Le climat - chapitre II, partie 3 : les facteurs du climat : cycle de l'eau

Niveau : initié

Le cycle de l'eau

Conséquence du chauffage inégal de l'atmosphère et de la circulation générale, des masses importantes d'eau vont se déplacer sur la terre. La plus grande partie de l'eau est mobilisée dans les océans. L'eau va, par évaporation, passer des océans à l'atmosphère. Cette eau atmosphérique peut être sous forme gazeuse (vapeur d'eau), liquide ( gouttelettes d'eau) ou solide (cristaux de glace). L'état dans lequel l'eau se trouve va dépendre de la quantité d'eau contenue dans l'atmosphère et de la température ambiante.

La quantité maximale d'eau contenue dans l'air est une fonction de la température (voir graphique). Quand l'atmosphère est à son maximum de vapeur d'eau qu'elle peut contenir, on dit qu'elle a atteint son point de saturation (par exemple quand il y a 9,4 g d'eau par mètre cube à 10 °C). Si on augmente la quantité d'eau dans une atmosphère saturée, il va y avoir un changement d'état de la vapeur d'eau vers un état liquide (condensation) ou vers un état solide (sublimation). Ces sont ces gouttes d'eau ou cristaux de glace qui vont former les nuages.

Figure 5 - Masse maximale de vapeur d'eau (g/m³) en fonction de la température (Graphique reconstitué à l'aide des données issues de "Climatologie" de P. Etienne et A. Godard, Éd. Armand Colin, Collection U, 1970).

Le principal apport d'eau dans l'atmosphère est l'évaporation de l'eau des océans. Pour faire passer de l'eau de l'état liquide à l'état vapeur, il faut lui fournir une certaine quantité d'énergie appelée chaleur latente. C'est l'énergie absorbée ou dégagée lors d'un changement de phase. À 15 °C, pour amener 1 cm³ d'eau liquide à l'état d'eau gazeuse il faut fournir 2500 joules (Dictionnaire du Climat, Éd. Larousse, 1995.).

Un autre apport de vapeur d'eau dans l'atmosphère est l'évapotranspiration. C'est la quantité l'eau évaporée dans l'atmosphère par des masses végétales et animales. Cette fonction dépend de plusieurs facteurs : la quantité de biomasse, la température et la quantité d'eau déjà présente dans l'atmosphère. L'évapotranspiration est beaucoup plus importante l'été que l'hiver du fait qu'en été, il fait plus chaud et qu'il y a plus de végétation. Elle est plus faible sur une prairie que dans les forêts (voir tableau 2).

Tableau 2 - valeur de l' évapotranspiration selon les espèces d'arbres (Biogéographie, Elhaï H.)

Une partie de l'eau provenant des précipitations retourne directement dans l'atmosphère. La température de l'air et son degré hygrométrique vont influencer la quantité d'eau qui retourne dans l'atmosphère. Dans certains cas où la couche d'air sous le nuage est très sèche, les précipitations peuvent ne pas atteindre le sol.

Chaque fois que la quantité de vapeur d'eau devient trop importante ou bien si la température diminue, l'air va se saturer en vapeur d'eau et il va y avoir formation de nuages composés de gouttelettes d'eau et/ou de cristaux de glace. Si ce phénomène se produit au sol, il y a formation de brouillard.

Les gouttelettes d'eau et/ou cristaux de glace sont au départ trop légers pour tomber. Pour que les précipitations puissent se produire, il faut que les gouttelettes et/ou les cristaux s'agglomèrent. Tant que les vents ascendants sont suffisamment forts les gouttelettes et/ou les cristaux resteront en suspension dans le nuage. Une fois qu'ils auront atteint un poids suffisant pour contrecarrer les forces qui les maintiennent dans le nuage, alors les précipitations vont pouvoir se produire.

La vitesse de chute des gouttes d'eau est fonction de leur taille. Si les gouttes ont une taille de 1 mm de diamètre, il faudra que vents ascendants soient inférieurs à 4 m/s pour que la chute des gouttes puisse se produire (voir tableau 3).

