Sami Bouarfa, Jean-Christophe Poussin et Jean-Yves Jamin...................................................................................... 166 5. Impacts de l'utilisation de l'eau par l'agriculture Thierry Caquet ................................................................................................................................................................... 168 6. Usages de l’eau pour l’industrie Michel Roustan et Alain Grasmick ................................................................................................................................. 170 7. L’eau et les exploitations minières : d’une contrainte à une richesse Georges Vigneron ................................................................................................................................................................ 172 8. Industrie minière et environnement Jacques Thibiéroz et Jérôme Viers .................................................................................................................................... 174 9. L’eau, source mécanique d’électricité Pierre Crausse et Henri-Claude Boisson ........................................................................................................................ 176 10. L’eau, source de stockage d’énergie Henri-Claude Boisson et Pierre Crausse ........................................................................................................................ 178 11. Stocker l’eau Paul Royet ............................................................................................................................................................................ 180 12. L'eau, fluide caloporteur, source d'énergie et de refroidissement Sylvie Gentier ...................................................................................................................................................................... 182 13. Eau lourde et énergie nucléaire de fission Alexis Nuttin....................................................................................................................................................................... 184 14. Le transport par voie d’eau Émilie Lorant-Plantier et Pierre Pech............................................................................................................................ 186 15. Eau urbaine : production et distribution de l’eau potable Jean-Luc Trancart .............................................................................................................................................................. 188 16. Eau urbaine : évacuation et assainissement Marie-Noëlle Pons.............................................................................................................................................................. 190 17. Les usages récréatifs de l’eau Barbara Evrard, Damien Féménias et Olivier Sirost .................................................................................................. 192 18. Le thermalisme Christian-François Roques et Claude-Eugène Bouvier ............................................................................................... 194 Table des matières | 9 150917_Eau_VB_EP3.indd 9 16/10/15 12:27 19. Les conflits d'usage autour de l’eau Iratxe Calvo-Mendieta ...................................................................................................................................................... 196 20. Changements climatiques et conflits d'usage de l'eau Pierre Chevallier................................................................................................................................................................. 198 - Cinquième partie Qualité de l'eau 1. Comment définir la qualité de l’eau ? Laura Sigg ........................................................................................................................................................................... 203 2. Vers quelles normes de qualité ? Gabrielle Bouleau et Hélène Budzinski ......................................................................................................................... 204 3. Composition chimique des eaux et variabilité naturelle Jean-Luc Probst et Anne Probst ....................................................................................................................................... 206 4. Sources et cheminements des polluants Philippe Behra et Jean-Luc Probst ................................................................................................................................... 208 5. Les macropolluants Mireille Montrejaud-Vignoles et Claire Vialle ............................................................................................................. 210 6. Les micropolluants et les nanoparticules Hélène Budzinski et Julien Gigault ................................................................................................................................ 212 7. À la recherche de micropolluants dans les cours d’eau : l’échantillonnage Fabrizio Botta ..................................................................................................................................................................... 214 8. Mesure de la qualité des eaux par satellite Jean-Michel Martinez ....................................................................................................................................................... 216 9. Capteurs de la qualité des eaux Katia Fajerwerg, Philippe Behra et Jérôme Gaillardet ............................................................................................... 218 10. Impact écotoxique des contaminants chimiques Jeanne Garric ...................................................................................................................................................................... 220 11. Analyse des polluants dans l’eau Patrick Mazellier et Marie-Hélène Dévier.................................................................................................................... 222 12. Potabilisation de l’eau Bernard Legube .................................................................................................................................................................. 224 13. Les technologies membranaires Claire Albasi et Philippe Aptel ......................................................................................................................................... 226 14. Dessalement d’eau de mer Corinne Cabassud et Hélène Roux-de Balmann .......................................................................................................... 228 15. Traitement de l'eau usée Mathieu Spérandio et Jean-Marc Choubert .................................................................................................................. 