l'eau


retour accueil, défisciences 2000-2001: "dans l'air du temps", hydrogéologie, lumière
Un incontournable pour les esprits curieux: L'eau dans la cellule, une interface hétérogène et dynamique des macromolécules, Pascale Mentré, Masson, 1995
Un dossier spécial récent sur l'eau assez peu riche : L'or bleu, Pour la Science, 282, avril 2001, p 27-50
Un n° spécial plus ancien mais tellement plus riche: L'eau, La Recherche, 221, mai 1990
Physiologie animale; adaptation et milieux de vie, Knut SCHMIDT-NIELSEN, Dunod, 1998
Encyclopedia Universalis

Ce thème était celui du défisciences 1999-2000. Voici quelques données scientifiques éparses qui seront complétées au cours de cette année 2001.

Qu'est-ce que l'eau ?

Une substance, un liquide, un gaz, un solide, une molécule, un corps pur.... c'est tout cela à la fois mais pas forcément en même temps pour le même observateur. Le premier point de vue sera donc celui du physicien: on étudie l'eau comme corps pur, c'est l'eau idéale, l'eau concept.

L'eau est aussi un élément naturel qui, à l'état liquide et solide recouvre plus des 2/3 de la surface de la terre et est contenue dans l'atmosphère (pour une très faible part en masse: 0,03%). C'est un élément qui est spécifique à la terre, non pas parceque l'on n'en trouve que sur terre mais parceque c'est bien elle qui, pour ce que l'on sait jusqu'à maintenant, en possède le plus et à l'état liquide. Ce deuxième point de vue est celui du "bio-géologue environnemental" ou encore"bio-géo-écologue", une spécialité qui n'existe pas vraiment et dont l'objet est l'ensemble des eaux naturelles, qui feront l'objet du deuxième chapitre.

C'est encore un élément nécessaire à la vie que l'on retrouve à 70-80% dans le corps humain et dans tous les êtres vivants. Ces eaux biologiques feront l'objet de la troisième partie.

Du fait de son caractère nécessaire à la vie, l'eau est toujours été pour l'homme un symbole (eau germinale et fécondante, eau médicale, eau baptismale ou lustrale ou encore eau diluviale selon les catégories proposées par Gilbert Durand, in E.U. article "symbolisme des eaux"). Ce point de vue, pourtant tout aussi essentiel que le point de vue scientifique expérimental, ne sera pas traité ici.

Sommaire de cette page:

1. l'eau pure

1.1 l'eau est une molécule


Figures d'après l'E.U.
La molécule d'eau est un dipôle, les deux extrêmités correspondant aux atomes d'hydrogène étant chargées positivement et le côté correspondant à l'atome d'oxygène étant chargé négativement. Le moment dipôlaire élevé (1,85 debye) est expliqué par l'existence de deux paires d'électrons libres. Les molécules d'eau sont associées entre elles aussi bien en phase liquide (la structure précise de l'eau liquide n'est pas élucidée mais on pense qu'il existe des lacunes dans lesquelles les ions sont piégés: on peut parler de la structure cristalline de l'eau) qu'en phase solide (la glace dont le cristal est représenté sur la figure de droite mais il en existe au moins dix formes cristallines). La polarité de la molécule d'eau est aussi responsable de la polarité de l'eau comme solvant.

Il existe plusieurs variétés isotopiques d'eau moléculaire qui sont des compositions faites avec l'un ou l'autres des trois isotopes des deux composants de la molécule:

isotopes de l'hydrogène
(% dans l'eau de mer actuelle)

1H protium
(99,984%)
2H deuterium
(0,016%)
3H tritium
(traces%)

isotopes de l'oxygène
(% dans l'eau de mer actuelle)

16O
(99,76%)
17O
(0,04%)
18O
(0,20%)

La composition isotopique de l'eau de certains réservoirs comme les eaux météoriques est différente de celle d'autres réservoirs comme les glaces polaires ou l'eau de mer, ce qui fait que l'on peut, grâce à cette signature isotopique, suivre parfois leur cheminement à la surface du globe. On peut même parfois reconstituer l'histoire de certaines eaux souterraines. L'utilisation des isotopes de l'oxygène pour l'étude des paléoclimats a été abordée en terminale S, spécialité: le quaternaire.

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1.2 l'eau dans tous ses états

La terre est la seule planète du système solaire à posséder une température et une pression de surface permettant à l'eau de se présenter sous trois états: solide (glace ou neige mais aussi les hydrates), liquide et gazeux (vapeur d'eau).

Dans le tableau de Mendeleiv (classification périodique des éléments la plus courante) l'oxygène devrait être à la pression atmosphérique et à la température ordinaire (25°C) un gaz (il suffit de voir sa position entre l'azote et le fluor). Or c'est un liquide. De plus ce liquide se vaporise à des températures très élevées (100°C pour un composé aussi léger c'est beaucoup; à comparer avec la température d'ébullition de l'azote: -195,7 °C) ). De même il se solidifie à haute température (0°C à comparer avec les températures de fusion de l'azote: -210 °C). Ces valeurs sont sans conteste dues aux liaisons hydrogène qui s'établissent entre molécules d'eau à l'état liquide et lui confèrent ainsi une structure des plus originales.