Les mouvements au sein des nuages et la température vont conditionner le type de précipitations que l'on peut observer. La pluie est le type de précipitations le plus courant chez nous. Elle est constituée de gouttes d'un diamètre supérieur à 0,5 mm [(1) Defrise P. et all, 1957, Éléments de météorologie, Institut Royal Météorologique de Belgique (épuisé)]. La bruine (ou le crachin) est constituée de fines gouttelettes d'un diamètre inférieur à 0,5 mm.

Tableau 3 - Vitesse de chute en fonction du diamètre des gouttes de pluie. (Encyclopaedia Britannica, 1995, rubrique précipitations, vol. 18 p. 879).

Les précipitations peuvent également se produire sous forme solide. La neige est formée de fins cristaux de glace généralement structurés sous forme hexagonale et ramifiée. La neige granulaire est constituée de granules blancs et opaques de diamètre généralement inférieur à 1 mm. Le grésil est formé de granules d'eau congelée, translucides, sphériques, parfois coniques de diamètre compris entre 2 et 5 mm. La grêle est un morceau de glace dont le diamètre est supérieur à 5 mm. Les aiguilles de glaces sont si petites qu'elles voltigent dans l'air. Malgré une température négative, on peut avoir des précipitations sous forme liquide; lorsqu'elles arrivent sur le sol gelé, on a une pluie verglaçante. Ce phénomène est habituellement de courte durée (environ 2 heures), mais dans certains cas on peut dépasser 10 heures
Les précipitations sont de durée variable. Elles peuvent durer des heures de façon continue. Si elles sont de courte durée avec un début et une fin relativement brutaux, on parle alors d'averses.

Quand les précipitations arrivent au sol, l'eau va pouvoir suivre trois chemins. Le premier est le retour direct (évaporation) ou indirect (évapotranspiration par les plantes) dans l'atmosphère. La deuxième possibilité qui s'offre à l'eau de pluie est le ruissellement. Le dernier trajet que cette eau peut suivre est la pénétration dans le sol.

Le premier cas, le retour direct et indirect, a déjà été traité plus haut.

Le ruissellement va diriger immanquablement l'eau vers les parties basses du relief, généralement occupées par les rivières. L'eau qui y arrive va gonfler la rivière. Dans la plupart des cas, elle reste dans son lit mineur qu'elle occupe habituellement. Si la quantité d'eau précipitée est trop abondante, elle va quitter son lit mineur et envahir son lit majeur. Ce dernier est une zone qui entoure les berges du cours d'eau et que la rivière occupe occasionnellement lorsque les précipitations sont abondantes.
Le pourcentage d'eau de pluie qui ruisselle va dépendre de nombreux facteurs. L'intensité des précipitations est le plus important. La taille des gouttes et donc la vitesse à laquelle elles frappent et tassent le sol est également un facteur du ruissellement. La pente des flancs de la vallée va aussi jouer un rôle dans le ruissellement. En effet plus la pente est forte plus l'eau aura tendance à s'écouler sur le sol. La nature du sol et sa couverture végétale vont de même moduler le rapport de l'eau qui ruisselle.

La dernière partie de l'eau va pénétrer dans le sol. Il est évident que tout facteur qui va favoriser le ruissellement va défavoriser la pénétration d'eau dans le sol et inversement.

Figure 6 - Inondation de janvier 1995 à Dinant (Photo Marc Vandiepenbeeck).

Dans l'intérêt de la société, tout doit être fait pour défavoriser le ruissellement. Si rien n'est fait en ce sens, le risque d'inondation augmentera.
Les actions de l'homme qui favorisent ce ruissellement sont en premier lieu la déforestation. Une forêt a durant sa période active de végétation une surface foliaire très importante. Lors des précipitations, les gouttes arrivent au sommet des arbres. Là, elles rencontrent les premières feuilles qu'elles percutent de plein fouet. Ensuite elles vont passer de feuille en feuille avec comme résultat une réduction importante de la vitesse des gouttes d'eau. La faible vitesse avec laquelle les gouttes arrivent au sol a comme conséquence de ne pas tasser le sol. Le tassement du sol le rend plus imperméable et augmente ainsi le ruissellement de l'eau à sa surface ce qui est le cas dans les prairies et les champs.

