L'air et l'eau, deux fluides essentiels

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L’air et l’eau sont les deux fluides fondamentaux pour la vie. L’Homme en a un usage biologique quotidien, mais il en exploite aussi l’énergie. Cependant, il est bien difficile de prédire le comportement de l’environnement ! Découvrez les secrets de phénomènes météorologiques comme les orages, les tornades ou El Niño dans ce dossier concocté par René Moreau, professeur émérite mécanique des fluides, pour Futura Sciences.

Il est possible d’observer les comportements de l’air et de l’eau à différentes échelles : de la plus petite manifestation, comme un flocon de neige, au gigantesque cyclone. Entre les extrêmes, il y a les phénomènes de la dépression atmosphérique, des nuages, de la pluie, des marées et des vagues.

 Rivage de Tasmanie, à Bicheno, en Australie. L’air et l’eau y modèlent le paysage. JJ Harrison, Wikipédia, cc by 3.0

Une simple promenade ou bien le journal télévisé peut susciter de nombreuses interrogations. Pourquoi le ciel est-il bleu ? Pourquoi y a-t-il du sel dans la mer ? Quel mécanisme peut engendrer un orage, une tornade ou un tsunami ravageur ? L’été prochain sera-t-il caniculaire ou, au contraire, fort doux ?

C’est ainsi que les phénomènes observables dans l’air et l’eau peuvent, suivant les cas, nous émerveiller ou nous terrifier, comme le typhon Haiyan, aux Philippines, qui a fait plus de 5.000 morts cet automne. Mais ces phénomènes peuvent aussi nous aider quand on en récupère la force, pour la discipliner ou la transformer.

Dans ce dossier, rappel sur la nature de l’atmosphère et des explications concernant l’origine de certains phénomènes météorologiques comme les courants-jets, la grande circulation océanique ou El Niño. Des exemples de la façon dont on transforme l’énergie fournie par l’air et l’eau seront aussi abordés. Ces pages sont extraites de l’ouvrage L’air et l’eau.

Futura Sciences 24/1/2014

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On peut définir simplement l’atmosphère comme la couche d’air qui entoure le globe terrestre, pour ne s’intéresser qu’à notre planète. Reste que derrière sa transparence, elle cache bien des mystères.

L’atmosphère au repos possède une structure en couches concentriques concentriques. La photographie ci-dessous permet de distinguer la troposphère en bas, où la température décroît linéairement avec l’altitude, la stratosphère plus haut, où la température remonte en raison de la chaleur dégagée par l’absorption du rayonnement ultraviolet, et tout en haut la transition vers l’espace qui demeure d’un noir absolu.

 Photographie de l’atmosphère au lever du Soleil réalisée par un équipage de la Nasa, depuis la Station spatiale internationale en juin 2011. Compte tenu de l’échelle, les couches bleutées représentent la stratosphère, où une strie de couleur bleue plus intense correspond à la couche d’ozone. Les couches rougeâtres au-dessus du sol encore non éclairé représentent la troposphère. Nasa

La connaissance que nous avons de tous les phénomènes présents dans cette atmosphère, et même au-delà, provient des ondes qui la traversent : le son et la lumière. Leurs propriétés respectives permettent aux images de nous parvenir avant les bruits, au ciel de bleuir en milieu de journée et de rougir le soir.

Au-delà de la lumière visible, le Soleil nous envoie toute la fraction de son rayonnement dirigé vers la Terre, dont une partie, l’albédo, est réfléchie vers l’espace avant d’atteindre le sol. Seul le complément, de l’ordre de 240 W.m-2, parvient au sol et la température moyenne de la planète, voisine de 15 °C, est telle que son propre rayonnement vers l’espace équilibre ce rayonnement reçu. Compte tenu de l’effet de serre, la Terre doit rayonner à 390 W.m-2 au niveau du sol pour que 240W.m-2 parviennent effectivement dans l’espace (voir figure plus haut).

Principales contributions au bilan thermique de la Terre. L’effet de serre représente la partie du rayonnement émis par le sol interceptée par l’atmosphère et renvoyée ver le sol (150 W.m-2). Grenoble Sciences

Futura Sciences 24/1/2014

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La circulation atmosphérique comporte une partie organisée et des instabilités. Son unique moteur est l’ensoleillement, qui atteint son maximum au voisinage de l’équateur.

Dans la région de l’équateur, le sol est chauffé intensément par rayonnement et, à son tour, il échauffe l’atmosphère par conduction et convection. Localement, l’air est donc allégé ; il est soulevé et crée une dépression qui aspire horizontalement l’air situé tout autour. Ces courants sont déviés vers l’ouest (voir figure ci-après) par la force de Coriolis et constituent les vents alizés. Ils donnent naissance au courant d’est équatorial, tellement lent (environ 20 km/h) que les navigateurs parlent de «pot au noir».

