Les connaissances dans ce domaine en Europe commencent vers 1400 et le cycle est totalement décrit vers 1800[1]. Toutefois, Xénophane de Colophon (-580/-475), un des tout premiers philosophes de l'Antiquité, a, selon le témoignage d'Aétius, décrit assez correctement une partie de ce cycle :« C'est de la chaleur du soleil, comme cause principale, que proviennent tous les météores. Celui-ci pompe l'humidité de la mer ; l'eau douce, en raison de sa légèreté, se sépare, puis se résolvant en brouillard, forme les nuages ; par suite de l'épaississement la pluie tombe, à moins qu'elle ne se dissipe en vents. »[citation nécessaire]
La quantité d'eau sur la planèteTerre est constante. Les grands réservoirs d'eau sur Terre sont, par ordre décroissant de volume :
l'eau salée liquide desocéans, de loin le réservoir le plus important[a] ;
lesglaciers etcalottes glaciaires dont l'eau est stockée pour un temps sous forme de neige ou de glace. Leur fonte est plus ou moins importante suivant les variations du climat ;
Le temps de résidence de l'eau dans un réservoir correspond à la durée moyenne pendant laquelle une molécule d'eau y reste avant de passer vers un autre réservoir. Le temps de résidence de l'eau est de 9 jours dans l'atmosphère, de quelques mois dans lessols et dans leréseau hydrographique, de quelques dizaines d'années dans leslacs et lesglaciers de montagne, de 3 200 ans dans lesocéans, de 10 000 ans dans lesnappes d'eaux souterraines profondes et de 20 000 ans dans lacalotte glaciaire antarctique[2].
Les enveloppes terrestres contiennent de l’eau en quantités variables : surtout dans leseaux de surface, moins dans lalithosphère et en faible quantité dans l’atmosphère et labiosphère.
Chauffées par lerayonnement solaire, les eaux de surface, s'évaporent. L'eau rejoint alors l’atmosphère sous forme de vapeur d’eau. L'évaporation dépend de la quantité d'eau disponible, dudegré de saturation en vapeur de l'air, du vent, de l'ensoleillement, de la température, etc. L'évapotranspiration potentielle définit le flux d'eau qui peut être évaporé.
Lorsque l'atmosphère n'est passaturée en eau, une partie des précipitations est immédiatement évaporée (Interception des précipitations). Cette évaporation peut également continuer après l'épisode pluvieux si l'atmosphère n'est toujours pas saturée. Cette évaporation est d'autant plus efficace qu'on est proche de la surface du sol. La reprise évaporatoire apparaît ensuite s'il subsiste dans l'atmosphère une zone non saturée. Elle est favorisée par laremontée capillaire.
Ensuite, la transpiration des végétaux intervient, on parle d'évapotranspiration. Le cycle décrit ci-dessus est essentiellement géochimique. En réalité, les êtres vivants, et plus particulièrement lesvégétaux, ont une influence sur le cycle. Lesracines des végétaux pompent l’eau du sol et en relâchent une partie dans l’atmosphère. De même, une partie de l’eau est retenue dans les plantes.
Desnuages peuvent se former lorsque l'atmosphère estsaturée en vapeur d'eau (qu'elle atteint lepoint de rosée). Ils sont constitués de minuscules gouttes d’eau ou de particules de glace en suspension. Lorsque les gouttes atteignent une taille importante, elles tombent sous forme de précipitations :pluie,neige,grêle ourosée.
La totalité de la lame d'eau évaporée à l'échelle mondiale retombe sous forme de précipitations, principalement sur les océans (pour 7/9) et en partie sur les continents (pour 2/9).
L’infiltration, à travers les fissures naturelles des sols et des roches
Lapercolation, en migrant lentement à travers les sols
Plus le processus est lent, plus les eaux ont le temps d’interagir chimiquement avec le milieu qu'elles traversent. Au contraire, plus le processus est rapide, plus les phénomènes d’érosion seront marqués. Cela dépend aussi de la qualité du support rocheux et des interactions souterraines (hydrogéologie).
Par l’infiltration et la percolation dans lesol, l’eau alimente lesnappes phréatiques (souterraines). Elle traverse alors lazone vadose, partie du sous-sol non saturée, entre la surface et les nappes phréatiques.
Selon lesixième rapport d'évaluation du GIEC, le réchauffement de l'atmosphère lié auchangement climatique provoque une intensification du cycle de l'eau, notamment car l'atmosphère peut contenir plus d'humidité à mesure que sa température s'accroît (formule de Clausius-Clapeyron). Il en découle desprécipitations et uneévaporation accrues. En particulier, les précipitations extrêmes ont vu leur fréquence et leur intensité croître au-dessus des terres émergées depuis 1950 (confiance élevée),probablement en conséquence du réchauffement d'origine anthropique, qui est aussi à l'origine d'une hausse dessécheresses (confiance moyenne)[4].
Ladéforestation, lespratiques agricoles dominantes et l'urbanisation ont pour effet d'augmenter le ruissellement, car non seulement les racines ne retiennent plus les sols qui n'absorbent donc pas les précipitations, mais les sols eux-mêmes qui absorbent aussi les eaux de pluie sont déstructurés (humus), .
Cela peut avoir pour conséquence de rendre lesinondations plus fréquentes.
