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© Dominique Galiana © Maud OGER Dans un lac suffisamment profond (plus de 40 m), il se forme des couches d’eau ou strates de températures différentes. En été, la couche de surface ou , © CNRS Photothèque - EUZEN Agathe © CNRS Photothèque - ZUBERER Frédéric © Dominique Galiana © CNRS Photothèque/CEBC - GUINET Christophe © Maud OGER © Dominique GALIANA © Dominique Galiana © Dominique Galiana © CNRS photothèque - DELHAYE Claude L’eau, une substance originale ? Qu’est-ce que de l’eau pure ? Où se trouve l’eau dans la nature ? Nom : eau Formule : H 2 O La molécule d’eau est formée de deux atomes d’hydrogène reliés à un atome d’oxygène. C’est une substance qui n’est composée que de molécules d’eau. A l’état naturel, l’eau pure n’existe pas ! On peut en fabriquer dans les laboratoires lorsqu’on fait réagir à l’aide d’une étincelle, deux volumes de dihydrogène gazeux (H 2 ) avec un volume de dioxygène gazeux (O 2 ) comme l’avait fait Lavoisier en 1785. On trouve de l’eau dans les océans, les glaciers, les lacs ou les rivières, mais aussi dans les sols, dans certaines roches et dans les êtres vivants. Cette eau peut être douce, salée ou saumâtre, c’est-à-dire contenir plus ou moins de sel. Les océans représentent 97 % de la quantité d’eau présente sur notre planète. Température d’ébullition à pression normale Température de fusion à pression normale Masse d’un litre d’eau selon la température Particularités 100°C 0°C 1 kg environ La valeur du paramètre appelé minéralisation est indiquée sur l’étiquette ou les résultats des analyses. Elle est exprimée en milligramme par litre. Nous ne pouvons pas consommer de l’eau pure car cela nous rendrait malade : la pureté dont parlent parfois 1 L’eau douce liquide ne représente que 0,75 % environ de la quantité d’eau présente sur Terre. On la trouve : en surface dans les lacs, les étangs, les marais ou les rivières en profondeur dans les rivières ou GLACIERS COURS D’EAU, LACS ET EAUX SOUTERRAINES 0,75 % 2,25 % Cas rare, le solide (la glace) est les publicités n’existe pas. L’eau les lacs souterrains et dans les roches entre plus léger que le liquide (l’eau) La densité maximale de l’eau est atteinte lorsque sa température est proche de 4°C 1 6°C 12°C d’alimentation est en fait une solution car elle contient des ions. Cependant elle ne doit pas en contenir trop et pas n’importe lesquels. Le paramètre 2 3 4 les particules ou dans des fractures MERS ET OCÉANS 97 % 2 appelé minéralisation ou résidu sec permet de connaître la quantité d’ions épilimnion est la plus chaude. La couche la plus profonde ou hypolimnion n , la plus dense, est à une température proche de 4°C. 4°C dissous dans l’eau. Une solution est constituée d’un solvant dans lequel on dissout un soluté. Les ions magnésium, calcium, nitrate, mais aussi des gaz comme le dioxygène ou le gaz carbonique sont des solutés. L’eau Leau est un solvant universel. 1 Soluté 2 Solvant (eau) 3 Dissolution 4 Solution La répartition des différents réservoirs d’eau en pourcentage Des pôles dans la molécule d’eau D’où vient l’eau présente sur Terre ? Pourquoi la mer est-elle salée ? La molécule d’eau est polarisée. En effet, les charges électriques qu’elle comporte ne sont pas réparties uniformément sur la molécule : les atomes d’hydrogène portent une petite charge positive et l’atome d’oxygène une légère charge négative. Mais la molécule d’eau est électriquement t neutre. + - + Essentiellement des roches qui l’ont libérée. Il y a 4 milliards d’années, des éruptions volcaniques intenses provoquent le rejet de gaz et de vapeur d’eau qui constituent l’atmosphère primitive de la Terre. Celle-ci se refroidissant, l’eau de l’atmosphère se condense et tombe sous forme de pluies pendant des millions d’années. C’est ainsi que l’océan primitif de la Terre s’est formé. Des apports d’eau sont aussi dus aux comètes qui se sont écrasées sur la Terre et qui sont constituées d’environ 80 % d’eau. Car elle contient du sel