230 10 | 150917_Eau_VB_EP3.indd 10 16/10/15 12:27 16. Une chimie innovante au service du traitement des eaux usées Claude Descorme ................................................................................................................................................................ 232 17. La remédiation naturelle et l’autoépuration des milieux aquatiques Magali Gerino et Isabelle Laffont-Schwob .................................................................................................................... 234 18. Réutilisation des eaux usées domestiques Bernard de Gouvello et Nathalie Garrec ...................................................................................................................... 236 19. Recyclage et réutilisation des eaux industrielles et agricoles Nicolas Roche et Bruno Molle .......................................................................................................................................... 238 20. Les maladies liées à l’eau Fabien Squinazi.................................................................................................................................................................. 240 21. Hygiène et salubrité de l’eau Gérard Jorland .................................................................................................................................................................... 242 22. Quelle qualité d’eau ? Agathe Euzen ...................................................................................................................................................................... 244 - Sixième partie Eau et société 1. L'eau, une ressource multiforme Corinne Larrue .................................................................................................................................................................. 249 2. Eau, territoires et sociétés Stéphane Ghiotti ................................................................................................................................................................. 250 3. Villages lacustres du Néolithique et de l’Âge du Bronze Pierre Pétrequin.................................................................................................................................................................. 252 4. Le modèle urbain : histoire de l’accès à l’eau Sylvain Petitet ..................................................................................................................................................................... 254 5. Nouveaux enjeux de l’accès à l’eau et à l’assainissement Catherine Baron ................................................................................................................................................................. 256 6. Droit de l’eau, droit à l’eau Nicole Belloubet .................................................................................................................................................................. 258 7. Droit international de l’eau Bernard Drobenko ............................................................................................................................................................. 260 8. Les guerres de l’eau, une notion controversée mais avérée Jacques Bethemont.............................................................................................................................................................. 262 9. Sécurité alimentaire et limites des ressources en eau Sébastien Treyer et Sandrine Paillard ............................................................................................................................ 264 10. L’empreinte eau Anne-Marie Boulay ........................................................................................................................................................... 266 Table des matières | 11 150917_Eau_VB_EP3.indd 11 16/10/15 12:27 11. Pratiques de consommation domestique Agathe Euzen ...................................................................................................................................................................... 268 12. Compter l’eau Cyril Leclerc, Julien Batisse et Xavier Litrico ............................................................................................................... 270 13. Peut-on expliquer le prix de l’eau ? Rémi Barbier ....................................................................................................................................................................... 272 14. L’eau : un objet économique complexe Arnaud Buchs et Olivier Petit .......................................................................................................................................... 274 15. Modalités de gestion des services d'eau et d’assainissement : un affrontement public-privé ? Lætitia Guérin-Schneider ................................................................................................................................................. 276 16. Outils, obstacles et défis de la politique de l’eau en France Jean-Pierre Le Bourhis ...................................................................................................................................................... 278 17. Gestion des risques naturels liés à l’eau et vulnérabilités Magali Reghezza-Zitt ....................................................................................................................................................... 280 18. Adaptation des populations aux conditions extrêmes liées à l'eau Yamna Djellouli-Tabet...................................................................................................................................................... 282 19. Les crues rapides : problème d’échelles et de société Isabelle Ruin........................................................................................................................................................................ 284 20. Les outils de suivi et de prévision des aléas Véronique Ducrocq ............................................................................................................................................................. 286 21. Les sédiments des lacs, archives des crues Bruno Wilhelm, Fabien Arnaud et Pierre Sabatier .................................................................................................... 288 22. Transferts d’eau interbassins François Molle ..................................................................................................................................................................... 290 23. Partager l’eau : instruments, logiques et diversité Fabienne Wateau ............................................................................................................................................................... 