Le prélèvement de l'eau dans lesnappes peut ne pas avoir de conséquence s'il respecte le quota d'eau apportée par les pluies qui atteindra la nappe. Il est à noter que les nappes profondes sont rechargées par la météo de plusieurs décennies voire de plusieurs siècles et que les nappes superficielles se rechargent en général très rapidement (quelques jours, quelques mois ou quelques années).
L'irrigation par des canaux ou par recouvrement est une méthode qui utilise le détournement de l'eau et l'apport d'eau en grande quantité sur une durée très courte. Cette méthode consomme beaucoup d'eau, contrairement à des systèmes d'aspersion (pivots, enrouleurs, quadrillage, etc.) ou de goutte à goutte qui apportent l'eau en plus faible quantité. Un exemple fort d'irrigation par canaux est celui qui a entraîné la baisse du débit des fleuves et l'assèchement de lamer d'Aral. Toutefois cette méthode d'irrigation a prouvé qu'elle peut apporter de l'eau dans des milieux en déficit naturel, voire de réalimenter fortement des nappes phréatiques[5] comme en Provence ou ce système ancestral réalimente en permanence les masses d'eau souterraines.
Lorsqu'on détourne l'eau d'une mer intérieure par des canaux qui utilisent davantage d'eau que celle de la croissance végétale, on fait évidemment baisser le niveau de la mer intérieure. Cet exemple ne doit pas servir d'argument pour pomper les nappes phréatiques en se justifiant par la réduction du gaspillage grâce à la technique du goutte à goutte. L'eau des cours d'eau est le surplus, non absorbé par le sol et la végétation, des eaux d'un bassin versant dont le débit varie tout au long de l'année. Détourner l'eau des cours d'eau qui se jettent dans les grands océans est différent et n'est pas aussi grave que la même action sur ceux qui se jettent dans une mer intérieure.
Le cycle de l'eau n'est pas seulement dû au soleil comme le décrit cette page, mais l'eau qui s'infiltre dans l'écorce terrestre ne peut pas descendre plus bas que le magma le permet. Autrement dit, l'eau souterraine n'est pas seulement arrêtée par une surface imperméable mais aussi par des contre-pressions d'une activité d'un cycle de l'eau « magmatique ». Ce cycle de l'eau magmatique fait tourner l'eau dans l'écorce terrestre par des fentes et espaces souterrains en transportant chaleur et matière dissoute. En fait, on peut dire que le cycle de l'eau comprend deux cycles de l'eau superposés qui ont une frontière (débit échangé : zéro). Ces deux cycles de l'eau solaire et magmatique, ou atmosphérique et souterrain profond, échangent des volumes d'eau par lesgeysers, lessources d'eau chaude et minérales qui sont des remontées « directes » du cycle profond dans le cycle atmosphérique. Réciproquement, le cycle de l'eau atmosphérique redonne ces volumes par infiltration de l'eau le long des cours d'eau. L'eau des précipitations n'est pas répartie uniformément dans le temps et dans l'espace. De plus, la nature des sols ne permet pas de recharger les nappes sur toute la surface du territoire. Une grande partie du territoire garde lespluies en surface pour être repris par la croissance végétale ou ruisseler directement vers les cours d'eau. Le rechargement des nappes se fait donc rarement lors de pluies significatives et sur les zones inondables et donc temporaires et partielles. Par contre, les rivières ont un rôle de rechargement permanent de l'eau souterraine sur la surface de leurs lits mineurs.
L'eau restée stockée dans des réservoirs naturels est caractérisée par un temps moyen de résidence, de durée variable : il est estimé en moyenne à « 9,5 jours dans l'atmosphère, 17 jours dans les rivières et 1,8 an dans les sols, 30 ans dans les lacs d'eau douce, 3000 ans dans l'océan, et de près de 10 000 ans dans certains glaciers »[7].
Le cycle de l'eau aux échelles géologiques est plus complexe que le modèle ci-dessus. Au cours de sa longue existence, 4 milliards d'années, la Terre a perdu un quart de son eau[8]. Si les molécules d'eau, H2O, sont trop lourdes pour s'échapper directement dans l'espace (voiréchappement atmosphérique), elles peuvent se décomposer sous diverses actions chimiques et bio-chimiques en molécules d'oxygène et d'hydrogène (voirméthanogenèse,photosynthèse). L'hydrogène, beaucoup plus léger, s'échappe facilement dans l'espace. La composition chimique de l'atmosphère joue donc un rôle important dans l'histoire de l'eau terrestre.
↑Le bilan présenté ici ne prend pas en compte l'eau stockée dans lemanteau terrestre, sous forme dissoute dans les « minéraux nominalement anhydres ». Compte tenu de son volume, le manteau pourrait contenir une quantité d'eau comparable à celle des océans, mais la concentration moyenne de l'eau dans les roches du manteau est encore très mal connue. Le bilan ignore aussi l'eau contenue dans lenoyau externe, qui pourrait être le principal réservoir de l'eau terrestre[3].
↑Yann l'Hôte, « Historique du concept de cycle de l’eau et des premières mesures hydrologique en Europe »,Hydrologie Continentale,vol. 5,no 1,,p. 13-27(lire en ligne)
↑Cathy Dubois, Michel Avignon, Philippe Escudier,Observer la Terre depuis l'espace. Enjeux des données spatiales pour la société, Dunod,, 256 p.(lire en ligne).