Le premier graphe incontourable est donc le diagramme de phases de l'eau qui est a lui seul très original:


Le diagramme de phase de l'eau (assez peu précis). On notera principalement la pente négative de la courbe de transition de phase solide-liquide (voir plus bas : c'est la raison pour laquelle une même masse de glace occupe plus de volume que de l'eau liquide à même pression) et la position du point triple de la glace ordinaire de type Ih (0,01°C et 610 Pa) qui est un point fixe de l'échelle internationale des températures. A la pression atmosphérique (101.325 Pa) l'eau liquide bout (1ère bulle de gaz produite) à 100°C. Ce sont d'ailleurs les températures de la glace fondante et de la vapeur condensante (sous la pression atmosphérique normale de 101.325 Pa) qui définissent le 0 et le 100 de l'échelle Celsius.

Le minéral glace  peut prendre dix formes cristallines, dont une seule, la glace Ih, se forme naturellement sur la Terre. La symétrie hexagonale du réseau cristallin de cette variété est évidente lorsqu'on examine un cristal de neige, formé dans l'atmosphère à partir de la vapeur d'eau. La propriété la plus remarquable de la glace Ih, et la plus importante du point de vue écologique, est d'être moins dense que le liquide correspondant (l'eau), à la différence des autres corps. Sous des pressions supérieures à 200 mégapascals se forment des glaces «normales», c'est-à-dire plus denses que l'eau sous la même pression, baptisées glace II à glace IX. Sous de faibles pressions, mais à la température de l'hydrogène liquide, on peut obtenir une glace Ic, cubique, et aussi, par trempe de gouttelettes microscopiques d'eau, de la glace amorphe, non cristallisée.

A l'école primaire il est ce me semble préférable de remplacer le diagramme ci-dessus par un petit organigramme présentant les relations entre les 3 phases de l'eau.


Les 3 phases de l'eau et les noms des changements de phase

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1.3 Propriétés physiques

L'eau présente certaines anomalies par rapport à d'autres corps purs:
* elle se contracte à la fusion (pente négative de la courbe de fusion); et donc elle augmente de volume à la solidification (la bouteille d'eau au congélateur éclate). Si on augmente la pression exercée sur de la glace, elle fond, ce qui est une propriété vraiment originale.
* elle a une densité maximale à 3,98 °C. Au-delà, son coefficient de dilatation est important.
Ce qui fait qu'à 0°C la glace solide flotte sur l'eau liquide, pour la plus grande joie des patineurs.
* sa compressibilité est faible.
* son enthalpie de vaporisation donne une constante de Trouton anormale, voisine de 26. (Cette constante, quotient de la chaleur molaire de vaporisation par la température absolue d'ébullition, est l'entropie molaire de vaporisation. Elle est de 21 pour la plupart des substances.)
* sa chaleur spécifique entre 14,5 et 15,5 °C a servi à définir la calorie, qui est la quantité de chaleur nécessaire pour faire parcourir un tel échauffement à un gramme d'eau. Elle décroît au-delà et passe par un minimum au voisinage de 35 °C.

La viscosité de l'eau est relativement faible (sa fluidité est forte) et si on la comprime sa viscosité diminue (la fluidité augmente, ce qui est contraire aux principes habituels). Sa conductibilité thermique est quinze fois plus petite que celle du mercure. C'est un liquide très mouillant (tension superficielle ) vis-à-vis du verre, qu'il recouvre parfaitement d'une mince pellicule avec un angle de raccordement pratiquement nul (voir bulles). Ce sont les forces intermoléculaires (dues essentiellement aux liaisons hydrogène) qui expliquent la tension superficielle et la viscosité de l'eau anormalement élevées pour une molécule de petite taille.

L'eau liquide est transparente sous faible épaisseur, bleue sous grande épaisseur. Opaque dans l'infrarouge, c'est un filtre calorifique. Sous 1 centimètre, elle absorbe toutes les longueurs d'onde supérieures à 1,4 mm. Son absorption dans l'ultraviolet est importante vers 186 nanomètres.

Sa constante diélectrique est l'une des plus élevées. La conductivité électrique de l'eau ultra-purifiée est très faible : l'eau conduit mal les électrons alors qu'elle conduit très bien les protons, ce qui est pour le moins étonnant vu la masse respective de ces éléments (la masse de l'électron est près de 2000 fois plus petite que celle de l'atome d'hydrogène qui est le plus petit des atomes). Mais il est vrai qu'il ne faut pas oublier que ces conductions se font ... sans déplacement de matière.

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1.4 Propriétés chimiques

A l'état gazeux, l'eau est très stable : la vapeur d'eau est très peu dissociée, même à température élevée (2% à 2 000 °C, 60 % à 3 000 °C).

A l'état liquide, l'eau est ionisée (se dissocie en ions). Dans une eau pure la concentration en ions H+(H3O+) est égale à celle des ions OH- est a pour valeur 10-7 ion-g/L.

