Résumé : l’eau est une molécule omniprésente sur Terre et à l’intérieur de celle-ci. Grâce à la chaleur solaire absorbée par l’eau, celle-ci est vaporisée. La Terre fonctionne comme une machine à distiller de l’eau. Dans l’atmosphère, l’eau sera transportée vers le Nord : c’est donc un formidable vecteur de chaleur depuis l’équateur vers les pôles. Au-dessus des continents, l’eau va se condenser et retomber au sol participant à l’érosion des roches. L’eau est un solvant et beaucoup d’atomes sont solubles dans l’eau. L’eau transportera des éléments en solution ainsi que des particules solides jusqu’aux océans où ils s’y déposeront. Le cycle de l’eau permet aux êtres vivants d’être alimenter en eau douce et c’est un formidable climatiseur naturel.

 

 

 

Une molécule aux propriétés physico-chimiques exceptionnelles. (Lire le complément en fin de cours)

Sur Terre, un changement d’état est possible (il faut connaitre les termes permettant le passage d’un état à un autre)

 

 

 

 

 

Voici les températures de fusion, vaporisation, liquéfaction et solidification, mais dans la nature l’eau peut être vaporisée à température ambiante : c’est l’origine du gaz (de l’eau donc) au-dessus d’un plan d’eau.

 

 

 

 

 

 

A connaitre par cœur, ce sont des révisions.  

 

https://www.usgs.gov/special-topic/water-science-school/science/le-cycle-de-l-eau-water-cycle-french?qt-science_center_objects=0#qt-science_center_objects

 

 

http://www.cima.ualg.pt/piloto/UVED_Geochimie/UVED/site/html/3/2-5/2-5-4/2-5-4-4.html

 

 

 

 

 

Océan = 97% du volume de l’hydrosphère

Difficulté de chiffrer le volume exact des eaux terrestres

 

Réservoirs assez bien évalués :

- mers et océans
- eaux continentales (superficielles et souterraines (surface))

- atmosphère
- biosphère

 

Réservoirs difficiles à évaluer :

- eaux souterraines

 

Et encore plus difficile :

- croûte et manteaux terrestres

 

 

 

 

 

Océan : 1,35 milliards km³

 

Eaux continentales : 36 millions km3

ð Glaciers ≈ 27 millions km3

ð Nappes ≈ 8 millions km3

ð Eaux de surface ≈ 0,23 millions km3

 

 

Les eaux douces. (<3g/l) :

ð 3% des eaux totales

ð Une grande partie gelée aux pôles

 

 

 

 

Les eaux exploitables :

ð 9 millions de km³ environ à comparer aux 1,35 milliards km³ d’eaux océaniques soit 1% environ seulement de l’eau sur Terre est une eau douce exploitable.

 

 

 

 

 

Indice de dépendance :

ð Indicateur exprimant le pourcentage de ressources en eau renouvelables totales provenant d'autres pays. En théorie, cet indicateur peut varier de 0 à 100 pour cent.

ð Un pays doté d'un indice de dépendance égal à 0 pour cent ne reçoit pas du tout d'eau en provenance des pays voisins.

ð Un pays dont l'indice de dépendance est de 100 pour cent reçoit la totalité́ de ses ressources en eau renouvelables de pays situés en amont, sans aucune production sur son territoire.

 

 

 

 

 

• 71% de la surface

 

 

 

Profondeur moyenne des 3 bassins majeurs : 3.6-4 km

Profondeur moyenne de l’Arctique : 1.1 km

 

 

Les glaciers continentaux :

ð Antarctique : 14.10¹² m2 – 30.10¹⁵ m3

ð Groenland : 1,8. 10¹² m2 – 3.10¹⁵ m3

ð Glaciers de montagne : 0.5.10¹² m2 – 0,2.10¹⁵ m3

 

 

Glaces de mer :

ð Antarctique 4 à 20.10¹²m2 - 0.005-0.03. 10¹⁵ m3

ð Arctique 8 à 15. 10¹²m2 - 0.02 à 0,05.10¹⁵ m3

 

Impact du réchauffement actuel sur les glaciers :

ð Recul des glaciers de montagne

ð Réduction des banquises

ð Début de fonte des inlandsis (Un inlandsis est un glacier de très grande étendue se présentant sous la forme d'une nappe de glace recouvrant la terre ferme et qui peut atteindre plusieurs milliers de mètres d'épaisseur.)

