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HYDROSPHÈRE

GÉNÉRALITÉS
L’hydrosphère est l’ensemble des eaux qui se trouvent sur la surface terrestre. Elle comprend les eaux marines, océaniques et continentales, les neiges, les glaces continentales et la vapeur d’eau atmosphérique. On considère aussi comme faisant partie de l’hydrosphère les substances chimiques qui y sont dissoutes. Par conséquent, on entend par composition chimique de l’hydrosphère la composition chimique de l’eau et des substances qui y sont dissoutes.

L’eau est une molécule ayant une importance fondamentale pour la vie ; en effet, pour l'essentiel, les êtres vivants sont constitués d’eau.

La molécule d’eau (H2O) est formée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. En vertu de la structure de cette molécule, les atomes d’hydrogène forment entre eux un angle d’environ 105°. Ce type particulier de liaison confère à la molécule un comportement électrique qu’il est important de connaître puisqu’il exerce une influence considérable sur le rapport entre l’hydrosphère et les autres sphères géochimiques : atmosphère, biosphère et lithosphère.

Les molécules tendent à s’orienter en fonction des attractions électriques. Il se forme ainsi une série de chaînes de molécules d’eau liées de façon électrostatique ; lorsque la température augmente, les molécules tendent à se séparer.

Cette propriété électrique confère à l’eau de fortes propriétés par rapport aux minéraux qui composent les roches.

L’action dissolvante se manifeste sur les sels qui, en présence d’eau, se dissocient en ions (cations et anions), lesquels se solubilisent et sont transportés par l’eau.

L’action hydratante de l’eau se manifeste sur les sels insolubles qui, une fois hydratés, se solubilisent, libérant les ions disponibles.

L’action hydrolysante de l’eau entraîne la transformation de sels d’acides forts en sels d’acides faibles et inversement. Cette dernière action est la plus importante en ce qui concerne l’altération chimique des roches, puisqu’elle concerne les minéraux les plus répandus sur la croûte terrestre : sulfates, silicates et carbonates.

ORIGINE DE L’HYDROSPHÈRE
Les hypothèses concernant la formation de l’hydrosphère ont été avancées sur la base d'une analyse de l’évolution de la Terre dans le temps, à travers les témoignages du passé - fossiles et anciennes formations rocheuses - et de l'analyse des processus chimiques affectant les roches, les eaux, les gaz et la vie.

L’histoire de l’hydrosphère est donc liée à celle des autres sphères géochimiques et à l’histoire de la Terre. Les tableaux suivants mettent en évidence une série d’époques importantes dans l’histoire de la Terre


MILLIARDS D’ANNÉES


4,6

la naissance de la Terre

4,0

les roches les plus anciennes

3,5

les fossiles les plus anciens (Bactéries et Algues bleues)

2,5

accumulation d’oxygène libre dans l’atmosphère

1,5

formation du premier supercontinent

1

la vie continue à se développer sous l’eau



MILLIONS D’ANNÉES


600

organismes pluricellulaires

500

fracture du premier supercontinent ; apparition des premiers Poissons

400

formation de l’ozonosphère ; premières plantes terrestres, apparition de la vie sur la terre ferme

300

premiers Reptiles terrestres

300

premiers Oiseaux et Mammifères terrestres

65

extinction des Dinosaures : orogenèse alpine

35

collision entre l'Inde et l'Asie

15

orogenèse himalayenne

5

apparition de l'Australopithecus

1,5

apparition de l'Homo erectus

0,1

apparition de l'Homo sapiens neanderthalensis


L’accroissement progressif de la Terre, dû à l’agrégation de petits objets (planétismes), s'est accompagné d'une séparation progressive de la matière selon la densité, avec la formation d’un noyau terrestre central constitué de nickel et de fer et la formation d’un manteau fait de minéraux lourds. Les fractions d’éléments plus légers causèrent la séparation d’une atmosphère résiduelle et la formation progressive des premiers boucliers, qui constituent à présent le cœur des continents les plus grands.

Comment l’hydrosphère s’est-elle formée ?
Il existe plusieurs théories principales sur la formation de l’hydrosphère. D’après la première théorie, la formation des eaux aurait été le résultat d’une pluie de météorites de glace provenant de l’espace. D’après la deuxième théorie, la plus communément admise par les chercheurs, l’hydrosphère serait le produit d’une migration naturelle des éléments les plus légers vers la surface et des éléments les plus lourds vers le centre de la Terre.