Figure 7 - forêt : le feuillage limite le risque d'inondation en interceptant une grand partie de l'eau précipitée (forêt équatoriale au Mexique,
photo Marc Vandiepenbeeck).

Une autre conséquence de la présence des arbres est la réduction de la quantité d'eau arrivant au sol. En effet l'eau qui tombe sur les feuilles peut s'évaporer si la température est assez élevée et surtout elle va d'abord mouiller ces feuilles quand il y en a. Ce n'est qu'après ce mouillage que les gouttes vont arriver au sol. La quantité d'eau nécessaire au mouillage est évidemment fonction de la surface globale du feuillage. Les chênes ou les hêtres vont intercepter beaucoup plus d'eau que des conifères.
Les effets décrits ici sont très marqués dans le cas de la disparition de la forêt tropicale, notamment au Bengladesh où les inondations sont devenues plus fréquentes avec tous les drames que cela comporte dans une population déjà si défavorisée.

Un autre facteur qui a augmenté le ruissellement et les risques d'inondation est le remembrement. Afin de mieux travailler dans les champs avec de grosses machines, on a réorganisé les parcelles cultivables; dans cette optique, on a supprimé les haies, obstacles naturels à la mécanisation et qui constituaient les magnifiques paysages de bocage.

Figure 8 - Les haies permettent une meilleure infiltration de l'eau vers les nappes profondes.

Mais la disparition des haies a augmenté le ruissellement. En effet, la haie formait une barrière naturelle à l'écoulement de l'eau réduisant ainsi sa vitesse, facteur d'érosion. En outre, l'interface entre les racines et le sol est une voie de pénétration de l'eau dans le sous-sol. Dans toutes les régions où l'on a supprimé les haies (comme en Normandie ou en Thierache), on a observé une augmentation du risque d'inondation.

Le bétonnage des grandes surfaces est également un facteur qui favorise le ruissellement des eaux de pluies. Les habitants de la vallée de la Woluwe sont bien placés pour subir les effets négatifs d'une urbanisation anarchique ne tenant aucun compte de la nature et de ses exigences. On peut citer de nombreux exemples de ce type. Par exemple, à Vaison-la-Romaine, on a loti une zone que les anciens n'avaient jamais occupée et comme il y avait plus de trente ans que cette zone n'avait plus été inondée, on en a oublié le risque. On construit beaucoup trop souvent dans le lit majeur des rivières avec comme conséquences un risque accru d'être inondé.

Dans de trop rares cas, on lutte contre les inondations. Cependant, il est possible de le faire à l'instar de l'action entreprise par le chanteur Yves Duteil et le conseil municipal de la cité le long de la Marne dont il est le maire: le rachat par la commune de toute habitation se trouvant dans une zone inondable qui est mise en vente et sa destruction rendant ainsi, petit à petit, le lit majeur à la nature comme réserve naturelle.

Lorsqu'une masse d'air humide rencontre une chaîne de montagnes, il se produit un phénomène connu sous le nom d'effet orographique ou d'effet Foehn, du nom d'un vent du sud qui souffle dans les vallées suisses de l'Aar et de la Reuss. Dans les Rocheuses, le vent de foehn s'appelle le Chinook.

Figure 9 - Effet Foehn (illustration Encyclopaedia Universalis version 9).

Lorsqu'une masse d'air rencontre des montagnes, la tendance naturelle est de tenter de contourner l'obstacle. Quand ce n'est pas possible, la masse d'air va devoir passer au-dessus de cette barrière naturelle. L'air humide montera donc le long des flancs des montagnes. Au cours de cette ascension, la pression diminue et la masse augmente de volume. Cette dilatation adiabatique (c'est-à-dire sans échange de chaleur avec l'extérieur) s'accompagne d'une baisse de température. L'air froid ne pouvant contenir autant de vapeur d'eau que l'air chaud, il se produira une condensation avec formation de nuages et ensuite des précipitations parfois très abondantes comme lors des inondations de Vaison la Romaine en septembre 1992. Ces pluies vident l'air de sa teneur en eau.