 

 

https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/fonte-banquise-2005-10-06.xml

 

 

 

https://www.sciencesetavenir.fr/nature-environnement/un-iceberg-de-1-600-km-se-detache-en-antarctique- mais-c-est-normal_137785?

 

 

 

 

 

 

 

 

Perte de masse des glaciers au niveau mondial entre 1961 et 2016

© ESA, adapté de Zemp et al. (2019) Nature, données fournies par le World Glacier Monitoring Service

https://www.notre-planete.info/actualites/2637-fonte-glaciers-monde

 

 

 

LEGOS, (Dieng et al., 2017) https://reseauactionclimat.org/acceleration-elevation-niveau-mer-effondrement-de-lantarctique-pas-exclu/

 

 

 

Conséquence de la mise en glace / fonte sur les reliefs

 

Bouguer a observé une anomalie gravimétrique à l’aplomb des chaînes de montagnes

(Gravité mesurée<gravitécalculée)

 Excès de masse en surface compensée par un déficit de masse en profondeur

 Isostasie = compensation qui maintient en équilibre la lithosphère sur l’asthénosphère

(Cf. cours du 2^e semestre)

 

 

 

Notion de Terminale S.

 

 

 

 

 

 

 

Infiltration des eaux de pluie dans le sol

ð Stockées dans les nappes au sein de couches que l’on appelle aquifère ;

ð Âges très variables, temps de circulation pouvant être très long.

 

Les différents types de nappes :

ð Nappes libres : la nappe alluviale rhénane

ð Nappes captives : nappes profondes du bassin de Paris (nappes artésiennes..)

 

 

Les principales nappes d’eaux en France :

ð Puits artésiens : la surexploitation de la nappe de l’Albien

(I.e. Crétacé inferieur, entre -112 ± 1.0 et -99.6 ± 0.9 Ma)

 

https://www.ird.fr/la-mediatheque/fiches-d-actualite-scientifique/431-l-eau-sous-le-sahara-pas-si-fossile-que-ca

 

 

 

 

 

Les grandes nappes mondiales :

 

 

https://www.ird.fr/la-mediatheque/fiches-d-actualite-scientifique/431-l-eau-sous-le-sahara-pas-si-fossile-que-ca

 

 

 

 

 

ð Enveloppe gazeuse autour de la Terre d’environ 150 km

 

ð A l’altitude 0 :

Température moyenne : 15°C

Masse vol. de l’air 1.2 kg/m3 ≲0.001 fois la masse vol. de l’eau

Pression : 1013.25 hPa soit 1,013 bar

 

Tableau de la composition chimique d’un air sec

 

 

 

Il faut y ajouter 0.5% H2O

 

 

 

Note du prof de la prépa :

• L’eau a une chaleur spécifique particulièrement élevée :

L’eau absorbe de la chaleur lorsque les liaisons hydrogène se brisent, et en libère lorsqu’elles se forment. Ce phénomène maintient les températures relativement stables, dans des limites compatibles avec la vie. Le refroidissement par évaporation se fait grâce à la chaleur d’évaporation élevée de l’eau. La perte d’énergie liée à l’évaporation des molécules d’eau refroidit la surface où se déroule le phénomène. (Les hommes suent pour se refroidir, les chiens sortent la langue)

De ce fait, 1kg d’eau transporte autant d’énergie que 4kg d’air à la même température.

Mais en tenant compte de la densité, 1l d’eau transporte autant d’énergie que 3400L d’air à la même température.

 

 

 

 

 

 

 

Présence de rivières là où il y a des précipitations ; dans les déserts, il n’y a pas de rivières.

Les déserts sont des zones de haute pression chassant les nuages soit vers le Sud (=équateur) soit vers le Nord (zones tempérées, chez nous)

Amazonie

Les grands fleuves

L’Amazonie est le plus grand de tous mais il y a des fleuves partout là où il y a de l’eau et de la pente.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les rivières mondiales : un transfert de matières majeur à la surface du globe

Du fait de la gravité, les rivières transportent des matériaux soit solides soit liquides.