Les choses ont dû se passer à peu près de la façon suivante : l’eau contenue dans les réseaux cristallins de nombreux minéraux a commencé à se séparer des minéraux et à s’accumuler, pendant la cristallisation des roches dans les phases liquides et gazeuses.

Au cours des ères géologiques, l’hydrosphère se serait formée lentement par accumulation d’eau progressive. L’apport d’eau sur la surface terrestre continue encore aujourd’hui, à travers deux voies principales : les émissions volcaniques et les sources hydrothermales.

Pour toutes ces raisons, l’hydrosphère initiale était très réduite par rapport à l’hydrosphère actuelle ; ce n'est qu'au cours de millions d’années qu'elle s’est accrue progressivement sur la surface terrestre et s’est accumulée dans les océans.

Essayons de nous représenter la Terre primordiale. La croûte terrestre se refroidissait lentement pendant que, de l’atmosphère primitive, se poursuivaient les précipitations qui, avec les eaux de source d’origine hydrothermale, contribuaient à la formation des mers.

Beaucoup de ces sources se trouvent actuellement le long des dorsales médio-océaniques. Certains scientifiques ont calculé que la quantité d’eau versée par les sources hydrothermales ne représente qu’un petit pourcentage de celle qui arrive dans la mer (à peu près 1 %) ; cependant, cette quantité justifie à elle seule la présence des océans.

L’eau s’évaporait rapidement, en formant de la vapeur d’eau qui tombait sous forme de pluies. C'est ainsi que s'instaurait le premier cycle de l’eau.

On enregistre alors une étape importante dans l’évolution des océans, qui en a changé profondément la composition chimique, à savoir l’apparition, il y a 3,5 milliards d’années, des premières formes de vie (voir origine de la vie).

En effet, la composition des océans primordiaux était sans aucun doute différente de la composition actuelle. À cause des émissions volcaniques, les pluies devenaient acides, comme cela se produit aujourd’hui du fait des déchets industriels.

Pendant quelques millions d’années, le milieu géochimique fut donc stable : un monde dépourvu d’oxygène où la vie semblait impossible. Mais il se produisit soudain un événement qui changea complètement l’environnement : l’apparition de la vie. Des organismes microscopiques - Algues et Bactéries unicellulaires - commencèrent à produire de l’oxygène en vertu du processus de photosynthèse chlorophyllienne.

La grande quantité d’oxygène libéré dans l’atmosphère eut une conséquence importante : la formation d’une couche d’ozone dans l’atmosphère, ou ozonosphère. La présence de cette couche, qui limite fortement le passage des rayons ultraviolets, a permis, il y a 400 millions d’années, la diffusion de la vie sur la Terre, déclenchant de la sorte tous les processus évolutifs qui ont amené à la configuration actuelle de la biosphère.

LE CYCLE DE L’EAU
L’eau sur la Terre
L’eau (H2O) revêt une importance fondamentale pour la vie. Elle constitue en effet une proportion considérable de la matière vivante (65 % chez les êtres humains, pas moins de 95 % chez les Invertébrés marins et 99 % chez certains végétaux). L’ensemble de toutes les eaux qui se trouvent à la surface de la Terre (eaux marines et océaniques, eaux continentales de surface, nappes phréatiques, neiges, glaces et vapeur d’eau atmosphérique) forme la partie la plus étendue de la biosphère, l’hydrosphère.

Au point de vue quantitatif, les masses d’eau qui composent l’hydrosphère occupent environ 81 % de la surface terrestre (qui mesure approximativement 510 000 000 de kilomètres carrés et sont distribuées (en km3).


Distribution des masses d’eau qui composent l’hydrosphère exprimée en km3

Océans

1 370 000 000

Laces et neiges

29 000 000

Nappes phréatiques*

9 400 000

Lacs et fleuves

200 000

Vapeur d’eau

14 000







Total

1 408 614 000

(*) en ce qui concerne les eaux de nappe, la valeur indiquée ne correspond pas à une estimation réelle. Il s'agit du résultat (non vérifiable) de spéculations et d’enquêtes géophysiques étendues à des portions de la planète non étudiées.


La quasi-totalité de l’hydrosphère, approximativement 97 % en volume, est représentée par l’ensemble des eaux marines et océaniques.