Les propriétés oxydo-réductrices de l'eau peuvent être déduites de deux réactions:

2H2O + 2e- ----> H2 + 2OH- (E°=-0,83V)
2H2O ----> O2 + 4H+ + 4e- (E°=+1,23V)

Le diagramme potentiel d'oxydo-réduction-pH (voir plus bas dans cette page) rend compte des conditions nécessaires pour électrolyser l'eau (ddp minimale de 1,23V) et des zones où agissent les oxydants de l'eau (comme le fluor F2 -> F2O + F-: E°F-/F=+1,9V) ou ses réducteurs (comme le sodium: Na -> Na OH: E°Na/Na+ = -2,71V).

L'eau, polaire et de grande constante diélectrique, mauvais solvant des composés non polaires (hydrocarbures), est un bon solvant des composés à liaisons H et des électrolytes. Les sels, solutés ioniques, ont des solubilités très variées: 360 grammes par kilogramme d'eau pour le chlorure de sodium, 110 grammes pour le sulfate de potassium et seulement 0,7.10-3 g pour le sulfure de zinc. Les ions tels que La3+, Mg2+, H+, OH- et F- («formateurs de structures», analogie avec la formation d'«icebergs») servent de noyaux pour la formation d'essaims; il y a accroissement de l'ordre dans l'eau. Les ions comme K+, Na+, ClO4-, I-, NO3-, qui sont hydratés par une seule couche de molécules d'eau, inhibent la formation d'essaims: ce sont des «briseurs de structures» (Franck). La mesure de l'hydratation des ions montre que les premiers sont fortement hydratés. En solution diluée, H+ est tétrahydraté (ion H9O4+ de Eigen). Les solutions concentrées en acide contiennent l'ion H3O+; l'ion H+ libre n'existe pas.

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1.5 Hydrates: des minéraux contenant de l'eau... solide

L'eau solide est également présente dans d'innombrables minéraux, les hydrates naturels.
Par exemple dans CuCl2, 4 H2O le cation (Cu+) est entouré partiellement d'anions (Cl-) et partiellement de molécules d'eau. Dans d'autres hydrates comme NiSO4, 7 H2O le cation est entièrement entouré d'eau et des molécules d'eau supplémentaires raccordent par liaisons H le cation hydraté aux anions.

L'eau donne des hydrates de gaz avec l'argon, le méthane, l'hémioxyde d'azote, le dioxyde de carbone, etc. L'hydrate de chlore dit à 6 molécules d'eau qui en est le prototype est en réalité à 5,75 H2O. L'eau y prend une configuration spéciale et forme des cages qui piègent les petites molécules: 46 H2O groupées piègent 8 Cl2 ou 8 Ar, etc., 136 H2O groupées autrement piègent 16 molécules de chloroforme (hydrates à 17 H2O, ). Linus Pauling a expliqué l'action anesthésique de composés tels que l'oxyde nitreux, le dioxyde de carbone et le chloroforme ainsi que des gaz rares (agents non formateurs de liaisons H) par la cristallisation de leurs hydrates. Les microcristaux formés abaissent la conductivité électrique du réseau nerveux. Il y a diminution concomitante de l'énergie des oscillations électriques qui caractérisent l'état conscient et, de ce fait, perte de connaissance. C'est aussi de cette façon que l'on pourrait expliquer l'hibernation (formation de cristaux d'hydrates de gaz par diminution de la température).

Les zéolites naturels ou artificiels sont des alumino-silicates formant des cages dans lesquelles l'eau est piégée. Par exemple le zéolite Na12[(AlO2)12(SiO2)12] peut capter 27 H2O qu'il perd progressivement quand la température augmente.

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2. les eaux naturelles : l'eau pure n'existe pas

2.1 des eaux naturelles

Les eaux naturelles sont des mélanges, l'oxyde d'hydrogène étant souillé par des impuretés minérales (notamment bien sûr les gaz dissous comme le dioxygène et le dioxydede carbone) ou organiques.
Le deuxième diagramme, non moins incontournable que le diagramme de phases de l'eau, mais moins connu et plus difficile d'accès est celui des potentiels rédox et de pH.

 
Diagramme des potentiel rédox (Eh) et de pH de l'eau (d'après Comprendre et enseigner la planète terre, Ophrys, 1989, p 152).
Eh est une mesure de la concentration des électrons en solution (en Volts). le pH est une mesure de la concentration en protons (ion hydrogène ou H+ ou plutôt H3O+) en solution (en unités pH). Les domaines des différentes eaux sont donc caractérisés par des potentiels rédox-différents et un pH différent ce qui explique la solubilité des autres ions dans ces eaux et donc leur comportement dans l'altération ou la précipitation de tel ou tel sel.
Dans les domaines instables de l'eau, les éléments chimiques oxydent ou réduisent l'eau.

La qualité d'une eau est caractérisée par sa dureté rapportée à la teneur en carbonate de calcium. Actuellement on dispose souvent d'une analyse minérale complète des eaux de consommation courante.