 

 

 

 

 

 

 

Mécanique

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chimique

 

 

 

 

 

 

Couplage chimique océan/atmosphère et cycle de l’eau
= Transfert d’eau entre océan et atmosphère par vaporisation/condensation

 

 

https://fr.vikidia.org/wiki/Cycle_de_l%27eau

 

 

 

 

 

 

 

Eaux de surface - atmosphère : évaporation, précipitation

 

Échanges entre réservoirs :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L’écoulement continental (rivières, nappes) n’est que la conséquence du déséquilibre hydrique océan - continents

 

 

 

 

 

 

Moteur = énergie solaire + gravité

Réservoirs en 1015 kg ; Flux en 1015 kg*an-1

 

Runoff à l’origine du transfert de matière du continent à l’océan

Le runoff correspond à l’écoulement spécifique d’un fleuve (débit/surface)

 

 

 

ð Transport de 22 GT/a d’ions en solution et de particules en suspension

 

Le temps de résidence :

Il correspond au rapport entre la taille du réservoir et le flux entrant ou sortant.

 

 

 

Exercice :

Calculer le temps de résidence de l’eau dans les 4 grands réservoirs

 

 

Réservoirs en 1015 kg ; Flux en 1015 kg*an-1   

 

L'advection est le transport de chaleur, de matière à la vitesse du milieu environnant

 

Réponses :

 

	Taille réservoir (*1015 kg)	Flux entrant (*1015 kg*an-1)	Flux sortant (*1015 kg*an-1)	t (an)	t (jours)
Atmosphère terrestre	4.5	36+71=107	107	0.042	15
Atmosphère marine	11	434	398+36=434	0.025	9
Continent	41330	107	71+36=107	386
Océan	1320000	398+36=434	434	3041

 

 

Réservoirs en 1015 kg ; Flux en 1015 kg*an-1

 

Proximité de l’océan et gradient de continentalité́

Il existe un gradient de sècheresse entre l’ouest et l‘est ; les nuages chargés en eau, se déchargent au fur et à mesure de leur trajet qui est par définition toujours d’Ouest en est pour l’Europe.

 

 

 

L’advection qui correspond au transport d’une quantité d’un élément donné par le mouvement du milieu environnant diminue quand on s’éloigne de l’océan

ð Aspect sec du climat continental typique de l’Alsace.

 

 

 

 

 

• 2/3 des continents dans l’hémisphère boréal, 1/3 dans l’hémisphère austral ;
• Évaporation en majorité sur les océans ;
   Par conséquent, il existe une advection inter-hémisphérique de l’hémisphère austral à l’hémisphère boréal

 

 

Fleche bleue = précipitation

Flèche rouge= évaporation

 

L’advection inter-hémisphérique est évaluée à 18*1015 kg*an-1

 

Rappel :

L'advection est le transport d'une quantité d'un élément donné (tel que la chaleur, l'énergie interne, un élément chimique, des charges électriques) par le mouvement (et donc la vitesse) du milieu environnant.

 

 

La répartition latitudinale des continents modifie l’advection inter-hémisphérique et le Runoff

 Modification des climats et des flux sédimentaires

 

 

 

Au Carbonifère (-359 à -299 Ma), les continents étaient positionnés comme ci-dessous :

 

 

 

On voit qu’il y avait plus de continents en position équatoriale : du coup le cycle de l’eau était plus davantage stimulé.

 

 

 

Forte advection et Runoff : les forêts tropicales du Carbonifère étaient luxuriantes, ce sont elles qui ont données une majorité des ressources hydrocarbonées de la planète. Le flux détritique était par conséquent très fort, ce qui a pu permettre l’enfouissement rapide de forêts entières qui ont alors échappées à la destruction de la matière organique de la forêt par le dioxygène.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Au Jurassique (-201 à -145 Ma) :

Il a plus de continents en position tropicale, le cycle de l’eau ralenti.

 

 

 

 

Les climats sont alors plutôt arides, sauf à proximité́ immédiate de l’océan et le flux détritique est réduit.

 

 

 

De la géosphère aux enveloppes fluides

90% des gaz émis par les volcans sont de l’eau ; historiquement, depuis la formation de la planète, l’eau des océans est une eau d’origine volcanique : la Terre se forme par agglomération de la poussière d’étoile formant une sphère chaude ; puis les volcans éjectent des gaz dans l’atmosphère dont l’eau, qui après refroidissement de la planète, a formé les océans.