L’absence d'eau est un facteur fortement limitant pour la vie. Toutefois, même si l’eau n’est pas distribuée de façon homogène à la surface de la terre, les organismes vivants ont été capables de s’adapter même aux conditions de vie extrême des déserts.

L’eau en mouvement
Dans la nature, l’eau passe sur la surface terrestre selon un schéma cyclique qui prend le nom de cycle hydrologique. Grâce aux processus physiques et mécaniques, l’eau est en mouvement perpétuel. Des continents aux océans, et de ces derniers à l’atmosphère, d’où elle revient de nouveau vers la terre ou à vers la mer.

L’eau est présente dans l’atmosphère sous la forme de vapeur d’eau qui forme les nuages. De ces derniers, l’eau tombe à nouveau sur la Terre sous la forme de pluie, de neige ou de grêle. Une partie des précipitations pénètre dans le sol et dans les roches perméables, où elle va alimenter les nappes souterraines ; une autre partie glisse sur la surface terrestre pour confluer dans le réseau hydrique superficiel ; une autre partie enfin va directement dans la mer, qui reçoit en outre toutes les eaux transportées par les fleuves et par les rivières, et qui constitue ainsi le bassin récepteur de presque toutes les eaux qui précipitent sur la surface terrestre. Par effet du rayonnement solaire et des vents, les eaux qui recouvrent la surface terrestre s’évaporent. La vapeur d’eau ainsi formée alimente le cycle décrit ci-dessus. Les forêts et les volcans contribuent eux aussi à la formation de la vapeur d’eau de l’atmosphère. Les premières par la transpiration, et les secondes par leurs émissions qui contiennent une proportion importante de vapeur d’eau.

L’hydrosphère est alimentée en outre par les eaux provenant des processus de formation et de fractionnement des roches à l’intérieur de la croûte terrestre (voir mouvements de la croûte terrestre). Au fur et à mesure que les roches se cristallisent à partir du magma en fusion, l’eau contenue dans le magma se concentre dans la partie supérieure de la chambre magmatique et remonte vers la surface terrestre, générant des sources hydrothermales qui peuvent se trouver aussi bien sur les continents que dans les profondeurs des océans, à la hauteur des dorsales océaniques. La seule perte d’eau, dans le cycle hydrologique, se fait à travers le processus de subduction de la croûte océanique (tectonique) qui entraîne, dans son mouvement d'enfoncement vers l’intérieur de la Terre (manteau) les sédiments marins et l’eau qu’ils contiennent.

LES FLEUVES
Les fleuves sont des cours d’eau pérennes alimentés principalement par les sources, les eaux de pluie et les eaux provenant de la fonte des glaciers. Les eaux météoriques se rassemblent sur le terrain et coulent le long d’incisions naturelles dont l'ensemble forme le réseau hydrographique.

Avec le temps et, surtout, sous l'effet de l’érosion, la zone drainée par le cours d’eau revêt une forme caractéristique de bassin et prend le nom de « bassin hydrographique ». Les bassins hydrographiques contigus sont séparés par une ligne, dite ligne de partage des eaux, qui relie les points culminants de la topographie.

Les principaux paramètres qui permettent de contrôler les caractéristiques physiques et biologiques d’un cours d’eau sont le climat et la géologie.

Le climat, exprimé par le régime thermométrique (le cours saisonnier de la température) et pluviométrique (le cours saisonnier des précipitations), détermine en définitive la disponibilité d’eaux d’origine météorique pouvant alimenter les cours d’eau. Le climat, avec la nature géologique du territoire, permet de définir la morphologie (type de lit, présence de rapides et de cascades, vallée plus ou moins profonde, etc.), les caractéristiques d’alimentation (cours d’eau alimenté surtout par les eaux de pluie ou par des sources) et les caractéristiques du régime (variations du débit au cours de l’année).

Dans un cours d’eau, la vitesse du courant dépend de la pente et varie de quelques décimètres à quelques mètres par seconde.

Imaginons une section transversale du fleuve : d'une rive à l'autre, la forme de la section peut être comparée à un arc de cercle. En observant la vitesse de l’eau, nous pouvons remarquer que sa valeur n’est pas constante, mais qu'elle varie du fait des frottements avec les surfaces en contact : le frottement sur le fond, sur les parois et le frottement exercé par l’air sur la surface libre de l’eau, font que la vitesse maximum est atteinte dans la zone centrale, un peu au-dessous de la surface.