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2.2 les précipitations: bruine, pluies, neige, glace, grésil, grêle, givre

Les précipitations sont généralement issues des nuages et des brouillards, eux-mêmes constitués de microgouttelettes d'eau ou de glace dont les dimensions s'échelonnent de quelques micromètres à 20 ou 30 micromètres au maximum (pour une densité de plusieurs dizaines à quelques centaines par centimètre cube), selon la nature et l'âge du nuage. Les gouttelettes des nuages et brouillards tombent si lentement par gravité que ce mouvement descendant est négligeable par rapport aux mouvements des masses d'air saturé auxquelles elles appartiennent du moins tant qu'elles se trouvent en équilibre de tension de vapeur avec le milieu ambiant.
Mais lorsque la taille atteinte par les gouttelettes est de l'ordre de 50 micromètres, la précipitation devient perceptible et prend le nom de bruine si elle est à l'état liquide. Ce n'est qu'au-delà de ce seuil d'environ 50 micromètres que les précipitations se font sous forme de pluie, avec un spectre de dimensions allant de quelques dixièmes de millimètre à un maximum de 4 ou 5 mm pour certaines pluies d'orage ou d'averse.
Lorsque la température de l'air est inférieure à 0°C, les précipitations se présentent initialement sous forme de microcristaux, puis de flocons de neige, ou de neige roulée, quelquefois sous l'aspect de sphérules de grésil (d'un diamètre de l'ordre du millimètre), et enfin, mais rarement, sous forme de grêle. Le poids et les dimensions du grêlon sont extrêmement variables: inférieurs au gramme pour les plus modestes, les poids atteignent parfois quelques centaines de grammes dans des conditions exceptionnelles.
Enfin, le sol et la végétation peuvent recevoir un poids important d'eau transformée en glace dans des situations à givrage sévère. Il ne s'agit pas là de précipitations au sens formel du mot; il y a seulement augmentation du volume de gouttelettes de glace déjà présentes par condensation de vapeur d'eau venant de l'atmosphère.

* Par passer de l'état dynamique "d'eau en suspension dans une masse d'air" à une "précipitation", la condensation simple est insuffisante - tout comme le recours aux collisions entre gouttes qui semblent être plutôt élastiques- à rendre compte d'accroissements de 10 à 100 du diamètre des gouttelettes soit de 1000 à 1.000.000 de leur masse. Le premier mécanisme invoqué le fut par Tor Bergeron en 1936 : pour des nuages froids (en-dessous de l'isotherme 0°C), les noyaux de condensation proposés seraient des cristaux de glace qui grandiraient brusquement par apport d'eau (sous forme vapeur) depuis des gouttelettes en surfusion voisines; une fois leur chute initiée ils captureraient d'autres microgouttelettes qui se solidifieraient à leur contact. Si en cours de chute la goutte de glace traverse l'isotherme 0°C elle fond et se transforme en goutte de pluie. Pour les nuages chauds, Henri Dessens, en 1947, a proposé un mécanisme similaire à partir de très gros noyaux de condensation, formés de chlorure de sodium, et pouvant atteindre des dimensions de l'ordre du micromètre. Ces particules salines, provenant de la dessiccation des microgouttelettes d'embruns arrachés à la mer, se rencontrent effectivement dans les masses d'air maritime, même à grande distance des côtes au-dessus des continents. Sur ces noyaux hygroscopiques géants, la condensation dans une première phase amènera la déliquescence, puis la dissolution de la particule de sel. Tant que la dilution ne sera pas trop forte la goutte d'eau salée augmentera de taille par transfert de vapeur d'eau et condensation. Si le point de déséquilibre est atteint (quelques dizaines de micromètres) la chute commence et la goutte d'eau salée peut capturer d'autres gouttes et croître au fur et à mesure de sa chute. Enfin, Irving Langmuir proposa une théorie des processus de capture en chaîne lorsque, dans un nuage, s'amorce une hétérogénéité dans une population de microgouttelettes. En calculant le coefficient de captation sur la trajectoire d'une gouttelette de vitesse de chute notable dans une atmosphère nuageuse, il démontra que les captures par impactions (conséquences d'un impact non élastique) successives pouvaient devenir rapidement significatives et amener la formation de grosses gouttes de pluie.
Certaines précipitations peuvent s'évaporer à nouveau avant d'atteindre le sol, surtout lorsque la base du nuage est à une altitude élevée. Ce phénomène est relativement courant à certaines saisons, et ces précipitations prennent alors le nom de virgae .
* La grêle est un phénomène mal connu et très combattu dans toutes les régions du monde en raison de ses effets dévastateurs sur les récoltes. De plus, la grêle est un phénomène capricieux : présente chaque année ou presque dans certaines régions, elle est rarissime ailleurs. Des grêlons ou amas de grêlons dépassant le kilogramme ont parfois été signalés. Les mécanismes thermodynamiques de formation de la grêle commencent à être suffisamment connus; en revanche, le ou les schémas de la structure du cumulo-nimbus susceptible de donner naissance à de la grêle sont encore assez hypothétiques. Dans un nuage type cumulo-nimbus à grand développement vertical, il existe des cellules où de véritables cheminées de plusieurs centaines de mètres de diamètre amènent en altitude l'air humide et chaud provenant des basses couches, et cela avec des vitesses pouvant atteindre et dépasser 30 m/s. Dans ces régions du nuage, la turbulence, les noyaux hygroscopiques et le mécanisme de Langmuir se relaient et s'unissent pour aboutir à la formation de la pluie. Mais, compte tenu des vitesses d'ascendance, toute l'eau liquide condensée en gouttelettes, puis rassemblée en gouttes de pluie, continue son ascension relative, car les plus grandes vitesses de chute pour les très grosses gouttes ne dépassent jamais 9 m/s. On doit donc observer une véritable accumulation d'eau en altitude.
Effectivement, les radars indiquent toujours des échos très intenses, «suspendus» en altitude dans les nuages à grêle. Au fur et à mesure que cette accumulation d'éléments précipitants atteint des températures suffisamment négatives, la glaciation apparaît. Dans une première phase, la goutte de pluie se congèle en altitude et présente vraisemblablement l'aspect d'un grain de grésil. Le mécanisme de Bergeron et les captures mécaniques interviennent ensuite pour édifier couche par couche autour du germe initial les structures du grêlon. Cette croissance peut être relativement rapide: l'impact des éléments de nuage et de pluie par le grêlon au cours de sa chute se traduit par un coefficient de captation élevé compte tenu des vitesses relatives de ces éléments, mais l'eau en surfusion ainsi captée ne s'intègre pas obligatoirement au grêlon dans sa totalité, car la chaleur latente de solidification ramène le bilan thermique à des valeurs voisines de 0 °C; l'excès d'eau non congelée s'échappe alors dans le sillage du grêlon sous forme de gouttelettes.
Comme les vitesses verticales d'ascendance sont élevées, les grêlons resteront en altitude jusqu'à ce que leur vitesse de chute propre devienne supérieure à celle de l'air dans les cheminées d'ascendance où ils se sont formés. C'est alors que la chute de grêle commence à se produire effectivement, et l'arrivée au sol se fera avec des vitesses d'impact considérables, fonctions du poids et du facteur de forme du grêlon, élément déterminant le coefficient de traînée.
Ce schéma simplifié ne permet pas d'expliquer pourquoi la grêle n'est pas un phénomène beaucoup plus fréquent; des accumulations d'eau en altitude sont souvent clairement détectables au radar sans que pour cela des chutes de grêle soient observées. Il semble qu'une faible concentration en noyaux glaçogènes naturels efficaces soit une des conditions de la formation de la grêle et qu'un certain schéma dans la répartition des courants ascendants doive être en même temps réalisé.
La première de ces hypothèses a bien entendu incité tous ceux qui essaient de lutter contre la grêle à agir le plus simplement du monde en introduisant des noyaux glaçogènes artificiels au sein ou à la base du nuage.

