L'EAU SUR LA TERRE - LE CYCLE DE L'EAU

Les caractéristiques de l'eau sur Terre.

L'eau est un élément remarquable à tous points de vue

• Elle est fluide et coule facilement, ce qui lui permet d'être présente sur les surfaces continentales.

• L'eau est un excellent solvant pour un grand nombre de composés.

• L'eau est transparente dans le domaine visible, ce qui permet au rayonnement de pénétrer jusqu'à des profondeurs assez importantes. Cette propriété est essentielle pour le développement du phytoplancton.

• Sa capacité calorifique est importante, notamment si on la compare à celle des substances d'usage courant (métaux par exemple). Cette capacité calorifique agit comme un régulateur de température dans les régions maritimes.

• Les chaleurs latentes de vaporisation et de fusion de l'eau sont importantes. Il est donc nécessaire de fournir des quantités d'énergie importantes pour vaporiser de l'eau liquide ou faire fondre de la glace. L'eau se déplace facilement et peut absorber ou relâcher de grandes quantités d'énergie en changeant de phase. Elle permet donc de disposer d'un moyen efficace de transport de l'énergie.

• La masse volumique de l'eau est maximum à la température de 4°C.

Inventaire de l'eau sur Terre.

La surface de la Terre est constituée par des continents et des océans dans des proportions de 29% et 71%. La hauteur moyenne des continents est de 800 mètres, mais la profondeur moyenne des océans est de 4 000 mètres.
Les deux principaux réservoirs d'eau sont les océans et les calottes polaires.

La répartition globale de l'eau est la suivante :

• océans : 97,2 % ;
• calottes polaires et glaciers : 2,15 % ;
• continents : 0,6%.

On constate que les lacs, les fleuves, les rivières et la vapeur d'eau de l'atmosphère ne constituent qu'une fraction faible du contenu terrestre en eau. La glace des calottes polaires occupe un volume important. Si toute cette glace fondait, le niveau de la mer s'élèverait de 60 mètres.

Le cycle de l'eau

L'eau de mer est salée

La salinité de l'eau de mer, c'est-à-dire la masse de sels par kg d'eau salée est en moyenne de 3,5 %. Cette proportion varie entre 3,2 et 3,8%.

Constante de temps de résidence de l'eau océanique.

Le débit en volume de l'écoulement d'eau de la terre vers la mer est de 36 x 10³ km³ par année. On peut donc définir une constante de temps de résidence de l'eau océanique en effectuant la division suivante :

t = volume de l'océan / débit de l'écoulement terre‑mer         (5)

t = (1350 x 10⁶ km³) / (36 x 10³ km³ par année)

t = 37 500 ans                                   (6)

On peut également évaluer le temps de résidence d'une molécule d'eau dans une calotte glaciaire. On obtient une valeur comparable au temps de résidence dans le réservoir océanique. Le processus de perte est lié principalement à la fusion des glaciers et à la formation d'icebergs à l'endroit où la banquise rencontre la mer. Dans le passé, des périodes de glaciation ont existé à plusieurs reprises au cours desquelles l'étendue de la calotte glaciaire a été beaucoup plus grande qu'à présent. Le maximum de la période glaciaire la plus récente s'est produit il y a 18 000 ans. La couverture de glace recouvrait les îles britanniques, la péninsule scandinave, une bonne partie de la Sibérie, tout le Canada et une partie des États‑Unis actuels. Le volume total de glace n'était pas de 29.10⁶ km³ comme actuellement, mais de 73 x 10⁶ km³, soit plus du double.
Le niveau des océans était situé environ 100 mètres plus bas que le niveau actuel, Ce fait a été confirmé par la découverte de grottes sous-marines qui ont été occupées par des hommes au paléolithique.

De la glace dans le régolite lunaire

La présence de glace sur la Lune a été suggérée dès 1961 par trois planétologues de Caltech (Watson, Murray et Browrn) car il existe sur ce satellite des régions qui ne sont jamais éclairées par le Soleil. L'inclinaison des rayons solaires varie peu car le Soleil fait toujours avec le plan équatorial lunaire un angle inférieur à 1,6°. En d'autres termes, il n'y a pas de saisons sur la Lune. Dans ces conditions, la vitesse de sublimation de la glace peut être extrêmement faible, surtout si la glace se trouve mélangée au régolite lunaire. Il est donc possible qu'il en existe encore une certaine quantité, si de la glace a existé un jour sur notre satellite.

L'annonce de la découverte probable de glace près du pôle Sud par la sonde Clémentine lancée en 1994 a donc suscité un extrême intérêt dans la communauté. Le paramètre caractéristique est le taux de polarisation du rayonnement électromagnétique émis par l'émetteur de la sonde tourné vers la surface de la Lune, réfléchi par la surface et reçu par un radiotélescope terrestre. La comparaison avec les échos obtenus en d'autres endroits de la Lune ne présente pas la même augmentation du taux de polarisation.

Une tentative de confirmation de cette détection a eu lieu en 1998 avec le spectromètre à neutrons de la sonde Lunar Prospector. Cet instrument détecte les neutrons éjectés de la surface lunaire sous l'effet de l'impact de rayons cosmiques.
L'instrument ne permet pas de détecter de la glace d'une manière directe, mais il a permis de confirmer les résultats obtenus par Clémentine, à savoir la présence probable de glace dans le sol de certains cratères situés dans les régions polaires.

Il a été possible de donner une estimation de la quantité de glace pouvant se trouver dans ces régions : de 10 x 10⁶ à 300 x 10⁶ tonnes.
Les surfaces couvertes seraient comprises entre 1 000 et 50 000 km² au pôle Nord et 5 000 et 20 000 km² au pôle Sud. Si la présence de glace était confirmée, elle permettrait d'envisager la construction d'une base scientifique sur la Lune. Certains experts ont déjà estimé que, grâce à cette quantité de glace, 2 000 personnes pourraient séjourner sur notre satellite naturel pendant un siècle. On peut aussi imaginer que la glace permettrait de fabriquer par électrolyse de l'hydrogène et de l'oxygène pour servir de carburant et envoyer des sondes dans le système solaire.