 Illustration du mécanisme moteur des vents alizés, du mouvement ascensionnel résultant de l’allégement de l’air surchauffé et du courant d’est équatorial. Notons que cette zone d’ensoleillement maximal, puisque la Terre effectue une révolution par 24 heures autour de son axe, se déplace très vite vers l’ouest (sa vitesse par rapport à un observateur terrien est de l’ordre de 1.600 km/h). Elle est aussi très vaste (tache surchauffée d’une envergure de l’ordre de 5.000 km). La vitesse du vent d’est ainsi engendré est considérablement plus faible, de l’ordre de 20 km/h. Grenoble Sciences

Arrivé au niveau de la tropopause (limites supérieure de la troposphère et inférieure de la stratosphère), le courant ascensionnel, asséché et refroidi, a perdu de sa force en luttant contre la pesanteur. Il ne peut pas pénétrer dans la stratosphère, très stable, qui recouvre la troposphère comme une sorte de couvercle. Il conserve cependant son débit massique, ce qui lui impose de poursuivre sa route, vers le nord dans l’hémisphère nord, vers le sud dans l’hémisphère sud. 

Ce faisant, encore soumis à la force de Coriolis, ce mouvement d’air voit ses trajectoires s’orienter vers l’est, du côté nord comme du côté sud. De la Terre, on voit ainsi un courant d’ouest prendre naissance dans chaque hémisphère, souvent désigné par son nom anglais de «jet-stream» (voir ci-après). Ce vent de haute altitude est quant à lui très rapide (environ 300 km/h). Pour économiser le carburant, les vols transatlantiques vers l’Amérique le contournent par le nord, tandis que les vols vers l’Europe le recherchent.

 Allure schématique des vents dans la cellule de Hadley lors des équinoxes, quand elle est centrée sur l’équateur. Le courant d’est équatorial, lent et assez stable, est figuré par les flèches droites ; le courant d’ouest, ou courant-jet (jet stream), présent en haute altitude aux latitudes tropicales, beaucoup plus rapide et plus instable, est représenté par les flèches ondulées. Ces vents se combinent en formant une circulation en double hélice, dont la cellule de Hadley proprement dite est la projection dans le plan méridien. Grenoble Sciences

La grande vitesse du courant-jet permet de comprendre ses instabilités, à l’origine de dépressions atmosphériques aussi importantes qu’aléatoires. Les dépressions sont porteuses de vents tournants, c’est-à-dire de rotations relatives superposées à celle de la Terre.

 Photographie du cyclone Floyd au large de la Floride, prise depuis un satellite de la Nasa le 14 septembre 1999 à 12 h 59 TU. Ce cyclone tropical a fait 57 morts et provoqué des dommages pour un montant évalué à 4,5 milliards de dollars. Hal Pierce, GOES satellite, NOAA

Ces vents sont dits «cycloniques», puisque la force de Coriolis leur impose de tourner dans le même sens que la Terre. Au-dessus des mers chaudes, certains peuvent se développer en cyclones puissants et dévastateurs (voir figure plus haut).

Futura Sciences

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L’atmosphère, où l’eau se manifeste sous ses trois états possibles (gazeux, liquide et solide), peut être sujette à de violents caprices tels que l’orage, accompagné d’éclairs et de tonnerre, ou la tornade.

Avant d'évoquer les origines du phénomène orageux, on peut commencer par admirer un autre phénomène atmosphérique qui en signale l'accalmie, l'arc-en-ciel (voir photo ci-dessous).

 Arc-en-ciel primaire et arc-en-ciel secondaire, photographiés par René Moreau à Grenoble au-dessus du parc Paul Mistral, le 5 avril 2012. Noter l’inversion de l’ordre des couleurs entre les deux arcs et la moindre netteté de l’arc secondaire. René Moreau

La plupart des orages se forment lorsqu’un nuage est soumis à un soulèvement qui le transporte à une altitude où la température est nettement plus basse. Le nuage aspire alors à sa base de l’air chaud et chargé d’humidité, s’organise en cellule convective avec en son sein de fortes différences de densité. Celles-ci amplifient considérablement l’agitation convective, ce qui permet au nuage d’atteindre de hautes altitudes où les basses températures favorisent la condensation de l’eau, la formation de grosses gouttes puis leur chute en averses abondantes. 

L’orage apparaît lorsque, dans ces nuages fortement agités entre la phase gazeuse légère et ascendante et la phase liquide constituée de gouttes beaucoup plus lourdes entraînées vers le sol par gravité, les frottements sont suffisants pour engendrer une ionisation de l’air accompagnée d’éclairs et de tonnerre (dans le nuage électriquement neutre, les charges électriques positives et négatives se séparent).

 La différence de potentiel à l’origine de la foudre peut produire un plasma, ce qui cause une expansion explosive de l’air. L’éclair vu par un observateur résulte de la dissipation de ce plasma. Philippe Dessante, cc by nc 2.0

L’évaporation de la pluie tombée sur le sol provoque son refroidissement progressif et celui des couches d’air voisines, réduisant ainsi la cause de l’orage : présence d’air chaud et humide dans un environnement plus froid. À moins qu’un apport d’air chaud et humide extérieur ne compense ce refroidissement local, la fin de l’orage est dès lors annoncée.

Lorsqu’une masse nuageuse assez lourde effectue une rotation suffisante, la cellule convective décrite précédemment peut évoluer en tornade, dont la structure se caractérise par un tube d’axe presque vertical tourbillonnant du nuage au sol ou à la mer, sans que cela affecte son caractère orageux. Ce tourbillon est appelé «tuba». Des circonstances assez exceptionnelles sont nécessaires pour que, dans la partie basse de la cellule orageuse, une sorte de toupie se forme et descende au contact du sol, en concentrant très localement à la fois la rotation prélevée alentour et la charge en gouttes (voir figure ci-après). Ce phénomène est dévastateur.