majoritairement constitué de chlorure de sodium (assemblage d’ions Na + et Cl - ). La mer a reçu de grandes quantités d’ions sodium issus de la surface rocheuse de la Terre lors des premières pluies, il y a environ 3,7 milliards d’années. Les ions chlorures proviennent des éruptions volcaniques qui ont eu lieu il y a 4 milliards d’années. Depuis, un équilibre s’est établi entre : les quantités d’ions chlorure et sodium provenant de l’altération des roches continentales et transportés par les rivières et les fleuves les pertes par réaction chimique, par sédimentation des particules dans les fonds marins ou par cristallisation dans les bassins où l’eau s’évapore Qu’est-ce que le cycle de l’eau ? La vie est-elle née dans l’eau ? Comment un être vivant utilise l’eau ? Les transformations et la circulation de l’eau à l’échelle de la planète permettent de définir le cycle de l’eau dont le moteur est l’énergie reçue du Soleil. Les effets de ce cycle se font sentir de l’équateur aux pôles et participent à l’établissement et à la régulation du climat mondial. es chercheurs pensent que les premiers êtres vivants sont nés dans l’eau, voici 3,5 milliards d’années. Là, ils étaient à l’abri des radiations dangereuses émises par le Soleil et qui n’étaient pas filtrées par l’atmosphère primitive. Aujourd’hui, tous les êtres vivants présentent un stade de développement aquatique (œuf, larve, embryon…) même ceux qui vivent dans les déserts. Les besoins des êtres vivants terrestres vis-à-vis de l’eau sont variables et conditionnent leur répartition dans les écosystèmes. Les végétaux terrestres puisent l’eau dont ils ont besoin principalement dans le sol mais aussi dans l’atmosphère. Les animaux dépendent beaucoup plus de réservoirs comme les lacs, les étangs ou les flaques. La circulation océanique mondiale courant chaud en surface courant froid en profondeur 1 Les masses d’eau mises en mouvement Les végétaux sont capables au niveau de la calotte glaciaire et de la ’évolution de l’atmosphère de capter l’eau disponible qui banquise permettent une redistribution terrestre, notamment sous entoure les grains constitutifs de l’énergie solaire. Une partie de la chaleur captée par l’eau au niveau de l’équateur est ainsi véhiculée vers l’influence des gaz fabriqués par les premiers êtres vivants, a permis à ceux-ci de sortir de l’eau 2 1 du sol. Certains végétaux et certains animaux peuvent aussi utiliser la les pôles. Sans ces mouvements, les conditions climatiques seraient beaucoup plus extrêmes sur la Terre. et de coloniser progressivement le milieu terrestre. Mais au cours de l’ évolution, certains organismes terrestreses (des végétaux, des Dans le sol, on trouve de l’eau libre 1 qui circule entre les grains solides et alimente les nappes phréatiques. On trouve aussi de l’eau liée 2 . Une partie de cette eau est disponible pour les racines des végétaux et pour vapeur d’eau atmosphérique. Des orchidées et d’autres épiphytes (plantes qui vivent sur d’autres végétaux) utilisent l’humidité 2 mammifères ancêtres des dauphins et des baleines…) sont retourn rnés les êtres vivants du sol comme les lombrics, des insectes et divers invertébrés du sol. L’autre partie est indisponible car trop liée aux grains constitutifs du sol. de l’air grâce à leurs racines particulières. © Dominique GALIANA Au niveau de l’équateur, la chaleur provenant du Soleil provoque une intense évaporation océanique. L’air chaud et humide, moins dense que l’air froid, s’élève. En montant, il se refroidit. La vapeur d’eau qu’il contient se condense, elle forme des nuages et la pluie finit par tomber. Sur les continents, cette pluie modèle les reliefs en les érodant. Elle donne naissance àd des nappes souterraines et tàd des cours d’eau. C’est ainsi i que l’eau retourne àl la mer. L’eau de mer se renouvelle en 40000 ans. © CNRS Photothèque/CEBC - GUINET Christophe au milieu aquatiqu que. Racine des orchidées Les racines 1 des orchidées sont revêtues d’une gaine 2 qui ressemble à une éponge. Celle-ci