* Pluies sans nuage, rosée et givrage
Le serein , qui ne saurait être mieux défini que par l'expression «pluie sans nuages», est un phénomène également assez rare se présentant surtout l'été ou dans les régions tropicales en air maritime. Si l'on admet que le spectre des noyaux de condensation présente parfois une répartition anormalement élevée de noyaux hygroscopiques géants par rapport à une population de noyaux moins efficaces, on peut comprendre que seuls les premiers commenceront à utiliser la phase vapeur disponible et que, dans ces conditions, tant que la concurrence des autres noyaux n'est pas intervenue, seuls les «noyaux géants» prélèveront l'eau disponible dans l'atmosphère. La croissance peut ainsi être très rapide, et des gouttes assez larges mais peu nombreuses parviennent au sol sans qu'il y ait de nuages visibles, sinon parfois de place en place. En altitude, dans les régions équatoriales, ce phénomène se trahit par la formation d'un arc-en-ciel  dans un ciel pratiquement sans nuage, mais sans que les précipitations puissent en général atteindre le sol.
Enfin, les apports d'eau atmosphérique au sol peuvent provenir de phénomènes très superficiels comme la rosée , qui n'est pas une précipitation (voir ci-dessous), ou le givrage , en montagne ou dans les mers polaires, qui correspond bien en revanche à un apport d'eau par un nuage, en partie dû à des phénomènes de transfert par l'intermédiaire de la phase vapeur et en partie par captures directes des éléments en surfusion des nuages ou brouillards, ce qui est par définition un type particulier de précipitation.
* Pour mesurer le volume et la densité des précipitations sur une surface donnée, on utilise classiquement des pluviomètres, récipients calibrés avec une ouverture franche de diamètre standard, à une hauteur sandard et éloigné de tout relief, bâtiment ou végétation perturbateurs. Mais on utilise aussi les radars, très efficaces pour déterminer le type de précipitation, les masses d'eau cachées dans des nuages (notamment les nuages à grêle)...
*On ne sait pas faire tomber l'eau d'un nuage si les gouttelettes n'en ont pas la matûrité. On ensemence ainsi des nuages avec des noyaux de condensation (il semblerait que l'on puisse ainsi atteindre des améliorations de l'ordre de 10% du volume de précipitation en comparaant des zones ensemencées et non ensemmencées d'un même nuage). La lutte contre la grêle reste très aléatoire même si le principe reste le même : apporter des noyaux glaçogènes complémentaires.
Il faut bien noter qu'un nuage, une fois formé, ne demeure pas un système statique mais évolue sans cesse. En particulier, lorsque des conditions naturelles suffisantes sont réalisées pour que les précipitations puissent prendre naissance, la pluie ne «vide» pas le nuage de son contenu en eau condensée disponible. Seul un faible pourcentage, 10% parfois, de cette eau condensée atteindra le sol. En revanche, la continuité de la pluie est due aux mécanismes naturels d'entretien du nuage lui-même. Pour chaque type de nuage, une «durée de vie» donnée est en général prévisible et les hauteurs totales de pluie atteignant le sol dépendent à la fois de l'intensité des précipitations et de la persistance des mécanismes d'entretien. Un nuage se forme, passe par une période de maturité compatible ou non avec l'apparition de précipitations, puis disparaît par réévaporation des gouttelettes qui le constituent. C'est seulement au cours de la phase de maturité qu'une action de l'homme a des chances de réussir, mais seulement lorsque les conditions naturelles régissant les processus de précipitation sont déjà pratiquement réalisées.