 Organisation interne d’une cellule orageuse raccordée au sol par une tornade. Même si les échelles ne sont pas rigoureusement respectées, noter la petite taille de la tornade (hachures grises) par rapport à celle des courants ascendant et tournant (couleur bleue et pâle). La longueur de la tornade peut être de 10 à 100 m, l’épaisseur totale de la masse nuageuse de 5.000 m. Le diamètre de la tornade peut être de 2 à 10 m, alors que celui du courant ascendant peut atteindre 100 m. Grenoble Sciences

Capricieuses ou non, les dépressions atmosphériques amènent les précipitations dont la prédiction est assez sûre quelques jours à l’avance, mais très incertaine à des échéances d’une dizaine de jours.

Futura Sciences

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(Ce passage devrait fortement intéresser mon petit-fils qui se posait la question : comment les avions tiennent en l'air? et lui apporter des réponses complémentaires à celles qu'il a recherchées ou que nous lui avons fournies.)

Quotidiennement, la troposphère est parcourue par des milliers d’avions, qui transportent des millions de passagers. Parmi eux, très peu comprennent comment ces lourds appareils peuvent voler sans même battre des ailes.

On peut savoir que la poussée des réacteurs compense la traînée (ou résistance du fluide environnant à l’avancement de l’objet) et permet à l’appareil de pénétrer dans l’air, mais la portance est beaucoup moins familière. Cette force est capable, grâce à des structures tourbillonnaires remarquables, d’équilibrer le poids (voir figure ci-dessous), et de faire voler l’avion.

Allure schématique de l’écoulement d’air autour d’une aile d’envergure finie avec une circulation à la vitesse Γ, invariante le long du grand tourbillon comme des tourbillons marginaux aux extrémités de l’aile. Noter le sens du courant d’air vertical induit par les tourbillons marginaux : ascendant à l’extérieur, descendant à l’intérieur. Grenoble Sciences

Le bruit des avions, souvent assourdissant au voisinage des aéroports, s’explique lui aussi à partir des tourbillons. La corde d’une guitare et la lanière d’un fouet émettent un son en agitant les molécules d’air qui les entourent, il en est de même des ailes volantes ou tournantes et de la projection des réacteurs. Le bruit assourdissant est généré par les vibrations, auxquelles sont associés des tourbillons instationnaires. Indispensables à la portance, ceux-ci se déplacent très rapidement autour de l’aile de l’avion ou la pale de l’hélice. Par suite, leurs dépressions instables secouent l’air environnant et les perturbations ainsi engendrées se propagent à la vitesse du son. Sauf cas exceptionnel, cette vitesse est plus élevée que celle du déplacement du tourbillon qui a engendré la secousse. En conséquence, le bruit peut se propager dans toutes les directions, y compris à l’amont de la source émettrice, c’est-à-dire à l’avant de l’avion.

Lorsque l’avion vole à une vitesse supersonique, c’est-à-dire supérieure à la célérité des ondes sonores, celles-ci ne peuvent pas atteindre les régions situées à l’amont de l’avion, tout simplement parce que l’avion va plus vite. Il existe alors une sorte de frontière entre les régions que le son peut atteindre et celles qui sont hors de sa portée. Cette frontière est appelée « onde de choc » (voir figure ci-après). Pratiquement fixe par rapport à l’appareil et concentrant l’énergie dans une très petite aire, elle est extrêmement bruyante.

Représentation schématique de l'onde de choc, qui limite le cône de Mach, autour d'un avion en vol supersonique (Ma > 1). Grenoble Sciences

En vol supersonique stabilisé, l’avion est en réalité accompagné de deux ondes de choc, l’une partant de son nez et du bord d’attaque des ailes, l’autre partant du bord de fuite de l'empennage arrière (voir photo ci-après). On peut considérer que l’air situé entre ces deux ondes accompagne l’avion à sa vitesse supersonique, sauf à grande distance de chaque côté, et que la seconde restaure des conditions normales subsoniques à l’aval. L’oreille ne distingue pas les deux chocs sonores, extrêmement proches, mais perçoit un bruit unique, couramment appelé «bang des avions supersoniques». Pour un article plus général, voir Configuration générale d'un aéronef.

Photographie d’un avion F-22 Raptor de l’armée de l’air américaine en vol supersonique, réalisée depuis le porte-avions USS John C. Stennis. La condensation de l’eau forme des nuages qui servent de marqueurs des zones en dépression. Le nuage triangulaire principal représente le cône de Mach le plus important, formé à partir du bord d’attaque de l’aile. On note aussi les traînées nuageuses où se condense la vapeur d’eau issue des réacteurs situés près des extrémités des ailes. Charles Mc Cain, Flick, cc by nc 2.0

L’expression «mur du son», qui n’a pas de réalité physique, a été introduite par les premiers pilotes qui tentaient de dépasser la célérité des ondes sonores et qui ressentaient alors un durcissement des commandes de leur appareil lors de la transition subsonique-supersonique.