absorbe l’eau et les ions minéraux, qui ruissellent sur la plante lui servant de support, mais aussi leau l’eau de l’atmosphère. Climats variés Les reliefs et le type de végétation, entre autres, conduisent à une inégale répartition de l’eau dans les écosystèmes : certaines zones sont très humides alors que d’autres sont désertiques. Les prélèvements humains d’eau, l’irrigation ou la déforestation modifient de façon plus ou moins importante le cycle local ou régional de l’eau et peuvent être à l’origine de catastrophes souvent qualifiées de « naturelles » comme des inondations ou des sécheresses. Adaptations à la vie aquatique La vie en milieu aquatique nécessite des adaptations particulières chez les végétaux comme chez les animaux. Les êtres vivants aquatiques sont souvent dépourvus de structure de soutien (squelette ou tissus spécialisés pour les végétaux). Le milieu étant un milieu dense, il est plus difficile de s’y déplacer que dans l’air (formes hydrodynamiques pour diminuer la résistance). L’eau absorbant en partie la lumière, l’efficacité de la photosynthèse des végétaux aquatiques est supérieure à celle des végétaux terrestres. Enfin, la concentration en dioxygène étant plus faible dans l’eau que dans l’air, les branchies des animaux permettent de capter très efficacement l’O 2 dissous pour la respiration. Point de flétrissement Les racines des végétaux captent sans difficulté l’eau liée au sol. Mais lorsque celle-ci se raréfie, le point de flétrissement est atteint : le végétal fane. La pression de succion exercée par les cellules des racines n’est alors pas suffisante pour que l’eau très fortement liée passe du sol vers les tissus de la plante qui meurt de soif.
© CNRS Photothèque - GUMIAUX Charles © Dominique GALIANA 1 KILO DE MAÏS = 240 LITRES © Sahara Nature - Fotolia.com La gerbille ne boit jamais. Pour vivre en milieu aride, elle utilise l’eau des aliments qu’elle 1 KILO DE POMME DE TERRE = 590 LITRES 1 KILO D’ALUMINIUM = 1 250 LITRES 1 LITRE DE LAIT = 3 LITRES 1 KILO DE PAPIER RECYCLÉ = 1 à 10 LITRES 1 LITRE DE BIÈRE = 25 LITRES 1 AUTOMOBILE = 10 000 LITRES © Christophe SEVRETTE © Dominique GALIANA © Maud OGER © Maud OGER © chandelle - Fotolia.com PLUIE RUISSELLEMENT CHLORE CHLORE GÉNÉRATEUR É D’OZONE + CHAUX © Dominique GALIANA © Dominique GALIANA © dusk - Fotolia.com © Maud OGER DIVERS 12% BAIN 39% CUISINE 6% BOISSON 1% VAISSELLE 10% SANITAIRE 20% 12% Comment vivre avec peu d’eau ? Quelles ressources en eau pour l’Homme ? Quels sont les besoins en eau ? Les êtres vivants survivent en faisant des économies d’eau qui leur permettent de croître et se multiplier jusque dans les déserts les plus arides. C’est le résultat d’adaptations qui sont apparues et ont été sélectionnées au cours de l’évolution. Les ressources en eau douce sont limitées au niveau mondial : elles représentent moins de 3 % du volume d’eau total de la Terre. De plus, ces ressources sont très inégalement réparties à la surface du globe. En France, la ressource en eau est abondante mais elle n’est pas disponible dans toutes les régions de la même manière et elle varie suivant les saisons. Il faut la gérer avec parcimonie. En 3 France, 35 milliards de m d’eau sont pompés On distingue classiquement les besoins en eau pour dans le milieu naturel par an. Cela représente un l’agriculture, l’industrie, la production d’eau potable et la production d’énergie (notamment nucléaire pour le peu moins d’un tiers de la ressource disponible refroidissement des centrales). sous forme de précipitations, pluies et neige Chaque année en France, 35 milliards de m 3 d’eau principalement. A l’échelle de la France, 75 % de sont pompés. Une partie importante de ce volume l’eau est prélevée dans les eaux souterraines contre (29,4 milliards de m 3 ) retourne rapidement dans le milieu 25 % dans les eaux de surfaces, lacs et rivières. naturel. Les 5,6 milliards de m 3 restant, ou part consommée, n’y retourne que très lentement. 