Remarque:
la rosée n'est pas une précipitation mais une condensation dirigée par les végétaux: elle se traduit par des gouttelettes d'eau perlant aux feuilles et aux tiges des arbustes, décorant la végétation au voisinage du sol, c'est donc un phénomène biologique (du au refroidissement de la végétation par un air froid stagnant au niveau du sol (par nuit claire (sans nuages) qui permet au sol de rayonner et de se refroidir), ce qui nécessite aussi une absence de vent qui brasserait l'atmosphère. La température de la végétation passe alors au-dessous du point de rosée (température pour laquelle la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère a atteint la pression saturante) et condense à sa surface, sous forme de gouttelettes, la vapeur d'eau disponible dans l'atmosphère ambiante. Après les premières heures d'insolation, l'échauffement direct du sol et de la végétation, et la turbulence qui en résulte échauffent l'air des basses couches et revaporisent la rosée formée la nuit ou aux premières heures du matin.

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2.3 exploitation et protection des eaux de surface

Les eaux de surface sont en équilibre avec les précipitations (voir plus haut) et les infiltrations: les aspects hydrogéologiques sont traités dans une page spéciale.
Une eau claire n'est pas forcément propre, même si une eau trouble est souvent polluée.
(Le terme de pollution (souillure) en écologie moderne désigne la dégradation d'un milieu naturel à la suites de la contamination par des agents toxiques (essentiellement liés à la production d'énergie, aux activités industrielles et à l'agriculture). Pollution fait référence à une vision écologique (centrée sur l'habitat) et non anthropocentrique comme le fait le terme de nuisance. Et pourtant la limite est parfois floue: nuisances sonores, nuisances esthétiques, olfactives, gustatives... pour lesquelles la santé n'est pas directement mise en danger.)
De même, une eau qui contient des êtres vivants n'est pas forcément propre (notamment pas consommable) car certains êtres vivants (larves d'insectes notammen) supportent des eaux très polluées et les bactéries sont présentes dans TOUTES les eaux naturelles.

Sur le terrain la qualité d'une eau peut être évaluée par ce qu'on appelle l'indice biotique calculé à partir du dénombrement d'espèces d'invertébrés qui ont des exigences différentes vis-à-vis essentiellement du dioxygène disponible. La quantité de dioxygène dépendant aussi essentiellement de la quantité de microorganismes aérobies, eux-mêmes dépendant de la quantité de matière organique disponible. Une eau ayant un indice biotique inférieur à 5 est considérée comme polluée.


d'après La vie et la terre, 2nde, Istra, 1987, p 261

groupes faunistiques
(sensibilité décroissante à la pollution organique)
nombre d'unités systématiques dans le prélèvement
pour
A, B et C
nombre total d'unités systématiques
1
2 à 5
6 à 10
11 à 15
16 ou plus de 16
A
>1
valeur des indices biotiques

7
8
9
10
1
5
6
7
8
9
B
>1

6
7
8
9
1
5
5
6
7
8
C
> 2

5
6
7
8
2
3
4
5
6
7
D

3
4
5
6
7
E
2
3
4
5

F
1
2
3

G
0
1
1

Une unité systématique est habituellement une espèce (ou un genre ou un ordre ou une famille selon les cas); le nombre d'unités systématiques est à bien séparer du nombre d'individus récoltés appartenant à une même unité systématique (par exemple 3 larves de libellule, appartenant donc à la même unité systématique: larves d'odonates). Exemples: 8 individus trichoptères à fourreaux identiques (même unité systématique) donnent un indice biotique de 5; 8 trichoptères à fourreau appartenant à 3 genres différents donnent un indice de 6; 8 trichoptères à fourreaux appartenant à 8 genres différents donnent un indice biotique de 7...