Futura Sciences

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Observée depuis l’espace, la surface de la Terre paraît principalement recouverte par les océans, qui occupent environ 71 % de la surface totale. La caractéristique chimique de ces grandes étendues salées tient au fait que l’eau douce apportée par les fleuves, les rivières et les précipitations en ressort par évaporation alors que tous les éléments dissous et toutes les suspensions s’y accumulent (d'où l'importance de limiter la pollution...).

Depuis la formation des océans, un équilibre a été atteint entre ces apports en éléments chimiques variés et leur fixation dans les sédiments des fonds marins, de sorte que la composition chimique de l’eau des océans, notamment en sel, demeure assez stable. Les océans constituent ainsi un milieu continu où l’eau, notre autre fluide vital après l’air, séjourne pendant des durées extrêmement longues.

 Rivages2012 15/11/2012

Chauffée par le rayonnement solaire dans les plus hautes couches, l’eau est soumise à de constants échanges thermiques par conduction et convection avec l’atmosphère. L’agitation par les vagues et la turbulence parvient alors à homogénéiser la température dans les premières dizaines de mètres (entre 0 et -50 m). Au contraire, dans les grandes profondeurs (au-dessous de -120 m), les échanges sont limités à la conduction pure et deviennent nettement plus faibles, de sorte que l’appellation approximative d’un «milieu au repos» est justifiée, même si des courants profonds extrêmement lents, couplés aux courants de surface, amplifient faiblement la conductivité thermique apparente de l’eau des profondeurs. Entre ces deux zones, il est d’usage de distinguer une couche assez mince (entre -50 et -120 m) nommée «thermocline», où la température chute d’environ une dizaine de degrés, avec des variations saisonnières significatives, puisque la température de surface change sans que celle des couches profondes varie (voir figure ci-dessous).

 Distribution de température en Méditerranée en fonction de la profondeur, avec mise en évidence de la thermocline et de ses variations saisonnières. D’après Levitus et al., 1994, World Ocean Atlas, NOAA

Ce milieu continu, dense et fluide que constituent les océans est parcouru par des courants organisés, quasi permanents, dont l’importance sur la météorologie et le climat est considérable, en raison de la très grande capacité calorifique et de l’inertie de cette masse immense. Le chauffage direct de l’eau de mer par le Soleil concentré dans les régions tropicales, et responsable des hautes températures des eaux situées au-dessus de la thermocline, est le moteur de la circulation atmosphérique. C’est en retour que les vents ainsi engendrés entraînent les eaux de surface par frottement et installent la lente et puissante circulation océanique.

 Cagira66 1/5/2008

Voici comment s’organise le tronçon du nord de l’océan Atlantique. Les vents alizés engendrent le courant d’est équatorial, lequel entraîne vers l’ouest la couche superficielle de l’océan. Alors que, dans l’atmosphère, ce vent d’est fait le tour de la planète sans rencontrer d’obstacle incontournable, les eaux marines poussées aussi vers l’ouest sont nécessairement détournées par les continents. 

Dans l’océan Atlantique nord, les eaux sont entraînées vers les côtes nord-américaines, avec une déviation systématique vers la droite, donc vers le nord, due à la force de Coriolis. Les eaux de surface, chaudes et légères, en provenance du cap Vert partent ainsi en direction de la Floride, qui s’oppose à la suite de leur parcours vers l’ouest. Cet obstacle arrête le courant marin en engendrant une suppression, accompagnée d’une élévation du niveau de la mer suffisante pour que ce courant puisse être détourné vers l’est, mais conservant la quantité de mouvement acquise dans la direction nord.

 Circulation thermohaline globale à travers les océans. Couleur orange pour le courant de surface, couleur bleue pour le courant de fond. Les nombres font référence aux divers tronçons commentés dans le livre L’air et l’eau. Grenoble Sciences

Nous suivons ainsi une boucle caractéristique de la circulation thermohaline, celle qu’on appelle le Gulf Stream et qui est repérée sur la figure ci-dessus par le chiffre 1 (l’adjectif «thermohaline» signifie que cette circulation est fortement dépendante des variations de la densité de l’eau liée à la température et à la salinité).

 La circulation thermohaline mondiale correspond au couplage de plusieurs cellules de convections océaniques et participe à la redistribution de la chaleur  Luis Fernández García CC-BY-SA-3.0-migrated

 redhairpowerful 8/5/2011

Futura Sciences

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Ce «vaste réservoir de la nature» qu’est la mer, comme l’a dit Jules Verne, n’est pas toujours tranquille. On peut aussi voir la mer «danser» comme dans la chanson de Charles Trenet. Marées et vagues mènent cette danse.

En 12 heures, la Lune parcourt environ la moitié de son ellipse autour de la Terre, avec une trajectoire un peu différente chaque jour.

La durée moyenne entre deux pleines lunes est de 29 jours 12 heures 44 minutes et 2,9 secondes soit environ 29,53 jours. Looxix CC-BY-SA-3.0-migrated

Considérons un premier instant où la Lune se trouve au zénith sur la rive d’un océan. Elle attire et soulève l’eau au voisinage de cette côte, en provoquant un abaissement du niveau sur l’autre rive, par conservation de la masse. Quelques heures plus tard, le soulèvement se produit sur cette autre rive où la Lune est maintenant apparue et, réciproquement, le niveau baisse là où il était le plus élevé au premier instant. On comprend alors qu’à l’échelle des océans, soit une dizaine de milliers de kilomètres, une oscillation puisse s’installer, déplaçant des masses colossales et engendrant des vitesses assez élevées, relativement faciles à évaluer.