 

 

 

Aujourd’hui, il existe encore un flux sortant de la géosphère par le volcanisme de dorsale et le volcanisme de subduction.  

 

 

 

 

Il existe également un flux entrant dans la géosphère par l’intermédiaire hydrothermalisme représenté par les fumeurs noirs présents au niveau des dorsales et par le phénomène de subduction qui envoie de l’eau dans le manteau lors de la déshydratation de la plaque plongeante.

 

 

 

 

Rappel : ressources disponibles : environ 1%.

Prélèvements annuels globaux actuels : 3800 Gm³, soit environ 25% des ressources utilisables.

 

Disparités distribution géographique de la ressource :

• On parle de stress hydrique quand la ressource disponible est <500 m³/an/habitant et on voit sur les cartes ci-dessous que ce stress va augmenter, c’est la question de l’or bleu.
• Surabondance chronique des précipitations causant des inondations.

 

 

 

 

Sur le plan démographique, la croissance de la population mondiale augmente les besoins en eau de 64 Gm³/an : agriculture, développement économique, production d’énergie.

 

Changement climatique - conséquence sur le cycle de l’eau : les prévisions du Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) s’accordent sur des sècheresses plus longues et/ou des inondations plus fréquentes d’où une augmentation de la dégradation des écosystèmes surexploités – augmentation pression anthropique

 

Plan sanitaire : 80% des maladies liées à l’eau dans les pays en développement (eau potable trop rare, manque d’infrastructures)

 

« L’or bleu » s’impose comme un des enjeux les plus importants du XXI^e siècle, menace des « guerres de l’eau »

Enjeu central du XXIe siècle.

 

https://www.planetoscope.com/consommation-eau/239-consommation-d-eau-dans-le-monde.html

 

Prélèvements en eau par région et par secteur :

Pas les mêmes utilisations en fonction des régions, industrie versus agriculture.

 

 

http://www.fao.org/3/Y3918F/y3918f03.htm

 

 

ð Rapport en litre pour 1 kg de nourriture produite : les variations sont énormes.

 

 

 

 

Premiers conflits, en rouge, liés à l’eau ayant déjà éclaté.

 

 

 

La protection de la ressource en eau est un enjeu de la protection de l’environnement partagé par tous.

Les économies d’eau, la réduction de rejets de déchets, la lutte contre les pollutions sont autant de moyens de diminuer l’impact sur la ressource en eau.

 

 

https://www.safewater.org/french-fact-sheets/2017/2/11/protection-eau-source

 

 

 

Compléments

• Quels phénomènes sont responsables de la hausse du niveau des mers ?

Évaluer la hausse du niveau moyen des mers que provoquerait la fonte de 1% des inlandsis

 

Données :

Surface totale de la Terre : 5.1.10⁸ km²

Volume total des inlandsis : 38.10⁶ km³

Densité de la glace : 0.9

• La diminution de 1% des inlandsis représente un volume de glace de 0.01x38.10⁶ km³ = 3.8.10⁵km³
• Le volume d’eau correspondant est de 0,9x3.8.10⁵=3,41.10⁵km³
• La surface totale des océans représente 70% de la surface terrestre, soit 3,57.10⁸ km²
• L’élévation du niveau marin est le volume d’eau divisé par la surface des océans, soit (0,341.10⁶) / (357.10⁶) =0.000955km~ 1m

 

Évaluer la hausse du niveau moyen des mers que provoquerait la dilatation thermique des océans en supposant que l’eau se réchauffe de 0.8°C pour les 500 premiers mètres de l’océan

• H = 500 x (1 + 2.6.10⁴ x 0.8) = 500.104 m
• L’élévation du niveau des océans est donc de 10.4 cm

 

 

https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/montee-mer.xml

 

 

 

 

 

Complément du prof de la prépa à propos de la molécule d’eau :

Les êtres vivants sont formés à 80% d’eau en moyenne : cette omniprésence de la molécule d’eau chez les vivants doit bien être liée à des propriétés singulières. 

Les liaisons covalentes polaires dans les molécules d’eau entrainent des liaisons hydrogène.