42 % sert à la production d’eau potable et environ 10 % est consommée dans l’élaboration Lorsqu’il pleut, environ la moitié de l’eau de produits industriels. de pluie est absorbée par les végétaux. De la Pour capter le peu d’eau disponible, les cactus disposent d’un réseau de racines très étendu. Ils stockent de l’eau dans leurs moitié restante, une petite partie ruisselle à tissus. Enfin, pour éviter l’évaporation, les cactus sont revêtus d’une couche de cire imperméable et les feuilles ont évolué en épines. la surface du sol et rejoint un ruisseau ou un La consommation d’un ménage est en moyenne de cours d’eau. Une grande partie s’infiltre dans le sol et alimente une nappe phréatique. L’eau 150 L d’eau par jour dont 93 % est utilisée pour l’hygiène et le nettoyage. est alors stockée dans les pores et les fractures des roches. Parfois, elle peut rejoindre des Chacun peut, individuellement contribuer à économiser la ressource en eau grâce à un La répartition des êtres vivants dans un écosystème est conditionnée par la quantité d’eau disponible rivières et des lacs souterrains. Dans certaines régions françaises, l’eau du comportement responsable. Il suffit par exemple de préférer prendre une douche plutôt qu’un bain. D’importantes consomme et l’eau produite par les réactions chimiques qui se déroulent dans ses cellules. Ses urines sont très concentrées et ses crottes contiennent très peu d’eau. localement. La rose ne peut survivre dans le désert parce que sa physiologie et ses structures ne sont pas adaptées à la vie en milieu aride. Le cactus, lui, peut vivre et se développer dans ce milieu. La circulation de l’eau en surface et dans le sol sous-sol n’est pas ou peu disponible car elle n’est pas facilement accessible. C’est le cas lorsqu’il existe une nappe mais qu’elle est très profonde. C’est le cas aussi lorsque l’eau est stockée dans les fractures des massifs rocheux souterrains qui sont difficiles à trouver. 1 LINGE économies peuvent être réalisées en améliorant la qualité des réseaux de distribution d’eau potable mais aussi en agissant dans les domaines de l’agriculture et de l’industrie. Les besoins en eau de l’être humain Le corps humain contient 60 à 70 % d’eau. Nous perdons de l’eau lorsque nous transpirons et lors de l’excrétion (expulsion des urines et des excréments). Cette eau doit être renouvelée par la boisson et l’eau des aliments. On considère qu’il faut boire régulièrement et absorber environ 1 L d’eau par jour. Mais cela dépend des individus et du mode de vie. L’âge de l’eau Sous le bassin parisien, de l’eau circule depuis 20 000 à 30 000 ans dans les roches Crétacé de l’Albien-Néocomien. La source Alizée (eau minérale) située dans le Loiret a été datée à 30 900 ans (+/- 7 400 ans). En Bretagne, l’eau des nappes phréatiques (entre 0 et 25 m de profondeur) traverse le bassin versant en 10 à 20 ans en moyenne. Eau virtuelle Consommer des légumes, des fruits ou de la viande d’importation, c’est consommer de l’eau virtuelle. Lorsqu’un pays comme le Maroc produit des melons et qu’il les expédie à l’étranger, il exporte aussi l’eau constitutive de ces fruits. Cela contribue à diminuer les ressources hydriques du pays exportateur. Quels usages pour l’eau ? Comment rendre l’eau potable ? Qui gère l’eau en France ? Artois-Picardie L’ agriculture est le secteur qui consomme le plus d’eau en France pour arroser les plantes et abreuver le bétail. Mais l’eau joue aussi un rôle essentiel dans le domaine industriel où il faut refroidir, dissoudre, laver ou purifier des substances. Pour produire 1 kg de maïs, il faut environ 240 L d’eau apportés sous Dans l’industrie, l’eau peut être une matière première qui entre dans la forme de pluie et d’arrosage. Une partie de cette eau est transpirée par composition d’un produit de consommation. Elle est alors consommée. L’ eau pompée dans le milieu naturel, appelée eau brute, n’est pas toujours potable. Il faut donc la traiter dans une installation spécialisée. En fin de traitement, l’eau est injectée dans le réseau de distribution. Elle