 Petite houle dont l’amplitude augmente en arrivant dans une région d’eau peu profonde, pour finir par déferler. SIDS1, cc by nc 2.0

Le balancement des marées apparaît donc comme la réponse des océans à l’excitation périodique qu’est la force d’attraction exercée sur leur masse liquide par la Lune et par les autres astres assez proches, comme le Soleil.

 Mécanismes des marées (bleu clair) : maximales lorsque le Soleil (S), la Terre (T) et la Lune (L) sont alignés (position 1), et minimales lorsque l’axe Terre-Lune est orthogonal à l’axe Soleil-Terre (position 2). Grenoble Sciences

Dans la partie sud-est de l’océan Pacifique, le Courant de Humboldt ramène vers les latitudes tropicales des eaux froides en provenance de l’Antarctique, le long des côtes chiliennes. Au contraire, sa partie sud-ouest, proche de l’Australie, est assez chaude. À des latitudes voisines du tropique du Capricorne, au-dessus de la surface du Pacifique, l’air de l’ouest est donc plus chaud que celui de l’est et une cellule convective, dénommée cellule de Walker (figure ci-dessous, en haut), est ainsi entretenue par convection naturelle.

 Illustration de l’interaction entre la cellule de Walker et le phénomène El Niño. En haut, la cellule de Walker est active, elle accentue le courant d’est équatorial et pousse les eaux chaudes vers la côte ouest de l’océan Pacifique. En bas, la cellule de Walker s’est effondrée et divisée, les eaux chaudes accumulées à l’ouest de l’océan Pacifique refluent vers l’Amérique centrale à l’est. Les flèches fines montrent le déplacement de la thermocline. D’après TAO Project Office (directeur : Michael J. McPhaden), PMEL, NOAA

En raison de mécanismes complexes qui font encore l’objet de discussions parmi les spécialistes, la cellule de Walker perd périodiquement de son intensité, au point de disparaître et de se configurer autrement. 

Le courant de surface dirigé vers l’ouest de l’océan Pacifique ne peut alors pas se maintenir, et l’équilibre hydrostatique antérieur est détruit. Les eaux chaudes accumulées à l’ouest refluent vers l’est, où elles modifient assez fortement la température en mer et perturbent les courants marins. C’est ce courant chaud, dirigé vers les côtes du Pérou et de l’Équateur, qui est désigné par l’expression «El Niño». 

Anomalies de températures à la surface des océans (en °C) lors d’El Niño en 1997 NOAA / domaine public

La thermocline s’élève à l’ouest et s’abaisse à l’est. Dans la haute atmosphère, la cellule de Walker ne peut pas conserver son organisation, mais se trouve remplacée par deux cellules de plus petite taille (figure précédente, en bas). Cette nouvelle organisation modifie de façon importante le régime habituel marqué par un vent d’altitude venant de l’ouest, régulier et asséché lorsqu’il arrive en Amérique du Sud. La double cellule est au contraire capable de détruire l’anticyclone de l’île de Pâques, assez habituel au milieu de l’océan Pacifique, de se recharger en humidité et d’apporter de fortes précipitations sur l’Amérique du Sud, avec des orages violents et des inondations catastrophiques. La durée du phénomène El Niño est de l’ordre de 18 mois, mais avec une variabilité assez forte et difficile à prédire.

Ce phénomène peut être suivi de son inverse La Niña. Une corrélation est constatée entre les pressions atmosphériques de l’Est et de l’Ouest du Pacifique. Quand elles augmentent à l’Ouest, elles diminuent à l’Est, et inversement. Ce phénomène accélère les vents de surface d’Est en Ouest, du Pérou jusqu’en Indonésie ou il diminue en période El Niño.

1. 2. 3. 1 - Circulation convective normale de Walker. 2 - La diminution des alizés perturbe le cycle de Walker et laisse l'eau chaude se répandre plus à l'Est : c'est El Niño. 3 - Le renforcement des vents étire la zone couverte par la circulation de Walker et la renforce : c'est La Niña NOAA / domaine public

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Sur les continents, le cycle de l’eau se manifeste notamment à travers les fleuves, les rivières et les lacs, naturels ou artificiels. Leurs aspects les plus spectaculaires attirent les promeneurs et attisent notre curiosité.

L’agitation de la surface des torrents de montagne traduit la géométrie très tourmentée de leur lit, formé de gros cailloux. Dès que la profondeur est comparable à la taille des cailloux, tout obstacle se répercute immédiatement sur la surface libre. Chaque caillou se comporte alors comme un seuil. Au contraire, dans un fleuve aux eaux tranquilles, où la profondeur est supérieure à la profondeur critique, une irrégularité du lit ne laisse presque aucune trace à la surface. Pour qu’une grosse pierre ait un effet sur cette surface, il faudrait en effet qu’elle ait une taille du même ordre de grandeur ou plus grande que la profondeur critique hc. Si la hauteur de cette pierre est supérieure à hc, comme c’est le cas des seuils artificiels, elle provoque un brusque changement de régime. L’écoulement devient localement torrentiel au-dessus du seuil et immédiatement à l’aval, puis il retrouve son allure fluviale un peu plus loin, après une sorte de singularité appelée «ressaut hydraulique» (voir figure ci-dessous).