Les variations de vitesse sont importantes, car elles influent sur les dimensions des particules que l’eau peut charrier dans son mouvement en aval. En général, le transport prédomine dans les zones de montagne, tandis que les phénomènes de dépôt sont plus fréquents dans les zones de plaine.

Le comportement de l’eau est toujours le même. Plus grande est la vitesse d'écoulement, plus grande est l’énergie. Dans les zones de montagnes, en effet, la forte pente du lit confère à l’eau une vitesse élevée, ce qui permet de déplacer et de transporter même les sédiments les plus grossiers et accentue la capacité d’érosion. Dans leur cours supérieur, les rivières gardent souvent un régime torrentiel, caractérisé par de brusques changements de débit, avec des traits morphologiques typiques, comme les rapides ou les cascades.

La réduction de pente qui caractérise le cours moyen d’une rivière entraîne généralement une réduction de la vitesse du courant. La rivière dépose tout d’abord les sédiments les plus grossiers, et ne transporte plus que les plus fins. De plus, la rivière acquiert souvent dans son cours moyen un régime plus régulier, le fond de la vallée s’élargit et l’on assiste au dépôt des sédiments plus grossiers que la rivière n’est plus à même de transporter et entre lesquels le cours d’eau s'écoule en suivant un parcours sinusoïdal caractéristique. Lorsque la rivière atteint son cours inférieur et des altitudes extrêmement basses, la pente diminue encore, ce qui entraîne une réduction de la vitesse. C’est à ce moment-là que l’on assiste au dépôt des sédiments les plus fins, qui sont surtout de type boueux.

Outre la vitesse, il y a d’autres paramètres qui changent quand on se déplace de la source vers l’embouchure, par exemple la température et la teneur en gaz (oxygène et gaz carbonique).

La température de l’eau d’un fleuve est variable ; elle dépend, et de l’histoire de l’eau avant qu’elle n’atteigne la rivière, et des caractéristiques du cours d’eau.

Le brassage des eaux provoqué par le courant empêche la stratification thermique, tandis qu’un gradient thermique (c’est-à-dire une variation de la température selon une tendance définie) s’instaure généralement de la source à l’embouchure.

Mais, la concentration d’oxygène et de gaz carbonique des eaux courantes est liée aux procédés photosynthétiques et respiratoires des organismes présents. Près de la source, la teneur en oxygène est élevée, tandis qu’elle tend à diminuer près de l’embouchure, où, grâce au dépôt de matière organique, s’instaurent des processus de décomposition de la matière consommant de l'oxygène, jusqu’à ce que, dans des conditions particulières d’eaux presque stagnantes, s’instaurent des conditions anoxiques (d’absence totale d’oxygène). Dans les cours d’eau riches en végétation, la concentration d’oxygène est liée en particulier aux cycles vitaux des organismes (valeurs élevées pendant la journée qui se réduisent pendant la nuit).

L’eau des fleuves arrive enfin à la mer où, étant plus légère que les eaux salées, elle glisse sur les eaux marines sur des distances parfois considérables jusqu’à ce qu'elle s'y mêle complètement. L’eau marine, au contraire, pénètre sous les eaux douces du fleuve et en remonte une partie du cours en profondeur.

LES LACS
Les lacs représentent des réservoirs superficiels naturels occupés généralement par des eaux douces et assez profondes, pour qu'au moins la zone centrale soit dépourvue de végétation.

La plupart des caractéristiques morphologiques et physico-chimiques des lacs dépendent de leur origine. On parle de lacs de barrage lorsque le bassin lacustre se forme du fait d’une interruption du cours naturel du fleuve, par exemple par suite d’un éboulement. Lorsque les eaux météoriques et/ou de source remplissent des cavités naturelles (cratères volcaniques, fractures de la croûte terrestre, cirques glaciaires), on parle respectivement de lacs volcaniques, tectoniques et glaciaires.

Un élément commun à tous les types de lacs, indépendamment de leur origine, est leur vieillissement progressif par envasement, qui entraîne une diminution de la profondeur. Le lac se transforme ainsi en étang (masse d’eau de profondeur limitée, avec des parties libres et des parties couvertes de végétaux émergents), en marécage (zone marécageuse entièrement couverte de végétation et qui peut être complètement asséchée pendant les mois chauds) et, enfin, en terre émergée.