292 24. Gestion sociale de l’irrigation Olivia Aubriot..................................................................................................................................................................... 294 - Septième partie Représentations et perspectives 1. L’eau et ses représentations, vers de nouvelles perspectives Agathe Euzen ...................................................................................................................................................................... 299 2. Les imaginaires de l’eau Jean-Philippe Pierron ........................................................................................................................................................ 300 3. Eau, symboles et rites sacrés Agathe Euzen ...................................................................................................................................................................... 302 12 | 150917_Eau_VB_EP3.indd 12 16/10/15 12:27 4. L’eau dans les paysages Augustin Berque ................................................................................................................................................................. 304 5. Représentations de l’eau en peinture Georges Roque ..................................................................................................................................................................... 306 6. Représentations visuelles de l'eau en synthèse d'image Patrick Callet ...................................................................................................................................................................... 308 7. L’eau, un objet d’enseignement des sciences à la physique singulière Nicolas Décamp et Cécile de Hosson ............................................................................................................................... 310 8. Comment communiquer et sensibiliser le grand public sur les enjeux liés à l'eau ? Bernard Chocat .................................................................................................................................................................. 312 9. Systèmes de modélisation et participation pour la gestion de l’eau Olivier Barreteau ............................................................................................................................................................... 314 10. Les outils d’aide à la décision Philippe Vervier, Matthieu Saint-Michel et Adrien Bonneu ..................................................................................... 316 11. Controverses autour de l'eau José Teixeira ......................................................................................................................................................................... 318 12. Les recherches sur l’eau : de nombreux défis pour l’avenir Ghislain de Marsily et Élisabeth Lallier-Vergès ........................................................................................................... 320 13. À la recherche d’eau dans le Système Solaire Sylvestre Maurice ............................................................................................................................................................... 322 - Huitième partie Compléments Glossaire .............................................................................................................................................................................. 327 Contributeurs .................................................................................................................................................................... 352 Laboratoires et instituts ................................................................................................................................................... 361 Table des matières | 13 150917_Eau_VB_EP3.indd 13 20/10/15 17:45 150917_Eau_VB_EP3.indd 14 20/10/15 17:46 Préface Alain Fuchs Water, water, everywhere, And all the boards did shrink; Water, water, everywhere Nor any drop to drink. Cet extrait très célèbre du poème de Samuel Taylor Coleridge, « La complainte du vieux marin », résonne aujourd’hui de façon un peu grinçante à nos oreilles, dans le contexte des défis environnementaux auxquels nous faisons face, et où la place de l’eau, dans tous ses états, est souvent centrale. Avec ce nouveau volume dédié à l’eau, Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri ont pris l’initiative de compléter la série traitant du climat, de l’énergie et du développement durable « à découvert », par un ouvrage du même type sur l’eau. Je n’ai pu que les encourager dans cette démarche et je suis heureux de voir aboutir ce projet, au moment où se prépare la conférence COP21 dont on connait l’importance pour notre avenir. Traiter à la fois des grands enjeux liés à l’eau-ressource, ses propriétés fondamentales, l’eau et ses milieux, la qualité, les usages et les politiques de l’eau par une série de courts articles accessibles et percutants écrits par les meilleurs spécialistes du domaine, constitue un incroyable défi que les trois directeurs de cet ouvrage, son comité éditorial et bien entendu l’ensemble des auteurs ont relevé de façon magistrale. Qu’ils en soient ici tous remerciés et félicités. Je souhaite à L’eau à découvert la même audience que ses prédécesseurs dans la même collection. Préface | 15 150917_Eau_VB_EP3.indd 15 16/10/15 12:27 Introduction générale Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri Après trois ouvrages de la même série traitant du climat, de l’énergie et du développement durable, il nous a semblé utile, voire indispensable, de compléter cet ensemble par un nouvel ouvrage collectif consacré à l’eau, compte tenu de l’enjeu majeur qu’elle représente pour le xxie siècle. Avec la croissance démographique et une urbanisation galopante, préserver cet élément vital, tant pour satisfaire les besoins des populations et leur santé que pour les écosystèmes, nécessite une gestion spécifique de cette ressource sur et entre les territoires. Indispensable au développement de l’agriculture pour nourrir les communautés humaines, elle l’est aussi pour le développement industriel, la production d’énergie… Sans compter le rôle essentiel dans le maintien des mondes vivants et de la biodiversité. Or, dans ce contexte de changement global et avec le changement climatique, l’exacerbation des phénomènes de sécheresses, d’inondations et autres événements extrêmes, a de lourdes conséquences sur les sociétés et leur environnement. Faire face à ces réalités, tout en se préoccupant de la question de la disponibilité de la ressource et de son accessibilité pour satisfaire les besoins essentiels des populations humaines, est au