 Schéma d’un ressaut hydraulique dans un canal, avec un régime torrentiel à l’amont et fluvial à l’aval. La région grisée représente les remous qui dissipent une grande partie de l’énergie. Sa longueur est souvent du même ordre de grandeur que la profondeur. La flèche bleue indique la direction de l’écoulement. Les pentes des surfaces libres à l’amont et à l’aval du ressaut, ainsi que celle de la ligne de fond, sont tellement faibles qu’à l’échelle du ressaut, ces lignes peuvent paraître horizontales. Grenoble Sciences

Ces seuils artificiels sont couramment utilisés par les services chargés de l’entretien des cours d’eau ou de la gestion des ressources en eau. Ils permettent de créer des pertes d’énergie sous la forme de forts remous qui réduisent l’érosion des berges et la localisent au voisinage du seuil, régulièrement bétonné et entretenu. Ils facilitent aussi la décantation à l’amont du seuil des matières en suspension entraînées par la rivière. Ils servent encore à mesurer et prédire assez tôt le débit qui arrivera plus tard dans une retenue située en aval.

 Un exemple de courant de ressaut hydraulique qui se manifeste par une onde circulaire stationnaire autour du jet d'eau. Le ressaut se trouve là où le cercle est stationnaire et où la turbulence est visible. James Kilfiger CC-BY-SA-3.0-migrated

De nombreux cours d’eau offrent le spectacle de superbes cascades, dont les sites attirent de nombreux touristes. L’exemple le plus célèbre est, sans conteste, les chutes du Niagara en Amérique du Nord, sur le fleuve Saint-Laurent, visitées chaque année par plus de dix millions de personnes. Toutefois, les petites cascades dans les vallées des massifs alpins ou pyrénéens attirent aussi chaque jour de nombreux randonneurs. Toutes ces cascades, grandes et petites, obligent les services chargés de leur entretien à maîtriser l’affluence des touristes et à effectuer régulièrement des travaux conséquents. Mis à part la beauté de ces sites éclairés par des eaux aux couleurs saisissantes, quelles propriétés remarquables possèdent ces chutes ?

 Les chutes du Niagara attirent des millions de visiteurs chaque année. IronRodArt, Royce Bair Star Shooter, cc by nc 2.0

Du point de vue hydraulique, la propriété la plus notable est certainement la grande vitesse atteinte par chaque tranche d’eau en chute libre. Pour une chute de 100 m, elle est de l’ordre de 45 m/s, pour une chute de 10 m de l’ordre de 14 m/s. Au regard d’un touriste situé à proximité immédiate, ces deux vitesses, respectivement 160 km/h et 50 km/h, semblent vertigineuses. En réalité, le frottement de l’eau dans l’air n’est pas négligeable comme on pourrait le penser, en raison des instabilités de la surface libre. Celle-ci acquiert une forme très complexe d’où sont arrachées de très nombreuses gouttelettes et, avec elles, une quantité de mouvement significative. Elle n’est pas comparable à une paroi lisse, mais plutôt à une paroi rugueuse. La vitesse est donc plus faible que les valeurs données plus haut, qui constituent néanmoins des ordres de grandeur convenables.

Certaines trombes peuvent être spectaculaires.  alban guillien 9/6/2013

L’autre propriété remarquable des cascades est la présence très fréquente d’un brouillard autour de la chute. L’origine de ce nuage, pratiquement posé sur l’eau de la cuvette qui reçoit la cascade, est double. On y trouve d’abord le reliquat des gouttelettes arrachées de la chute après évaporation partielle, limitée par la capacité de l’air environnant à dissoudre la vapeur d’eau. On voit aussi ce nuage se reformer constamment au-dessus de la cuvette qui renvoie en l’air sous la forme d’une trombeune partie significative du débit qu’elle reçoit. La hauteur de cette trombe, qui retombe à son tour dans la cuvette en l’agitant puissamment, peut atteindre plusieurs mètres.

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Les grands barrages permettent de stocker d’énormes volumes d’eau, avec des objectifs variés et souvent complémentaires, comme la lutte contre les crues, l’irrigation, la production d’électricité et le tourisme. Leur développement a remodelé les paysages et leur construction fait toujours l’objet d’âpres discussions, voire de décisions de justice, notamment lorsqu’elle amène à déplacer des populations en changeant leur mode de vie.

Le cas le plus célèbre en France est certainement celui du barrage du Chevril, à Tignes. L’ancien village a été englouti et les habitants relogés aux Boisses, où leur activité n’est plus consacrée à l’agriculture de montagne, mais au tourisme désormais. Le record du gigantisme est détenu par le barrage des Trois-Gorges en Chine.

Barrage des Trois-Gorges en Chine, mis en eau par étapes depuis 2006. Longueur : 2.335 m, hauteur : 185 m, superficie de la retenue : 1.545 km2, puissance installée : 22.500 MW. Christoph Flinkößl

Les parties visibles d’un aménagement de haute montagne dissimulent des organes importants et complexes, dont une description schématique est nécessaire pour permettre de comprendre comment le système global fonctionne (voir figure ci-dessous) et les explications qui s'ensuivent.