Le facteur qui distingue un lac d'un autre est donc la profondeur. Par conséquent, l’étude de l’évolution des lacs se fonde surtout sur la connaissance des caractéristiques planimétriques et bathymétriques. La science qui s’occupe des milieux lacustres et de leur évolution dans le temps s’appelle limnologie.

Les eaux d’un lac, en dépit de leur immobilité apparente, sont en réalité soumises à des changements saisonniers. En effet, lorsqu’il y a un changement de saison, les masses d’eau subissent des « alternances thermiques » causées par la variation du climat en fonction de la saison, et qui sont étroitement liées à la forme et aux dimensions du bassin.

LE CYCLE SAISONNIER
Le cycle saisonnier d’un lac peut être schématisé de la façon suivante :

- Été. La masse d’eau présente une stratification caractéristique, avec une zone supérieure chaude et riche en oxygène (épilimne) et une zone inférieure plus froide et pauvre en oxygène (hypolimne), séparées par une zone de transition, appelée thermocline, dans laquelle on assiste à une variation rapide de la température et de la teneur en oxygène ;

- Automne. La température, généralement comprise entre 4 et 10 °C, présente des valeurs uniformes sur toute la masse d’eau, ce qui permet la réoxygénation des couches profondes ;

- Hiver. Il se forme une mince couche d’eau superficielle, avec des températures comprises entre 0 et 4 °C, qui « flotte » sur les couches inférieures qui, par contre, gardent des températures d’environ 4 °C ou un peu plus élevées. Ce type de stratification s’appelle stratification thermique inverse par comparaison avec la stratification estivale ;

- Printemps. À la fin de l’hiver, le Soleil chauffe l’épilimne et toute la masse d’eau atteint la même température. Pendant cette phase, le brassage de l’eau (et donc sa réoxygénation) est dû principalement à l’action des vents et des seiches (oscillations du niveau lacustre causées par les variations de pression atmosphérique associées à des vents soufflant dans une direction constante).

CLASSIFICATION DES LACS
Selon la présence et le type de stratification, les lacs sont classés en :

- Dimictiques. Lacs ayant une double stratification, typiques des régions tempérées ;

- Monomictiques. Il n’y a pas de double stratification, il n’y a qu’une seule circulation, estivale dans les régions polaires, et hivernale dans les régions chaudes ou subtropicales ;

- Polymictiques. Lacs dont les eaux sont presque toujours circulantes, typiques des hautes altitudes équatoriales ;

- Oligomictiques. Lacs où la circulation est presque complètement absente, typiques des zones tropicales ;

- Méromictiques. Lacs présentant une stratification permanente caractéristique, mais d’origine non thermique (saline par exemple).

Il est évident que les processus de stratification sont importants du point de vue proprement physique et du renouvellement des eaux, et du point de vue de la biologie du bassin lacustre (variations de la teneur en oxygène dissous). En effet, l’épilimne, bien oxygéné et éclairé, est riche en plancton, soit phytoplancton soit zooplancton, tandis que l’hypolimne contient généralement peu d’oxygène. Lorsque la thermocline se trouve au-dessous du niveau de pénétration de la lumière, ce qui arrive souvent, la production d’oxygène photosynthétique est inhibée ; par conséquent, il peut se créer sur le fond des conditions d'anoxie.

LES OCÉANS
Si l’on observe la Terre de l’espace, notre planète apparaît blanche et bleue. Blanche du fait des nuages qui l’enveloppent ; bleue, du fait des mers et des océans. Les océans occupent 71 % de la surface terrestre et peuvent atteindre plus de 11 000 m de profondeur. Ils sont constitués de trois grands bassins principaux, Pacifique, Atlantique et Indien, qui s’étendent à des bassins secondaires et à des mers adjacentes.

L’Arctique, un océan plus petit, est presque toujours couvert de glace. De plus, il existe toute une série de mers adjacentes : la mer des Caraïbes, la Méditerranée et la mer Noire, la mer d’Oman et la mer Rouge, la mer de Chine, la mer du Japon, la mer de Timor, la mer de Beaufort, la mer du Nord.

LES GRANDS FONDS DE L’OCÉAN
Morphologie
Si l’on imagine un profil idéal représentant la section d’un océan, depuis les zones côtières jusqu’aux plus grandes profondeurs, on peut reconnaître, à partir des zones continentales, les différents types morphologiques :

- bande côtière ;

- plate-forme continentale ;

- talus continental ;

- bassin océanique ;

- dorsales océaniques ;

- fosses océaniques ;

- structures indépendantes :
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