cœur des Objectifs du dévelop- pement durable, qui viennent poursuivre les Objectifs du millénaire pour le développement s’achevant en 2015. Les enjeux liés aux milieux aquatiques ainsi qu’à l’eau et l’assainissement font l’objet d’objectifs pour garantir le bien-être humain et le respect de l’environnement. Ainsi, la question de l’eau, à l’échelle globale, s’accompagne de sa nécessaire gestion sur les territoires et de la préservation de sa qualité, qui se dégrade avec les activités humaines. La restauration de la qualité des milieux est d’ailleurs l’une des priorités pour chacun des États européens, en cette année 2015, qui marque l’une des échéances de la Directive cadre européenne sur l’eau. L’apport des travaux des scientifiques dans ce domaine, tant dans l’approfondissement de la connaissance du fonctionnement du système Terre et de ses interactions, que dans la mise en place de dispositifs de mesures ou dans l’élaboration d’indicateurs et de systèmes de restauration des milieux, par exemple, est particulièrement important pour son appui aux gestionnaires, techniciens et décideurs. La question de l’eau n’est en effet pas dissociable de ces changements globaux, dans la mesure où elle joue un rôle essentiel dans la régulation du climat de la Terre. L’eau Fontaine des Quatre Parties du Monde, Paris. © Kmlz. ■ 16 | 150917_Eau_VB_EP3.indd 16 16/10/15 12:27 est, par conséquent, l’un des enjeux de la conférence internationale sur le climat (COP 21) de décembre 2015. C’est ainsi, dans ce contexte, que nous avons envisagé la construction de cet ouvrage, visant à apporter un éclairage sur chacun des domaines et des approches que couvre le large spectre de la thématique de l’eau et de ses liens avec la santé, la biodiversité, les usages, la géopolitique, les sociétés, les risques, l’agriculture, la ville… L’eau reste, sur le plan fondamental, une substance aux propriétés physico-chimiques souvent originales et encore insuffisamment comprises. Son histoire sur Terre n’est pas dissociable de l’histoire de la planète ellemême et de son climat. La vie, qui en est sortie, ne peut s’en passer. Les sociétés ont accompagné leur développement d’une maîtrise de l’eau, que ce soit pour s’approvisionner, la distribuer, ou encore la traiter. Ainsi, garante de la pérennité et du développement du monde vivant, l’eau est reconnue comme patrimoine commun de l’humanité, qui doit être préservé pour les générations futures. L’élément eau devient alors un objet social, économique et même politique, lorsqu’il s’agit de prendre en considération les conflits d’intérêts qu’elle suscite parfois entre les individus et entre les communautés, à l’échelle locale comme à l’échelle globale… Comprendre et proposer des solutions à ces défis majeurs est l’une des intentions de cet ouvrage. Elle ne peut en effet être envisagée sans la présentation, par le monde académique qui mène ces recherches, de multiples ressorts, avancées, verrous et perspectives qu’elle suscite. Il convient aussi de montrer l’articulation subtile entre les niveaux de connaissance, qui vont d’une compréhension globale de phénomènes à leur description fine, mobilisant ainsi une grande diversité d’outils, plus ou moins spécialisés, à la fois conceptuels et expérimentaux. L’objectif de cet ouvrage est précisément d’essayer de rendre accessible cet ensemble de connaissances, et quand cela est possible, de décrire les lieux d’interface où celles-ci tentent de se conjuguer en fertilisation croisée. Le comité éditorial de cet ouvrage se devait donc d’être largement pluridisciplinaire. Il a travaillé plusieurs mois pour identifier, sans atteindre l’exhaustivité, les sujets à privilégier, ainsi que les auteurs, pris parmi les meilleurs spécialistes du secteur académique. La quantité et la diversité des sujets relatifs à l’eau ont contraint le comité éditorial à faire le choix de privilégier les eaux douces continentales. La question de l’océan a été restreinte aux rôles qu’il joue aux interfaces avec l’atmosphère (évaporation-précipitation) et avec les continents (estuaires, littoraux…). L’océan comme ressource d’eau est aussi discuté, dans le cadre des dispositifs de traitement de l’eau, en particulier le dessalement. Après avoir présenté les grandes problématiques et les enjeux liés à l’eau dans la première partie de l’ouvrage, il s’agit de donner les éléments fondamentaux pour comprendre l’eau, sous sa forme H 2O, dans tous ses états, au chapitre deux. Omniprésente sur la Terre, elle est au cœur d’un cycle et prend des formes différentes selon les milieux qu’elle compose et qu’elle traverse, ce que montre le troisième chapitre. Considérée comme une ressource, le chapitre quatre invite à comprendre comment l’eau est captée, prélevée, canalisée, stockée et encore traitée et transformée, pour satisfaire la grande diversité des usages qu’en ont les populations pour se développer. Mais ces usages ne sont pas sans incidence sur la qualité de l’eau, ce qui impacte les milieux et la santé humaine, comme le montre le chapitre cinq. Le chapitre six permet de comprendre comment les sociétés se sont organisées, depuis les temps anciens jusqu’à aujourd’hui, autour de cette ressource vitale, tant en milieu urbain que rural. Enfin, le dernier chapitre s’attache à montrer jusqu’où l’eau est prégnante pour chaque individu et pour les sociétés à travers les représentations et ouvre vers les perspectives qu’offre la recherche dans le domaine de l’eau. Cet ouvrage n’aurait pu être réalisé sans de multiples soutiens. Nous tenons tout d’abord à remercier le président du CNRS, qui a soutenu le projet et accepté de préfacer l’ouvrage. Nous souhaitons aussi remercier les membres du comité éditorial pour la richesse de leur grande implication, la richesse des échanges et leur contribution dans la structuration de l’ouvrage, chacun des auteurs pour leur enthousiasme dans ce projet et leur mobilisation en un temps record, et aussi CNRS Éditions qui a accompagné la réalisation jusqu’à sa parution. Mais tout cela n’aurait pas suffi sans le dynamisme et le professionnalisme d’Elsa Godet, qui a mis l’ensemble de ses compétences et toute son efficacité au service de la réalisation de ce bel ouvrage. Références bibliographiques • C. JEANDEL et R. MOSSERI (dir.) – Le climat à découvert, CNRS Éditions, 2011. • R. MOSSERI ET C. JEANDEL (dir.) – L’énergie à découvert, CNRS Éditions, 2013. • A. EUZEN, L. EYMARD et F. GAILL (dir.) – Le développement durable à découvert, CNRS Éditions, 2013. Introduction générale | 17 150917_Eau_VB_EP3.indd 17 16/10/15 12:27 18 | 150917_Eau_VB_EP3.indd 18 16/10/15 12:27 - PREMIÈRE PARTIE - Les grandes thématiques et les enjeux d'aujourd'hui Introduction générale | 19 150917_Eau_VB_EP3.indd 19 16/10/15 12:27 Page précédente : De la source au robinet, histoire d’un cycle aux multiples enjeux. Abreuvoir suisse, près