Quand l'air a franchi les sommets des montagnes, il redescend. La descente est accompagnée d'une compression du fait de l'augmentation de pression. La masse d'air se réchauffe et comme elle a perdu une partie de son humidité, le réchauffement amène la masse d'air à une température plus élevée que celle qu'elle possédait avant de rencontrer les montagnes. C'est dès lors un vent chaud et très sec qui souffle après le passage du relief.
Cet air sec qui souffle dans les vallées de la Reuss et de l'Aar, sont à l'origine d'une fonte rapide de la neige ou d'un dessèchement de la végétation tel que le risque d'incendie devient très important. Il a en outre des effets sur le comportement de l'homme. Ce dernier est plus nerveux et les accidents et les suicides sont plus fréquents quand le Foehn souffle.

La déforestation est un problème écologique grave qui a des répercussions dans divers secteurs notamment la disparition d'insectes et de plantes. Mais une autre conséquence de la déforestation est un changement dans le régime des précipitations sur des régions relativement étendues.
Les plantes renvoient de l'eau dans l'atmosphère par évapotranspiration. Ce phénomène est très important au-dessus de la forêt tropicale où la quantité d'eau qui est renvoyée dans l'atmosphère équivaut à 10 à 15 l/m² par jour. Cette vapeur d'eau s'accumule au-dessus de la forêt et l'atmosphère est proche de la saturation.
Lorsque les vents dominants comme les alizés pour la forêt amazonienne viennent de l'océan, ils sont chargés d'humidité. En arrivant dans l'air humide qui stagne au-dessus des forêts, il y aura plus d'eau que l'air ne peut en contenir. Il en résulte des précipitations qui peuvent être très importantes. À Manaaus (Brésil), il pleut en moyenne 12 l/m² par jour de précipitations alors qu'à Uccle cette valeur n'est que de 4 l/m² par jour de pluie.
L'évapotranspiration des prairies ne donne pas plus de 1 ou 2 l/m² par jour.
Lorsqu'on supprime la forêt, on réduit ainsi l'humidité relative dans l'atmosphère. L'air humide venant des océans n'arrive plus à saturer l'atmosphère. Il passe donc au-dessus de l'ancienne forêt sans donner de précipitations. Ce n'est que lorsqu'il rencontrera les Andes que des précipitations vont se produire par effet orographique. On aura ainsi un déplacement des pluies de la forêt amazonienne vers le versant est des Andes. Le même phénomène est observé au Bangladesh, où la disparition de la forêt a provoqué une augmentation des pluies sur les contreforts de l'Himalaya. Ces pluies sont parfois la cause de graves inondations dans un pays des plus pauvres de la Terre.

Figure 10 - Vue par satellite de la déforestation 12 /04/1999. Source http://terresacree.org/amazonie.htm.

La répartition des pluies

Les pluies se répartissent de manière extrêmement variable à la surface de la terre. Certaines régions reçoivent à peine 1 mm d'eau par an. Dans d'autres, le total pluviométrique peut dépasser 10 m par an. C'est le cas à Cherrapunji, en Inde, où la moyenne annuelle de la pluviosité atteint 11 633 mm !

En examinant une carte mondiale des isohyètes annuels des précipitations, on constate que le long de l'équateur les précipitations sont très importantes. Ces régions sont généralement couvertes par la jungle. Les pluies y sont abondantes toute l'année.

Lorsqu'on remonte vers les tropiques, à l'approche de la ceinture des anticyclones tropicaux, le paysage se transforme en une savane. Le régime de pluie est composé de deux saisons sèches et deux saisons pluvieuses.

Les quantités annuelles d'eau recueillie diminuent à l'approche des tropiques et l'on n'observe plus qu'une courte saison des pluies. Au coeur des zones de haute pression, s'étendent les déserts, où les cotes pluviométriques annuelles n'atteignent plus 100 mm. La région la plus sèche est le désert de l'Atacama en Amérique du Sud. À Arica au Chili, la moyenne annuelle des pluies n'est que de 0,8 mm.

Au niveau des tropiques, la région du sud-est de l'Asie fait exception. Avec le régime de mousson (voir La circulation générale), elle connaît six mois sans (ou presque) une goutte d'eau, ensuite, les pluies sont extrêmement abondantes pendant le reste de l'année, les totaux étant souvent supérieurs à 2000 mm.