En laboratoire la qualité d'une eau peut aussi être mesurée en référence au dioxygène mais cette fois on mesure
* la quantité de dioxygène consommée par les organismes (DBO: demande biologique d'oxygène) pendant un temps donné (habituellement 5 jours, on parle alors de DBO5) ou
* la quantité de dioxygène consommée lors de l'oxydation de la matière organique (DCO: demande chimique d'oxygène) et autres substances oxydables présentes dans l'eau.
On réalise aussi bien sûr des mesures de pH, des comptages de bactéries (surtout les entérobactéries, souvent pathogènes, dont la plus connue est Escherichia coli).

paramètres mesurés
niveaux de qualité de l'eau
1A
(très bonne)
seuils
1B
(bonne)
seuils
2
(moyenne)
seuils
3
(mauvaise)
seuils
4C
(très mauvaise)
MES (mg.L-1)
matière en suspension
valeurs inférieures aux seuils de la colonne de droite
.
valeurs comprises entre les deux colonnes latérales
25
valeurs comprises entre les deux colonnes latérales
70
valeurs comprises entre les deux colonnes latérales
150
valeurs supérieures aux seuils de la colonne de gauche
DCO (mgO2.L-1)
demande chimique en (di)oxygène
20
25
40
80
DBO5 (mgO2.L-1)
demande biologique en (di)oxygène
3
5
10
25
NH4+ (mg.L-1)
0,1
0,5
2
8
NO2- (mg.L-1)
0,1
0,3
1
2
NO3- (mg.L-1)
50
100
SO42- (mg.L-1)
250
Cl- (mg.L-1)
100
20
400
1000
O2dissous (mg.L-1)
7
5
3
saturation en O2 (%)
90
70
50
chlorophylle (mg.m-3)
10
60
120
300
1A
(très bonne)
1B
(bonne)
2
(moyenne)
3
(mauvaise)
4C
(très mauvaise)
d'après SVT, 2nde, Calamand, Hachette, 1997, p 206

Dans la nature on observe une auto-épuration des eaux c'est-à-dire la capacité pour les eaux naturelles donc habitées d'oxyder des quantités assez importantes de matière organique polluante rejetées par les activités humaines. Le renouvellement des masses d'eau libres facilite cette auto-épuration. Les mesures de DBO et de DCO sont une bonne approximation des capacités d'auto-épuration d'une eau naturelle: il n'est pas rare qu'à l'arrivée dans une station d'épuration on atteigne des valeurs de 270 mgO2.L-1 pour la DBO et de 340 mgO2.L-1 pour la DCO.
Dans certains cas (renouvellement faible ou apport trop important de matière organique) l'autoépuration est insuffisante et on observe un excès de matière organique qui conduit rapidement au développement de microorganismes aérobies qui consomment du dioxygène (essentiellement des bactéries, notamment les cyanophycées ou bactéries bleues...). Comme l'eau est un milieu pauvre en dioxygène (voir les valeurs dans la page sur l'air), ce qui est surtout vrai pour les couches profondes dont le dioxygène se renouvelle lentement (coefficient de diffusion faible), l'oxygène se raréfie et les organismes qui nécessitent une eau riche en dioxygène meurent (l'indice biotique de l'eau diminue fortement, voir ci-dessus). Il s'agit dans ce cas de pollution.
Dans les milieux naturels on a l'habitude de considérer deux stades possibles:
* l'eutrophisation (du grec eu = bien et trophê= nourriture) qui désigne un appauvrissement en dioxygène des couches profondes dû à un apport NATUREL excédentaire d'éléments minéraux, favorisant le développement des producteurs primaires (unicellulaires et bactéries chlorophylliens) et donc par conséquent un excédant de matière organique.
* la dystrophisation (du grec dys, dus = difficulté, mauvais état) indiquant un déséquilibre d'origine humaine dans le développement des producteurs primaires (phytoplancton mais aussi plantes à fleurs dont la jacinthe d'eau ou les lentilles d'eau sont des exemples classiques...). Dans le cas d'une pollution il est donc préférable de parler de dystrophie.

Dans les années 90 a été réalisé par EDF-GDF un petit logiciel de simulation de la gestion d'un lac qui présente des profils des principaux nutriments et organismes vivants dans les eaux d'un lac au cours de l'année, en fonction des prélèvements et des rejets d'eaux usées. Il s'appelle "La vie du lac" et est disponible gratuitement pour une plateforme PC. Je ne sais plus s'il est diffusé mais j'en possède un exemplaire que je peux aisément copier.

Le traitement collectif des eaux usées

arrivée des eaux usées
traitement primaire
traitement secondaire
traitement tertiaire

départ des eaux épurées et rejet dans le milieu naturel

dégrillage
désablage
déshuilage
décantation
floculation
clarification

les déchets les plus encombrants (canettes, bouteilles de plastiques et autres déchets ménagers, bois flottés, ...) sont retenus par les barreaux d'une ou plusieurs grilles

dans une cuve profonde dont l'excédent d'eau s'écoule par le dessus des parois latérales, l'écoulement lent favorise la sédimentation des matières lourdes comme les sables qui se déposent au fond

dans une cuve aérée fortement les matières légères (mousses et autres émulsions...) flottent et sont récupérées

les boues sédimentent lentement au fond d'une grande cuve de décantation

on ajoute des substances floculantes (voir bulles) qui favorisent la conversion des matières organiques dissoutes et colloïdales (voir bulles) en matières décantables c'est-à-dire qui peuvent sédimenter au fond de la cuve

décantation des boues

décontamination bactérienne (ozonation ou chloration) ou élimination de l'azote ou élimination du phosphore

Les boues (comportant encore beaucoup d'eau) récupérées dans les stations d'épuration peuvent être directement épandues (fertilisation des sols agricoles) ou subir d'abord un séchage avant d'être compostées, brûlées ou mises en décharge.