d’Hasliberg, Canton de Bern. © P. Bürgler. ■ 20 | Les grandes thématiques et les enjeux d'aujourd'hui 150917_Eau_VB_EP3.indd 20 16/10/15 12:27 1. Introduction Agathe Euzen, Catherine Jeandel et Rémy Mosseri Eau des villes ou eau des champs ? Eau à boire, cuire, se laver ou eau pour fabriquer un jeans, un T-shirt, une voiture ? Eau pure et purifiante ou eau toxique, dangereuse ? Comment l’eau arrive-t-elle au cœur de la ville, au robinet ? Et d’abord, ces grandes questions : d’où vient toute cette eau sur Terre, d’où vient et où va la pluie, combien de temps l’eau reste-t-elle dans l’océan, d’ailleurs l’océan a-t-il toujours eu le même volume et depuis combien de temps est-il sur Terre ? L’eau, indispensable au développement de la vie sur Terre, est nécessaire au développement de l’agriculture pour nourrir les populations et pour leur hygiène, mais elle l’est aussi pour le développement industriel et la production d’énergie. Notre planète est directement concernée par des phénomènes de sécheresses, d’inondations et autres événements extrêmes*, qui ont de lourdes incidences sur les écosystèmes et populations. La question de l’eau n’est pas dissociable des changements globaux, dans la mesure où elle joue un rôle essentiel dans la régulation du climat de la Terre. Dans un contexte de démographie croissante et d’urbanisation galopante, la question de l’eau est au centre de nos préoccupations, de celle des gestionnaires publics, des enjeux politiques mondiaux. Ce premier chapitre est conçu pour répondre à plusieurs questions très génériques et fondamentales à la fois. Un premier groupe d’articles aborde la question de l’eau sous son aspect « fluide géophysique », support de la vie sur Terre. Le premier texte surprend le lecteur en expliquant pourquoi notre planète est considérée comme « pauvre en eau », alors que l’eau est majoritairement présente à la surface de la planète, et tente de décrire où en est la compréhension de la provenance de l’eau terrestre. Le second débat de l’origine de la vie sur Terre, présente depuis plusieurs milliards d’années, et discute la recette de la soupe originelle d’où ont émergé les premières protéines. Le troisième décrit le grand cycle de l’eau, des océans aux arbres, ouvrant sur les quatrième et cinquième articles, qui traitent de l’eau dans l’histoire récente du climat et de l’eau dans le changement global, qui affecte aujourd’hui les rythmes naturels à l’œuvre depuis plus de 8 000 ans. Un deuxième groupe d’articles décrit une eau plus technique, au service des êtres humains, où le lecteur apprend comment ceux-ci maîtrisèrent progressivement la distribution de l’eau et quelle est la place de l’eau dans le développement des sociétés. Il y est également question de l’eau dans la ville, celle bue directement, mais Gulfoss, chute d’eau de la rivière Hvítá, Islande. © A. Euzen. ■ aussi celle consommée indirectement via les produits manufacturés et l’alimentation. Un troisième groupe d’articles rappelle le rôle essentiel de l’eau dans la vie, que ce soit l’eau des champs pour la sécurité alimentaire mondiale, en soulignant l’urgence des besoins en innovation pour mieux irriguer avec moins, mais aussi l’eau pour l’hygiène ou à l’opposé, l’eau insalubre et vecteur de maladies. Le dernier groupe d’articles traite de l’eau « politique », l’eau comme enjeu mondial et posé tel quel aux gouvernants. Et enfin, le dernier article nous invite à réfléchir sur le statut de l’eau : bien commun ou patrimoine commun ? Introduction | 21 150917_Eau_VB_EP3.indd 21 16/10/15 12:27 2. Origine(s) de l'eau sur Terre Pierre Cartigny L'habitabilité d'une planète dépend de nombreux paramètres : si la planète est trop petite, et donc trop légère, son atmosphère s’échappera rapidement… Mais parmi tous, la présence d'eau liquide reste l'élément central. Comprendre l'origine de l'eau sur Terre, c'est répondre à la condition nécessaire à l'apparition de la vie et c’est également un moyen d'appréhender la présence de vie extraterrestre. Sans eau notre planète serait morte L’origine de l’eau sur Terre est une vieille question scientifique, qui, par manque de données temporelles et spatiales, reste largement ouverte. En l'état des connaissances, la Terre apparaît globalement pauvre en eau. La présence, en abondance, d’eau à la surface (masse des océans ~ 1,4 1021 kg) ne saurait cacher le fait que le manteau terrestre (qui s’étend sous la croûte jusqu'à 2 900 km de profondeur) est vraisemblablement pauvre en eau. La plupart des échantillons dont on dispose donne des valeurs de l’ordre de 250 milligrammes par kilogramme de roche. De par sa taille (~4 1024 kg) il contient néanmoins l'équivalent d’un océan (soit ~1021 kg). Dans le manteau, l'eau, ou plutôt l’hydrogène, n'est pas présente sous forme d'H 2O liquide ou vapeur, mais sous la forme de groupements hydroxyles (OH-), qui pénètrent dans les minéraux (le plus abondant étant l'olivine). Ils sont en général en concentration très faible, mais ont des effets significatifs sur les propriétés physiques du manteau, puisque l’eau peut abaisser localement la température de fusion des roches de l’ordre de 200 °C et leur viscosité* d'un facteur 100. La présence d’eau rend le manteau plus ductile et permet l'existence de grandes cellules de convection*, dont la tectonique des plaques et le volcanisme en sont les expressions de surface. Enfin, sans eau, l'atmosphère de notre planète ressemblerait à celle, très épaisse, de Vénus (96 % de CO2 et 3,5 % de N2). Sur Terre, l'eau a dissous en grande partie le CO2 atmosphérique pour laisser une atmosphère riche en azote et donner naissance au cycle du carbone* (cf. III.18). La distribution de l'eau sur Terre Sur Terre, la formation de la croûte océanique au niveau des dorsales océaniques* est associée à une intense activité hydrothermale (interactions entre la roche et l’eau de mer), dont les fumeurs noirs* témoignent du transfert vers la surface d'éléments essentiels aux cycles bio-géochimiques (fer, manganèse, zinc, cuivre). Elle aboutit surtout à la formation de minéraux hydratés. Par exemple, la serpentine se forme aux dépens de l'olivine, la première contenant 12 % en poids d'eau alors que la seconde n'en contient que quelques dizaines de mg par kg. La croûte océanique voit ainsi sa concentration en eau multipliée par plus de 100. Sans un retour massif de l'eau de la croûte océanique, l'eau des océans disparaîtrait en moins de cent millions d'années. L'eau piégée dans la croûte océanique est libérée en profondeur dans les zones de subduction*. Au fur et à mesure de l’enfoncement de la plaque océanique dans le manteau, la pression et la température augmentant, les réactions métamorphiques* libèrent l’eau et conduisent à la formation de nouveaux minéraux pauvres en eau. Ainsi, plus de 98 % de l'eau retournerait à la surface et un état stationnaire entre cette eau piégée