En continuant la remontée vers les pôles à partir de l'équateur, s'éloignent les zones désertiques associées aux anticyclones tropicaux pour arriver aux latitudes moyennes, dans des régions dominées par des dépressions dues à la rencontre des masses d'air chaud venant des tropiques et des masses d'air froid issues des pôles. La collision de ces deux types de masses d'air se traduit généralement par des zones de précipitations ou fortement ennuagées.

A la bordure des zones de hautes pressions, il y a des régions qui ont un régime des précipitations très particulier : pluies abondantes en hiver et sécheresse estivale. Ces contrées connaissent un climat du type méditerranéen.

A nos latitudes, nos régions connaissent un régime de pluies assez abondantes toute l'année, avec en général un maximum qui se produit en été ou en automne. Durant l'hiver, les trajectoires des zones de basse pression passent par nos régions ou plus au sud. Ceci a pour effet de nous placer en droite ligne des zones de pluie ou de neige associées à ces dépressions. En été, ces trajectoires sont plus septentrionales et les zones de pluies nous atteignent moins souvent.
Mais entre les hautes et basses pressions, on a un faible relief barométrique (la pression varie peu). Cette situation permet à l'instabilité thermique de se développer avec comme conséquence la formation de foyers orageux. S'ils se développent dans de l'air très humide (venant de l'océan Atlantique ou de la mer Méditerranée), ces orages peuvent donner des précipitations localement très abondantes.

Figure 11 - Orage sur Bruxelles le 7 août 2004 (photo MB - Pascal Famerée).

Ainsi nos régions connaissent pratiquement chaque année une averse où l'on recueille plus de 60 l/m² en quelques heures quelque part en Belgique. De telles averses sont souvent la cause de dégâts important comme ce fut le cas à Jodoigne le 31 juillet 1994 ou plus proche le 4 juillet dans les Flandres et le Tournaisis et le 29 juillet 2005 dans les régions bruxelloise et liégeoise.

Figure 12 - Carte des précipitations du 4 juillet 2004. Les isohyètes sont les lignes d'égale précipitations par pas de 20 mm. (Source IRM).

Aux latitudes moyennes, se rencontrent généralement des zones où les pluies annuelles totalisent plus de 500 l/m². Il y a néanmoins une exception : le désert de Mongolie. L'aridité de cette région est due d'une part à la présence du puissant anticyclone de Sibérie durant l'hiver et d'autre part à l'éloignement des mers. Cette région est tellement loin de tout étendue d'eau importante que les masses d'air qui y arrivent ont perdu la plus grande partie de leur teneur en eau.

Les zones polaires sont également des déserts. Le froid permanent sur ces régions est à l'origine d'anticyclones peu propices au développement des précipitations. Ainsi le coeur du continent antarctique n'est pas seulement un désert dû aux basses températures qui sont un frein au développement de la vie, mais il l'est également suite à de très faibles précipitations. Dans la plus grande partie de ce continent, le total annuel des précipitations est inférieur à 300 l/m², ce qui correspond à une épaisseur de neige fraîche d'environ 300 cm ou moins.

L'examen de cette répartition des zones de précipitations montre que nos régions ne sont finalement pas si mal situées. Elles ne connaissent pas les pluies diluviennes si souvent dévastatrices que peuvent connaître les zones équatoriales et celles soumises au régime des moussons (1870 l/m² en 24 heures dans l'île de la Réunion) . Mais elles reçoivent suffisamment d'eau pour qu'une agriculture rentable y soit exercée.

Si la vie sans soleil n'est pas possible, l'eau est aussi nécessaire tout comme l'oxygène. Des études scientifiques montrent que le besoin mondial en eau va augmenter alors que sa qualité va continuer à diminuer à cause de la pollution. Cette constatation est valable pour la Belgique et les difficultés croissantes que l'on rencontre pour purifier l'eau sont à l'origine de son coût de plus en plus élevé! L'eau est un bien extrêmement précieux qu'il faut à tout prix préserver.