Représentation schématique et fonctionnelle d’une installation hydroélectrique de haute chute. Les différents éléments et leur rôle sont expliqués dans le texte. Grenoble Sciences

Partons de la retenue (1) et du barrage lui-même (2), esquissés en coupe et situés à haute altitude. Quelque part sur le parement amont du barrage, ou sur les pentes voisines, se trouve une prise d’eau (3) (les grands aménagements en comportent souvent plusieurs), située ni trop bas pour ne pas emporter trop de boue et de dépôts solides, ni trop haut, sinon seule une faible fraction de la retenue serait utilisable.

 Luc Geoffroy 23/4/2012 (partie 1)

Cette prise d’eau alimente une longue galerie (4) à pente faible, creusée dans les massifs montagneux environnants, qui amène le débit prélevé dans la retenue à proximité de la centrale hydroélectrique. La galerie d’amenée débouche sur une conduite forcée (5) en acier, solidement scellée dans des ancrages rocheux. C’est la conduite forcée, beaucoup plus courte que la galerie d’amenée et de diamètre plus petit, quelques dizaines de centimètres en général, qui encaisse la chute, souvent de plusieurs centaines de mètres, quelquefois supérieure à 1.000 m, et amène le débit à l’entrée des turbines. Pour permettre à l’énorme masse d’eau contenue dans la galerie d’amenée et dans la conduite forcée de s’arrêter lentement, alors que les vannes doivent être fermées rapidement, la solution consiste à prévoir une cheminée d’équilibre (6) à la jonction entre la galerie et la conduite.

Luc Geoffroy 4/7/2012 (partie 2)

Les vannes ( 8 ) sont situées à l’entrée de la centrale (7) immédiatement à l’aval de la conduite forcée. Lorsqu’elles se ferment, l’eau en mouvement lent dans la galerie peut monter dans la cheminée, équipée d’élargissements assez grands pour la stocker tant qu’elle continue d’arriver. L’eau monte ainsi au-dessus du niveau d’équilibre, jusqu’à ce que la différence de pression inversée la fasse redescendre en la refoulant vers la retenue. Des oscillations s’installent, mais la cheminée est conçue de façon à ce qu’elles s’amortissent progressivement, grâce aux étranglements et élargissements dessinés à cette fin. Réciproquement, lorsque les vannes sont ouvertes, l’eau stockée dans la galerie ne peut pas se mettre en mouvement instantanément, c’est donc le volume d’eau de la cheminée qui s’écoule d’abord dans la conduite forcée vers les turbines. De nouveau, des oscillations s’installent avant qu’un régime stationnaire soit atteint.

Le barrage de Tignes (ou du Chevril), son tablier est recouvert d'une fresque (la plus grande du monde) de Jean-Marie Pierret de 18 000 m2 représentant Hercule Philipendula CC-BY-SA-3.0-migrated, CC-BY-SA-2.5, 2.0,1.0

Finalement, dès l’ouverture des vannes ( 8 ), le débit commence à s’écouler dans la turbine (9). À l’aval de la turbine, l’eau passe successivement par un diffuseur (11), qui réduit sa vitesse et récupère l’énergie cinétique restante, puis par le canal de fuite pour déboucher dans le bassin de compensation (12) conçu pour étaler sur des durées assez longues les variations du débit.

Futura Sciences

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À côté du réchauffement climatique, la pollution et le risque de pénurie d’eau douce constituent des menaces qui pèsent sur l’air et l’eau et suscitent de réelles inquiétudes.

Évoquons tout d’abord la pollution de l’air. La première teneur à évoquer est celle des gaz à effet de serre (GES), en grande partie responsables du réchauffement climatique. Hormis la vapeur d’eau, qui est un composant naturel de l’air indispensable aux formes de vie terrestre et qui contribue la première à l’effet de serre, rappelons que le plus abondant GES est le dioxyde de carbone (CO2). Ce gaz est le produit ultime de toute combustion carbonée, solide, liquide ou gazeuse. Sa concentration volumique est de l’ordre de 350 ppmv (parties par million en volume) et s’accroît de 1,3 ppmv par an. On lui attribue actuellement 30 % de l’effet de serre total, à comparer à 60 % pour la vapeur d’eau. D’autres gaz comme le méthane, l’ozone, ou les oxydes d’azote participent à l’effet de serre.

 Pollution aérienne au-dessus de Kuala Lumpur. Les gaz d’échappement des voitures constituent une importante source de gaz à effet de serre. Trey Ratcliff, cc by nc 2.0

L’air porte aussi de nombreuses particules solides ou aérosols, dont la taille va du micron à quelques dizaines de microns, qui demeurent en suspension pendant de longues durées, sur des semaines voire des mois, précisément en raison de leur petite taille. Elles proviennent souvent des suies carbonées rejetées par des combustions incomplètes dans les moteurs Diesel et dans tous les brûlages de bois, sciures et déchets végétaux. Elles ne retombent que lorsque les pluies les drainent. Les particules tombées sur les sols, après avoir été asséchées par l’évaporation, forment à nouveau des poussières microscopiques que les vents turbulents reprennent et remontent dans l’atmosphère. La seule véritable extraction est réalisée par les précipitations océaniques.