dans la croûte et celle libérée dans les zones de subduction serait atteint depuis l'Archéen (soit depuis plus de 2,5 milliards d'années). Les océans auraient donc atteint leur taille actuelle depuis cette époque. L'eau n'est cependant pas répartie de manière homogène dans le manteau. Il existe des variations latérales ; par exemple, les basaltes montrent des teneurs en eau variables de plus d'un facteur quatre. Il pourrait aussi exister des variations avec la profondeur, pouvant aller jusqu'à un facteur 50. Le conditionnel est requis, les échan- 22 | Les grandes thématiques et les enjeux d'aujourd'hui 150917_Eau_VB_EP3.indd 22 16/10/15 12:27 Une vue d'artiste des conditions régnant à la surface de la Terre il y a 4,4 milliards d'années. Cette vue est à l'opposé de celle qui a longtemps prévalu, décrivant la Terre comme un milieu hostile, chaud et dépourvu d'eau. © D. Dixon www.cosmographic.com, avec autorisation. ■ tillons terrestres plus profonds que 250 kilomètres restent exceptionnels et se limitent à 300 diamants. La nature de leurs inclusions minérales permet de déduire leur profondeur de formation et de plonger jusqu’à ~ 800 km. Avec si peu d’échantillons, le cycle de l’eau est donc généralement étudié de manière indirecte. Les données expérimentales aux hautes pressions et températures montrent que si les minéraux du manteau supérieur (jusqu'à 410 km) ne peuvent accommoder de grandes quantités d'eau, ceux de la zone de transition manteau supérieur-manteau inférieur (410-660 km), peuvent, quant à eux, contenir jusqu'à 2,6 % en poids d'eau. De plus, les zones à faible vitesse sismique (autour de 410 km profondeur) et surtout la découverte récente d'une inclusion de ringwoodite (un polymorphe de haute pression de l'olivine) dans un diamant contenant au moins 1,5 % d'eau en poids démontrent que la zone de transition peut être au moins localement très riche en eau. En extrapolant à son ensemble, il pourrait y avoir l'équivalent d'un océan dissous dans la zone de transition. Pour le manteau inférieur (660-2900 km), les données expérimentales suggèrent que peu d'eau pourrait rentrer dans les minéraux existants. Mais les compositions chimiques considérées restent souvent très simples, ainsi l'étude d’inclusions minérales de diamants du manteau inférieur devrait bientôt apporter une première estimation des teneurs en eau potentiellement présentes. Pour le noyau de la Terre (2900-6400 km), aucune donnée ne permet d'appréhender avec précision sa concentration en hydrogène. Provenance de l’eau sur Terre La plupart des scientifiques s’accordent pour dire que, durant sa formation, la Terre a dû perdre la majorité de son eau, dite primordiale, puis acquérir tardivement l’eau que nous voyons aujourd’hui. Mais il n’y a pas encore de consensus, ni sur la chronologie ni sur les composants apportés. Les modèles d'accrétion des planètes (en général) prédisent un épisode de fusion globale durant les premières centaines de millions d'années, conséquence de la libération de l'énergie gravitationnelle et nucléaire. L’histoire de la Terre (en particulier) a été marquée par la formation de la Lune. Les simi- litudes géochimiques entre la Terre et la Lune (mais aussi la grande taille de la Lune et la courte distance Terre-Lune) attestent d'une formation conjointe des deux objets via un impact entre la proto-Terre et un impacteur de la taille de Mars, aboutissant là encore à la fusion globale des deux corps. Une telle histoire suggère que l'eau terrestre (et bien sûr celle de la Lune) ait pu être évaporée… pour être ensuite apportée il y a environ 4,4 milliards d'années, par des corps primitifs riches en eau, tels que des chondrites* ou des comètes. Sur la base des rapports isotopiques de l'hydrogène, l’hypothèse d’un apport d’eau provenant de chondrites carbonées (celles qui ressemblent le plus au soleil et qui contiennent jusqu'à 20 % d'eau en poids) serait la plus vraisemblable. Pour comprendre si la Terre a perdu l'intégralité de son eau avant qu'elle ne soit apportée plus tardivement, il faudrait avoir accès à l'eau primordiale ou à celle apportée tardivement. Bien sûr, cela est impossible, tout ayant, en effet, été effacé et mélangé par l'érosion* et la tectonique des plaques. Là encore, ce sont des évidences indirectes, via la géochimie des gaz rares et de l'azote, qui permettent de conclure à la présence d'eau primordiale sur Terre, mais un bilan reste en l'état impossible à faire. Malgré les difficultés soulignées, de grandes avancées ont néanmoins été réalisées. Des zircons âgés de près 4,4 milliards d'années préservent, dans l’abondance des isotopes* de l'oxygène, la trace d'interactions hydrothermales, démontrant de facto la présence d'eau. Cette observation prouve que, très tôt dans l'histoire de notre planète, les conditions étaient favorables à l'apparition de la vie. Références bibliographiques • F. ROBERT – L’origine de l’eau dans le système solaire telle qu’elle est enregistrée par son rapport isotopique D/H, L’environnement de la Terre primitive, Presses Universitaires de Bordeaux, 2001. • www.eau-seine-normandie.fr/index.php?id=7213 Origine(s) de l'eau sur Terre | 23 150917_Eau_VB_EP3.indd 23 16/10/15 12:27 3. L’eau et les origines de la vie Marie-Christine Maurel Tout organisme vivant, de la simple cellule à la méduse, contient une très grande quantité d'eau (de 70 % à 99 % pour la méduse). Les tardigrades (ou « oursons d’eau ») sont les animaux les plus résistants que nous connaissons, et ils ne retrouvent leurs propriétés vitales, après dessiccation*, qu’en recouvrant les 99 % d’eau perdue en cryptobiose (cf. III.15). La vie sans eau liquide est aujourd’hui inimaginable. L’eau, indispensable à la vie Depuis ses origines, 90 % de l’histoire de la vie s’est déroulée dans l’eau et l’analyse isotopique* de l’oxygène 18O/16O extrait du plus vieux minéral connu, le zircon (découvert en Australie et datant de -4,4 milliards d’années), révèle que la Terre abritait déjà à cette époque un ou plusieurs océans d’eau liquide. Contrairement aux océans actuels, dont le pH est légèrement basique (aux environs de 8), le pH des premiers océans était alors inférieur en raison du niveau élevé de CO2 (0,1 à 1 atmosphère). Des conditions très acides ou très basiques, telles que celles rencontrées près des sources hydrothermales, qu’elles soient sous-marines ou de surface, auraient donc pu permettre le déroulement des premiers événements chimiques précurseurs du vivant (chimie pré-biotique*). Charles Darwin, fondateur de la théorie de l’Évolution, déclarait en 1871 : « Mais si (et oh !, quel grand si) nous pouvions concevoir, dans quelque petite mare chaude, en présence de toutes sortes de sels d'ammoniac et d'acide phosphorique, de lumière, de chaleur, d'électricité, etc., qu'un composé de protéine fût chimiquement formé, prêt à subir des changements encore