L'hydrosphère : Cycle de l'eau, Caractéristiques et Importance

L'hydrosphère

Il y a environ 4,6 milliards d'années, lors de la formation de la Terre, les températures élevées maintenaient l'eau sous forme de vapeur. Lorsque la Terre a commencé à refroidir en dessous du point d'ébullition de l'eau, des précipitations gigantesques ont rempli d'eau la partie inférieure de la surface, formant les océans. Ainsi, la plus grande proportion d'eau sur Terre se trouve dans les mers et les océans, tandis que la plus grande proportion d'eau douce se trouve sous forme de masses de glace et d'eaux souterraines. Le reste de l'eau se trouve sur les continents et dans l'atmosphère.

Cycle de l'eau

L'eau est en mouvement constant. La vapeur d'eau dans l'atmosphère se condense et retombe sur les continents et les océans sous forme de pluie ou de neige. L'eau qui tombe sur les continents s'écoule des montagnes dans les rivières ou s'infiltre dans le sol pour alimenter les eaux souterraines. Une grande partie des eaux intérieures rejoint l'océan, s'évapore ou est transpirée par les plantes dans l'atmosphère. L'eau des mers et des océans s'évapore continuellement. L'énergie solaire maintient ce cycle en fonctionnement continu.

Chaque année, 500 000 km³ d'eau s'évaporent, soit une moyenne de 980 mm. C'est comme si une couche d'eau de 980 mm recouvrait toute la Terre et s'évaporait en un an. Comme la quantité d'eau dans l'atmosphère reste constante à 12 000 km³, cela signifie que la même quantité de 500 000 km³ s'évapore et retombe sous forme de précipitations. Bien que la moyenne des précipitations soit de 980 mm, la distribution est irrégulière, en particulier sur les continents. Dans le désert, il pleut moins de 200 mm, et dans certaines zones montagneuses, il pleut 6 000 mm ou plus.

La durée de vie moyenne d'une molécule d'eau aux différents stades du cycle est de 9 à 10 jours dans l'atmosphère, de 12 à 20 jours dans les rivières, de 1 à 100 ans dans les lacs, de 300 ans dans les nappes phréatiques et de 3 000 ans dans les océans. Ces durées influencent la persistance de la pollution dans les écosystèmes aquatiques. Par exemple, si une rivière est polluée, elle peut se nettoyer en quelques jours ou semaines, mais si une nappe phréatique est contaminée, le problème peut persister pendant des décennies, voire des siècles.

Caractéristiques de l'eau

Les caractéristiques de l'eau en font un liquide idéal pour la vie. Sa forte polarité est d'un intérêt particulier car elle est à l'origine d'autres propriétés importantes.

a. Polarité

Les molécules d'eau sont polaires. Grâce à cette polarité, l'eau est un bon solvant pour les sels et autres substances polaires, mais un mauvais solvant pour les gaz non polaires et les substances comme les graisses et les huiles.

b. Chaleur spécifique de vaporisation et de fusion

La quantité de chaleur nécessaire pour vaporiser et faire fondre l'eau est élevée par rapport à d'autres substances de même taille. Cela est dû aux forces électriques qui maintiennent les molécules d'eau ensemble. L'eau est donc un bon tampon thermique et aide à réguler la température de la Terre et des organismes vivants.

c. Cohésion

La cohésion est une propriété de l'eau qui résulte de sa polarité. Les molécules d'eau, attirées les unes vers les autres, restent liées. La cohésion explique des phénomènes comme le mouvement de l'eau dans le sol.

d. Densité et stratification

La densité de l'eau est de 1 kg/l, mais elle varie légèrement avec la température et les substances dissoutes, ce qui a une importance écologique considérable. La densité augmente avec la diminution de la température jusqu'à 4 °C, où elle est maximale. En dessous de 4 °C, la densité diminue, et la glace flotte sur l'eau. Cela permet aux êtres vivants de survivre dans l'eau liquide sous la glace.

Les couches d'eau de densités différentes se superposent et fonctionnent comme des compartiments indépendants. L'absence d'échange entre ces couches peut entraîner l'épuisement de certains nutriments, comme l'oxygène ou les phosphates, dans certaines couches, alors qu'ils sont abondants dans d'autres.

e. Salinité

Les ions qui déterminent la salinité de l'eau ont deux origines : ceux apportés par l'eau des continents et ceux provenant des magmas qui émergent des dorsales médio-océaniques. Un litre d'eau de mer contient environ 35 g de sel, dont les deux tiers sont du chlorure de sodium. La salinité varie selon les endroits (élevée en Méditerranée, faible en mer Baltique), mais le rapport entre les ions reste similaire. Dans certains cas, la salinité peut devenir très élevée, comme dans la mer Morte (226 g de sel par litre).

L'eau douce contient beaucoup moins d'ions. Le principal composant est le bicarbonate de calcium (environ 0,1 g par litre), qui indique la dureté de l'eau.

f. Gaz dissous

L'oxygène dissous dans l'eau est essentiel pour les organismes aquatiques. Un litre d'air contient 209 ml d'oxygène, mais l'eau ne peut en dissoudre qu'une quantité 25 fois inférieure. La diffusion de l'oxygène dans l'eau est lente, mais la turbulence accélère le processus. La température influence la solubilité : l'eau froide dissout plus d'oxygène que l'eau chaude.

Eaux intérieures

Rivières

Les rivières naissent de sources, de la fonte des glaciers ou du ruissellement. Elles suivent la pente pour rejoindre la mer. Une rivière et ses affluents drainent une région appelée bassin versant. La pente d'une rivière diminue généralement de sa source à son estuaire.

Lacs

Les lacs se forment lorsque l'eau s'accumule dans une dépression. Dans certains cas, un fleuve traverse le lac, mais dans d'autres, l'eau s'évapore directement.

Eaux souterraines

Une partie de l'eau qui tombe sur le sol s'écoule dans les rivières et les lacs, mais une autre partie s'infiltre dans le sol. L'eau souterraine peut réapparaître à la surface par évaporation, par des sources ou en alimentant des rivières et des lacs. L'eau qui pénètre dans les pores d'une roche perméable s'accumule au-dessus d'une couche imperméable, formant la zone saturée. La zone supérieure, contenant encore de l'air, est la zone d'aération. La limite entre les deux est la nappe phréatique.

Les roches poreuses et perméables qui stockent et transmettent l'eau sont appelées aquifères. Les principaux types d'aquifères sont :

• Aquifères détritiques : Composés de roches brisées, comme du sable ou du gravier.
• Aquifères karstiques : Formés dans des roches dissoutes par l'eau, comme le calcaire.