doit alors satisfaire à tous les critères de qualité prévus par la loi. L’ eau brute est pompée dans une rivière ou Seine-Normandie Loire-Bretagne Adour-Garonne Rhin-Meuse Rhône- Méditerranée- Corse Tous les usagers de l’eau, collectivités territoriales, associations, professionnels de l’eau et représentants de l’Etat, participent à l’élaboration d’une politique de gestion au sein de comités de bassin. Les agences de l’eau ou agences de bassin, qui correspondent aux bassins hydrographiques des grands fleuves français, ont pour mission de mettre en œuvre cette politique de gestion. Il existe 6 agences de l’eau en France métropolitaine. la plante et rejetée sous forme de vapeur. Il s’agit d’une consommation, car cette eau ne retournera dans la nappe d’où elle a été tirée qu’au bout d’un temps long. Par contre, sa qualité n’est pas dégradée. L’eau non consommée rejoint par gravité la nappe phréatique ou la rivière et peut transporter des pesticides, des nitrates… L’eau est aussi utilisée comme outil pour laver, chauffer et purifier. Elle peut alors contenir des molécules indésirables ou toxiques. Il faut la purifier avant de la restituer au milieu naturel. Quantités d’eau nécessaires à la fabrication de produits de consommation une nappe souterraine. Elle est acheminée vers une station de potabilisation où elle passe d’abord dans un filtre (dégrillage) qui élimine les grosses particules en suspension. Un produit est parfois ajouté entraînant le reste des matières en suspension vers le fond (c’est la floculation). Après CHÂTEAU D’EAU 1 8 2 7 6 SULFATE D’ALUMINE SILICATE DE SOUDE 4 3 Les 6 agences de l’eau du territoire métropolitain. Le Comité de bassin donne un avis sur le taux des redevances qui financent les agences de l’eau élabore le Schéma Directeur d’Aménagement décantation, l’eau clarifiée est filtrée puis 5 REJET DE BOUES et de Gestion de l’Eau (SDAGE) et suit son chlorée à raison d’une goutte pour 1 000 L soit cinq baignoires. L’ajout de chlore est indispensable et permet de maintenir la exécution valide les contrats de rivière, de baie, de lac, de nappe 2 qualité bactériologique de l’eau tout au long de son voyage dans les canalisations. L’eau potable est ensuite acheminée vers un château d’eau. De là, elle est distribuée chez les particuliers. Différentes étapes du traitement de potabilisation d’une eau 1 Filtrage grossier sur grille 2 Stérilisation par injection de chlore ou stérilisation dans des réacteurs à ozone 3 Coagulation des matières flottantes par des réactifs chimiques 4 Décantation 5 Filtration sur lit de sable 6 Stérilisation à l’ozone 7 Filtration sur charbon pour éliminer les matières organiques, les toxines, les goûts et les odeurs indésirables 8 Adjonction de chlore pour éviter les contaminations ultérieures met en œuvre la Directive Cadre Européenne sur l’eau (DCE) donne son avis sur toute question intéressant la gestion de l’eau dans le bassin : projets d’ouvrages, aménagements ou programmes d’action Le bassin versant Les bassins gérés par les agences sont des bassins hydrographiques ou grands bassins versants. Il 1 etc. s’agit d’une zone où toutes les précipitations convergent vers un même fleuve ou exutoire 1 . Ces structures géographiques g sont délimitées par une crête formant une ligne de partage des eaux 2 . Le coût de l’eau Il est d’environ 3,5 euros pour 1 000 L soit 1 m 3 d’eau. Il dépend directement de la disponibilité de Goutte à goutte ou micro-irrigation la ressource et de la qualité de l’eau brute pompée. Plus celle-ci est mauvaise, plus le traitement de potabilisation doit être poussé, plus le coût est élevé. L’eau du robinet coûte environ 200 fois moins cher que l’eau minérale en bouteille. Cette méthode d’irrigation consiste à laisser s’écouler l’eau lentement et en petite quantité vers les racines des plantes. Ceci permet d’éviter un arrosage excessif et l’évaporation. La consommation d’eau est alors considérablement réduite.
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