plus complexes, au jour d'aujourd' hui une telle matière serait instantanément dévorée ou absorbée, ce qui n'aurait pas été le cas avant l'apparition des créatures vivantes ». Ainsi, la recherche des origines de la vie se concentre principalement sur les voies de passage d’une chimie prébiotique à une biologie simple dans l’eau, au sein d’une cavité rocheuse, où des cycles d’hydratation et de sécheresse ont pu se produire sur des surfaces minérales. Des traces fossiles de formes cellulaires datant de 3,5 milliards d’années ont été retrouvées dans les stromatolithes* qui gisent dans des eaux saumâtres* (figure). En plus des analyses sur le terrain, beaucoup de recherches sont menées en laboratoire. Certains chercheurs reproduisent l’environnement où s’épanouissent les sources chaudes sous-marines, qui jaillissent de volcans des rides océaniques situées en Les stromatolithes* résultent de l’activité de Cyanophycées (algues bleues) qui piègent et cimentent avec du carbonate de calcium CO3Ca des particules détritiques. Une fine lamination indiquant une croissance par encroûtements successifs produit des monticules qui affleurent au niveau de la mer. © P. Harrison. ■ 24 | Les grandes thématiques et les enjeux d'aujourd'hui 150917_Eau_VB_EP3.indd 24 16/10/15 12:27 moyenne à 3 000 m de profondeur, d’autres alternent les périodes de sécheresse et d’hydratation en surface (dans une « mare chaude »), d’autres encore font intervenir des argiles* ou des sulfures de fer. Enfin, des recherches sont menées sur les glaçons, les gouttelettes finement dispersées dans les brouillards et les nuages, qui peuvent rester liquides bien au-dessous de 0 °C (cf. II.2) et qui auraient pu favoriser sur Terre l’apparition d’un grand nombre de composés organiques, dissous, concentrés et prêts à réagir chimiquement. Scenarii d’apparition de la vie Dès les années 1920, Alexander Oparin (1894-1980) et John Haldane (1892-1964) ont proposé, dès les années 1920, le scénario dit de « l’océan primitif », sorte de « soupe pré-biotique » dans laquelle se seraient déposées des molécules organiques formées dans l’atmosphère réductrice et entraînées par les nombreuses pluies se déversant sur la planète. Ces molécules, méthane (CH4), ammoniac (NH3), eau (H20) et hydrogène (H 2) auraient réagi dans l’eau du bouillon primitif pour former des molécules simples, acide cyanhydrique (HCN produit de la réaction du méthane et de l’ammoniaque) et formaldéhyde* (HCHO issue de la combi naison de l’eau et du méthane). Le mélange de formaldéhyde et d’acide cyanhydrique dans l’eau, bénéficiant d’un apport d’énergie thermique, électrique (éclairs) ou photonique (UV solaire) aurait progressivement évolué pour donner les briques élémentaires du vivant et les vésicules (coacervats*), premières « niches écologiques » capables de concentrer et de rapprocher les réactants* pré-biotiques. Stanley Miller a testé cette formidable hypothèse en construisant en 1953 le premier appareillage capable de reconstituer les conditions primordiales. Grâce à ce réacteur, il a réussi la synthèse pré-biotique de cinq acides aminés artificiels en tout point identiques aux acides aminés naturels, éléments de base des protéines de toutes les cellules vivantes. Dans les années 1960, Juan Oro a combiné cinq molécules d’acide cyanhydrique (HCN) et obtenu les bases azotées de nos acides nucléiques*, supports moléculaires des chromosomes. Dans ces conditions, la principale voie de synthèse conduit à l’adénine* constitutive de l’ARN (acide ribonucléique) et de l’ADN (acide désoxyribonucléique), mais aussi des coenzymes* et de l’ATP* (adénosine triphosphorique), molécule-clé, responsable du stockage de l’énergie chimique de nos cellules. Enfin, la combinaison, en laboratoire, de molécules de formaldéhyde permet de fabriquer des sucres, en particulier un sucre à cinq atomes de carbone, le ribose*, éléments de base de la molécule d’ARN. Beaucoup de questionnements subsistent pour reconstituer de manière stable et quantitative la biomasse primitive en suivant toutes les étapes décrites ci-dessus. Des interrogations portent, par exemple, sur la composition de l'atmosphère primitive, ainsi que sur la teneur et sur la concentration des molécules dans le vaste océan primitif. La présence de CO2 est essentielle pour maintenir l'effet de serre, sans lequel il n'y aurait pas d'eau sous forme liquide sur Terre. Par ailleurs, récemment, de la matière organique a été recréée en conditions d’oxydo-réduction dites « neutres » (atmosphère riche en CO2). Le modèle d’atmosphère proposé pour la synthèse organique est donc compatible avec l’exigence d’eau liquide, sans laquelle il n’y aurait ni chimie pré-biotique, ni vie possible sur notre planète. La vie ailleurs ? Il n’existe pas d’eau liquide à la surface de Mars, pourtant la sonde Mars Express (ESA) a montré qu'il devait y avoir, il y a très longtemps, une atmosphère et des océans. L’existence de glace d’eau au niveau de la calotte polaire nord et la présence de roches sédimentaires salines de types évaporites*, d’argiles et d’autres niches possibles en sub-surface, sont les signes positifs encourageant la recherche de traces de vie passée sur « la planète rouge » (cf. VII.13). La découverte par la sonde Cassini-Huygens (NASA/ESA) de puissants geysers d’eau liquide sur un satellite de Saturne, Encelade, montre que des réactions chimiques en solution aqueuse sont possibles sous la calotte de glace. Des mélanges d’eau et d’ammoniaque ou de méthane et d’éthane existant un peu partout dans les planètes géantes, quels fluides, quelle chimie, quels types d’énergie permettraient à une forme de « vie » de se développer dans ces environnements ? Références bibliographiques • M.-C. MAUREL – Les origines de la vie, Editions SYROS, 1994. • M.-C. MAUREL – D’où vient la vie ? Editions Le Pommier, 2014. • P. FORTERRE, L. D’HENDECOURT, C. MALATERRE et M.