Toutes les habitations ne peuvent être raccordées à des stations d'épuration et on installe dans ce cas un système d'épuration individuel. Dans un terrain de surface suffisante, de bonne perméabilité et de faible pente (ni eau stagnante, ni eau circulante) on recueille les eaux usées contaminées dans une fosse septique (avec éventuellement un bac de dégraissage branché avant la fosse) qui réalise une autoépuration essentiellement par des bactéries anaérobies (fortement pathogènes pour la plupart). Un bac de type "décolloïdeur" précéde un système d'épandage individuel formé par un ou plusieurs drains mis en place dans une tranchée de filtration: ces drains épandent progressivement les eaux sortant de la fosse septique et ce sont les bactéries du sol, principalement aérobies, qui réalisent alors l'auto-épuration finale (pour des précisions sur la vie aérobie et anaérobie, voir page sur l'air).

Les usines de traitement pour l'eau potable ajoutent aux dispositifs d'épuration une décantation supplémentaire, une filtration sur lit de sable puis une ozonation avant stockage et distribution.

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2.4 l'eau dans le cosmos

Parmi les planètes du système solaire la terre est la seule à possèder de l'eau sous ses trois états et notamment à l'état liquide.

Vénus possède de la vapeur d'eau dans son atmosphère (0,01% d'eau, 96,5% de CO2, 3,5% d'N2, 0,02% de SO2 et des traces de gaz rares) très épaisse (>200 km), très dense (90 fois la pression atmosphérique terrestre) et très chaude (450°C à la surface de la planète).

Mars possède de la vapeur d'eau en faible (et variable) quantité dans son atmosphère (<0,03%) très peu épaisse, froide (-50°C en surface) et de faible densité (pression atmosphérique 10 fois moins élevée que sur la terre); mais Mars possède aussi des sols gelés qui contiendraient de l'eau sous forme de glace.

Certaines comètes comme Titan, trop froides pour contenir de l'eau liquide, renferment cependant de la glace et on peut penser que dans des temps plus anciens de l'eau liquide a pu exister à leur surface.
On pense aussi que de l'eau liquide a pu exister à la surface de planètes ou de satellites de planètes du système solaire qui aujourd'hui ne contiennent plus d'eau.

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3. les eaux biologiques = les eaux des êtres vivants

l'eau vivante

l'eau est le principal constituant de la matière vivante; les biologistes ne perçoivent plus la cellule vivante comme un sac plein d'eau mais comme un milieu gélifié très ordonné et structuré par d'innombrables molécules associées les unes aux autres en complexes et transportées activement dans les différentes parties de la cellule (et non pas disposées au hasard et diffusant dans un milieu fluide) (voir schéma ci-dessous)

l'eau peuplée

l'eau est LE milieu de vie; toutes les eaux sont peuplées... ou presque

l'eau porteuse et l'eau motrice

l'eau est dense et donc porteuse mais elle demande une grande énergie pour être mise en mouvement

l'eau transporte et aide à la dissémination et à la fécondation de gamètes, zygotes et larves de nombreux êtres vivants

l'eau protectrice

l'eau change lentement et peu (avec une grande inertie) de température : c'est donc un milieu de vie protecteur vis-à-vis des écarts thermiques

l'eau sensible

l'eau pure n'existe pas; l'eau est pleine de substances aux goûts variés; l'eau peut être polluée; dans l'eau les organes des sens ne sont pas les mêmes que dans l'air (voir, entendre, goûter...)

l'eau nourricière

 

respirer dans l'eau est plus difficile que dans l'air

rejeter (excréter) de l'eau ou boire ?
dans l'air un être vivant a tendance à perdre son eau; il lui faut économiser l'eau et boire; la soif l'aide dans le contrôle de ses besoins en eau.
Dans l'eau douce , un être vivant a tendance à absorber trop d'eau, il doit donc en rejetter; par contre dans l'eau de mer il perd de l'eau et donc doit boire sans cesse pour compenser

l'eau berceau des roches sédimentaires

les sédiments se déposent dans les bassins sédimentaires. L'eau érode les reliefs et entraîne les éléments détritiques et chimiques en suspension ou en solution dans l'eau vers les bassins sédimentaires. Le dépôt des minéraux sédimentaires se fait sous contrôle biologique (bactérien, test des unicellulaires, coquilles, squelettes...).


Un essai de représentation d'un modèle biologique d'une cellule comme "complexe moléculaire structuré"
(le schéma du cytoplasme est extrait et très modifié de Pascal Mentré, L'eau dans la cellule, Masson, 1995)

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