Enfin, l’activité industrielle a engendré des pollutions nouvelles, en injectant dans l’atmosphère divers contaminants que l’on n’y trouvait pas auparavant, comme les polluants biologiques, métalliques ou radioactifs.

L’une des origines de la pollution marine est celle du milieu aérien, qui se dépose dans le biofilm présent à la surface des mers. C’est là un des multiples aspects des échanges atmosphère-océan, comme la mise en mouvement de la circulation thermohaline par les alizés, la génération des vagues et la formation des embruns. La nature physicochimique des polluants marins est donc en partie identique à celles des polluants atmosphériques. Leur longue liste comprend toutes les substances rejetées depuis le sol ou dans les océans et souvent liées aux activités humaines, ainsi que celles issues des éruptions volcaniques.

 Côte souillée par la marée noire du Prestige. Les pertes d’hydrocarbures ne sont que des éléments de pollution du milieu marin parmi d’autres. Luis Miguel Bugallo Sanchez, cc by nc 3.0

Les fleuves ajoutent leur contribution, via les eaux de ruissellement sur les terres cultivées, chargées d’engrais et de pesticides, et les rejets des stations de traitement des eaux usées d’origine urbaine, agricole, ou industrielle. Par ailleurs, les véhicules motorisés qui parcourent les mers contribuent pour une part très significative à la pollution de l’air marin. Enfin, tous les incidents et accidents maritimes, pertes d’hydrocarbures ou d’autres cargaisons, rejets de déchets variés, immersions d’épaves, constituent une autre source de pollution. Cet ensemble de pollutions marines s’avère difficile à mesurer et donc à contrôler.

Quelques chiffres essentiels. Le volume des eaux continentales est de l’ordre de 35 millions de km3 (à comparer au volume des océans, environ 1.350 millions de km3). Dans ce volume, l’eau douce disponible pour l’usage humain (salinité inférieure à 3 g/kg) ne représente que 9 millions de km3, soit le quart environ ; elle est essentiellement contenue dans les nappes souterraines. La planète doit alimenter en eau sept milliards d’habitants, qui en consomment environ 42.000 milliards de mètres cubes par an, soit en moyenne 6.000 m3 par habitant. Or, l’évolution démographique tend vers un total de neuf milliards d’individus à l’horizon 2030. Avec le même prélèvement annuel global, la consommation serait alors ramenée à 4.650 m3 par an et par habitant, ce qui représente une réduction d’un quart. Pour apprécier correctement ces chiffres, il faut aussi savoir que les besoins de l’irrigation représentent aujourd’hui 70 % de la consommation d’eau, et qu’ils devraient augmenter de 15 % à 20 % pour que l’agriculture puisse nourrir l’humanité au cours des prochaines décennies.

 L'eau pure joue un rôle majeur dans les cycles de l'oxygène et du carbone comme sur le climat. Ber'Zophus, cc by nc 2.5

Selon l’Onu, le seuil d’alerte pour la ressource en eau douce se situe à 1.700 m3 par an et par habitant. Il apparaît que dans certaines régions désertiques, les populations vivent déjà en dessous de ce seuil, et la désertification, qui concerne aujourd’hui 40 % des terres émergées, devrait encore s’accentuer en raison du réchauffement climatique. Selon l’Onu, l’eau douce pourrait devenir une denrée encore plus précieuse que le pétrole, ce qui a conduit certains commentateurs à la dénommer l’«or bleu».

Dans l’ouvrage L’air et l’eau, je souligne que ces menaces s’expriment à travers des interrogations de nature scientifique, en conséquence de quoi de larges investissements scientifiques sont indispensables pour envisager d’enrayer ces phénomènes néfastes.

Futura Sciences

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Ce livre propose une promenade au lecteur. Celle-ci commence par une présentation de chacun de ces milieux naturels que sont l’air et l’eau, supposés au repos, et se poursuit par l’examen de leurs pulsations incessantes et difficilement prévisibles.

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D’abord centré sur la grande échelle, celle de la planète entière, l’itinéraire se poursuit autour de structures de plus en plus petites, comme les dépressions atmosphériques, les nuages, la pluie, ainsi que les marées et les vagues. Il se prolonge le long de l’immense réseau de cours d’eau qui irriguent les continents, fournissant ainsi l’occasion de comprendre comment fonctionnent des ouvrages comme les barrages, et aussi de s’interroger à propos de leur impact sur les territoires. L’idée centrale consiste à observer des phénomènes naturels et à en proposer des explications relativement simples destinées à un large public soucieux de son environnement.

La majeure partie du texte est accessible à des lecteurs ne disposant pas de connaissances plus avancées que celles du baccalauréat scientifique. Des compléments sont disponibles sur le site Web (pap-ebook) associé au livre, notamment des images en vidéo de la basse atmosphère et des tsunamis récents. Par ailleurs, pour répondre aux attentes de lecteurs possédant déjà une formation scientifique avancée, ce site propose aussi des justifications théoriques et quelques informations sur les techniques expérimentales.

Ce livre est à découvrir aux aux éditions EDP Sciences. Son prix est de 45€ plus 4,50€ de frais d'envoi.


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