-C. MAUREL – De l’inerte au vivant. Enquête scientifique et philosophique, Ed. La ville brûle, 2013. • Les Origines de la vie, La Recherche, numéro spécial, février 2013. L’eau et les origines de la vie | 25 150917_Eau_VB_EP3.indd 25 16/10/15 12:27 4. Le cycle de l’eau Agnès Ducharne et Katia Laval L’eau circule continuellement dans les enveloppes superficielles de la Terre, au sein de plusieurs grands compartiments : les océans, la cryosphère* (neige et glaces), la lithosphère (sols et sous-sol), l’atmosphère et la biosphère. Pourquoi et comment un cycle ? Ces compartiments sont les éléments constituant le système climatique, dont la masse d’eau totale est quasiment constante. Le rayonnement solaire, absorbé par la surface du globe, provoque l’évaporation des océans, lacs, rivières et sols, la transpiration des plantes, et la sublimation de la glace et de la neige. Mais de multiples autres transports participent au cycle de l'eau (figure 1) : dans l'atmosphère, sous forme vapeur essentiellement, mais aussi liquide ou solide au sein des nuages ; de l'atmosphère vers la surface par précipitation de l’eau ou de la glace contenues dans les nuages ou par condensation directe (brouillards) ; dans les océans par les courants, ou dans la lithosphère, à travers les sols, le sous-sol et les cours d’eau, qui se déversent dans les océans. En moyenne globale, chaque m2 de la surface de la Terre évapore 1 000 l, soit une hauteur de 1 m, d’eau par an, et reçoit une précipitation équivalente. Ces valeurs masquent cependant de forts contrastes, dans le temps (variabilité saisonnière et interannuelle) et dans l’espace. En particulier, l’évaporation annuelle moyenne par m 2 est deux fois plus forte depuis les océans que depuis les continents, où l’eau est moins facilement disponible. Dans le domaine océanique, l’évaporation excède les précipitations, à l’inverse du domaine continental. Ce déséquilibre entraîne Atmosphère 13 un transport de vapeur d'eau dans l'atmosphère depuis les océans vers les continents, contrebalancé par le transport d'un volume équivalent d'eau liquide depuis les continents vers les océans. Le cycle de l’eau global est donc constitué par deux branches horizontales, l’une atmosphérique et l’autre continentale, associées à des transports opposés, et couplées par deux branches verticales, où les échanges d'eau impliquent un changement de phase, qui précède leur transfert vertical (figure 1). Transport atmosphérique depuis les océans 40 Calottes et glaciers 24 124 Précipitation océaniques 373 (1033) Océans 1 338 000 Évaporation océanique 413 (1144) Précipitations continentales 113 (758) Évaporation continentale 73 (490) Cours d'eau et lacs 93 Sols et zones humides 93 Écoulements continentaux 40 Eaux souterraines 23 400 Volumes en 10 3 km 3 (Shiklomanov et Rodda, 2003) Pergélisols 300 Flux en 10 3 km 3/an (mm/an) (Trenberth et al., 2007) Fig. 1 – Le cycle de l’eau global. © E. Godet ■ 26 | Les grandes thématiques et les enjeux d'aujourd'hui 150917_Eau_VB_EP3.indd 26 16/10/15 12:27 Branche atmosphérique et circulation générale Dans l’atmosphère, c’est la circulation des masses d’air qui permet de transporter la vapeur d’eau de ses sources (évaporation) à ses puits (précipitation). Elle permet donc d’expliquer les variations géographiques de la pluviosité. Sur les continents, les zones côtières sous les vents issus des océans (ouest de l’Europe et du Canada, sudest des États-Unis) sont ainsi mieux arrosées que les zones plus continentales. Mais les précipitations sont aussi plus fortes quand les conditions sont favorables à la condensation. C’est notamment le cas quand l’air subit un refroidissement, ce qui est fréquemment associé à des ascendances. À condition que l’humidité soit suffisante, les précipitations sont donc abondantes sur les reliefs, souvent vus comme les châteaux d’eau des continents. À l’échelle du globe, les plus fortes précipitations apparaissent en zone équatoriale, où les masses d’air s’élèvent en permanence de quelques mm/s. Le moteur est le rayonnement solaire, maximum au niveau de l’équateur, où il chauffe fortement les basses couches de l’atmosphère. La dépression équatoriale, ainsi créée, favorise une ascendance qui constitue la branche équatoriale de la cellule de Hadley*. L’air qui arrive au sommet de l’atmosphère est expulsé vers les régions subtropicales, et ramené vers la basse atmosphère par la branche descendante de la cellule de Hadley. Le parcours est fermé par les alizés, qui transportent l’air des régions subtropicales vers l’équateur. Dans la branche ascendante de cette cellule, la décroissance de la température avec l’altitude est alors suffisante pour déclencher la convection*, qui nous offre le spectacle grandiose des cumulo-nimbus, tours blanches dont la hauteur peut dépasser 10 km (cf. II.15). Ces mécanismes Compartiment Océans Volumes 10 3 km3 m Temps de résidence 1 338 000 2624 Calottes 24 000 47 9700 ans Pergelisols 300 0,588 10000 ans Glaciers de montagne 124 0,243 1600 ans Profondes 19800 39 1400 ans Superficielles 3600 7 1400 ans Sols et zones humides 28 0,055 1 à 5 ans Lacs d’eau douce 91 0,178 17 ans Mers intérieures 85 0,167 Non estimé Atmosphère 13 0,025 8 jours Cours d’eau 2 0,004 16 jours Biosphère 1 0,002 quelques heures Cryosphère Eaux souterraines 2500 ans Fig. 2 – Volumes et temps de résidence* des principaux compartiments impliqués dans le cycle de l’eau. Les volumes s’entendent en eau liquide ; les valeurs en mètre sont obtenues en étalant le volume sur toute la planète. D'après Shiklomanov et Rodda, 2003. ■ engendrent les maxima de précipitations annuelles à l’échelle du globe. L’air descendant de la deuxième branche de la cellule de Hadley est très sec, ce qui explique l’existence de ceintures « désertiques » subtropicales, tant sur les continents que sur les océans. d’eau, lacs, et dans les roches aquifères*. Comme pour le pergélisol*, les volumes et la distribution des eaux souterraines sont mal connus, mais on estime que seules les plus superficielles (environ 3,6 millions de km3) circulent activement dans le cycle de l’eau, dont 10 % rejoindraient les océans sans transiter par les cours d’eau (cf. III.10). Branche continentale et ressources en eau Ces ressources en eau « utile » ont un volume faible, tout comme leur temps de résidence* (figure 2), ce qui traduit un renouvellement rapide, à même de soutenir des prélèvements plus importants sur le long terme que le volume moyen. In fine, elles sont perpétuellement renouvelées par distillation* de l’eau de mer lors des changements de phase du cycle de l’eau. Le reste des eaux souterraines et l’eau de la cryosphère offrent des volumes plus importants, mais mal connus, plus difficiles à exploiter (éloignement et conditions extrêmes) et peu renouvelables (temps de résidence très longs). L’eau douce « utile » pour les besoins des écosystèmes terrestres et des activités humaines a deux composantes majeures. La première est l’humidité des sols, souvent appelée « eau verte », car elle alimente la transpiration des plantes (cf. II.18), couplée par la photosynthèse à leur production de biomasse (cf. II.17). La seconde constitue les « eaux bleues », qui s’écoulent sous forme liquide dans les bassins versants, au sein des cours Références bibliographiques • K. LAVAL et G. LAVAL – Incertitudes sur le climat, Belin 2013. A. SHIKLOMANOV et J. C. RODDA – World Water Resources at the Beginning of the Twenty-First Century, Cambridge University Press, 2003. • K. TRENBERTH et al. – Estimates of the global water budget and its annual cycle using observations and models data, J. Hydrometeorology, 8, 758–769, 2007. • I. Le cycle de l’eau | 27 150917_Eau_VB_EP3.indd 27 16/10/15 12:27 Retrouvez tous les ouvrages de CNRS ÉDITIONS sur notre site www.cnrseditions.fr Promo_FinEauDecouvert.indd 2 17/11/15 11:26