• L’eau est une molécule polaire : l’atome d’oxygène est de charge partielle négative et les atomes d’hydrogène sont de charges partielles positives.
• Il se forme une liaison hydrogène entre molécules d’eau voisines quand l’atome d’oxygène, de charge partielle négative, subit l’attraction d’un des atomes d’hydrogène, de charge partielle positive, d’une molécule voisine.
• L’eau tient ses propriétés des liaisons hydrogène qui s’établissent entre ses molécules.

Quatre propriétés émergentes de l’eau contribuent à maintenir l’environnement terrestre propice à la vie.

• Une cohésion exceptionnelle des molécules d’eau liquide :

Les molécules d’eau sont maintenues ensemble grâce à des liaisons hydrogène. Cette cohésion permet à l’eau de monter dans les cellules conductrices des plantes. Les liaisons hydrogène expliquent également le fait que l’eau ait une tension superficielle élevée : l’araignée d’eau peut marcher sur l’eau.

• L’eau a une chaleur spécifique particulièrement élevée :

Elle absorbe de la chaleur lorsque les liaisons hydrogène se brisent, et en libère lorsqu’elles se forment. Ce phénomène maintient les températures relativement stables, dans des limites compatibles avec la vie. Le refroidissement par évaporation se fait grâce à la chaleur d’évaporation élevée de l’eau. La perte d’énergie liée à l’évaporation des molécules d’eau refroidit la surface où se déroule le phénomène. (Les hommes suent pour se refroidir, les chiens sortent la langue)

• La flottabilité de la glace :

La glace flotte parce que sa masse volumique est inférieure à celle de l’eau liquide, ce qui n’est pas commun (le beurre solide possède une masse volumique plus élevée que le beurre liquide). La flottabilité de la glace permet à la vie d’exister sous les surfaces gelées des lacs et des eaux polaires.

• L’eau est un solvant polyvalent :

Les molécules polaires subissent l’attraction des substances chargées ou polaires, capables de former des liaisons hydrogène. Les substances hydrophiles attirent l’eau, alors que les substances hydrophobes la repoussent. On utilise habituellement la concentration molaire volumique, soit le nombre de moles de soluté par litre de solution, comme mesure de concentration. Une mole correspond à un nombre constant de molécules, quelle que soit la nature de la molécule. La masse d’une mole d’une substance en grammes est la même que sa masse moléculaire en unités de masse atomique (daltons).

Les propriétés émergentes de l’eau permettent la vie sur la Terre et pourraient rendre possibles d’éventuelles formes de vie sur d’autres planètes.

Les conditions acides ou basiques influent sur les organismes vivants.

Une molécule d’eau peut transférer un hydrogène, H⁺ à une autre molécule d’eau pour former l’ion hydronium, H₃O⁺ (symbolisé simplement par H⁺ même si cette entité n’existe pas réellement) et l’ion hydroxyde, OH^-.

Le pH exprime la concentration en H⁺ : pH= -log [H⁺].

Les solutions tampons permettent aux liquides biologiques de résister aux variations de pH. Une solution tampon est constituée d’une paire acide-base qui se combine de façon réversible avec les protons H⁺. L’acide carbonique qui se forme par liaison de CO2 et d’H2O donnant H2CO3 est en équilibre avec un ion hydrogénocarbonate, HCO3^- et H⁺. Dans le sang, ce tampon est très efficace, le pH du sang variant très peu autour de la valeur de 7,4.

L’utilisation des combustibles fossiles augmente la quantité de CO2 dans l’atmosphère.

Une partie du CO2 se dissout dans les océans, ce qui provoque l’acidification des océans, laquelle risque d’endommager gravement les récifs coralliens. La combustion du pétrole et de ses dérivés libère également des oxydes de soufre et des oxydes d’azote, causant les précipitations acides.

 Bilan :

L’eau est une molécule aux propriétés extraordinaires qu’elle doit à sa polarité. Ces propriétés ont été favorables au développement de la vie sur Terre, raison pour laquelle les êtres vivants sont constitués en majorité d’eau. L’eau produite par dégazage lors de la formation de la Terre a pu rester sur Terre grâce à une force de pesanteur suffisamment pour éviter que les molécules ne s’échappent dans l’Univers : un sacré coup de chance pour le développement de la vie Terre