Revoir la théorie sur la matière à enseigner est souvent une étape chronophage pour l’enseignant : chercher dans les manuels, voir ce que différents sites proposent (encore faut-il que ces sites se basent sur des sources pertinentes et fiables), etc.
L’objectif de cette section est de vous proposer un condensé des ressources théoriques essentielles pour faire face aux questions de vos élèves.
D’un point de vue didactique, revoir ces notions théoriques vous permettra également de repérer plus efficacement les difficultés de compréhension chez vos élèves ! Il vous sera alors plus facile d’y remédier.
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- Le cycle naturel de l’eau
Évaporation
Condensation
Précipitation
Infiltration - Le réseau anthropique de l’eau
Comment le changement climatique affecte notre eau potable
Différence entre Traitement des eaux et Station d’épuration
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1. Le cycle naturel de l’eau
Le cycle naturel de l’eau comprend plusieurs processus, qui se passent en même temps, avec des intensités variables et à différents endroits. Par exemple, l’évaporation se fait aussi bien depuis les océans, que depuis les lacs ou même les zones forestières (ce que l’on nomme alors “évapotranspiration”) mais les flux ne sont pas égaux et les “réservoirs” ne sont pas de même capacité.
Les différents processus vus durant cette séquence sont : évaporation, condensation, précipitations et infiltration.
L’évaporation
C’est le passage lent et progressif d’un état liquide à un état gazeux. Ce processus se réalise lorsque l’énergie (solaire, température ambiante, etc.) est suffisante pour briser certains liens inter-moléculaires. L’évaporation se fait en dépit de la température et n’a pas besoin d’arriver au point d’ébullition. Lorsque l’eau s’est évaporée, elle est sous forme de vapeur d’eau : invisible, incolore et inodore. C’est bien la vapeur d’eau qui détermine le taux d’humidité de l’environnement ; et qui détermine par extension la météo et à une plus grande échelle le climat.
L’évaporation se fait généralement au niveau de toute surface : océans, mers, lacs, bassins, eaux stagnantes, etc. mais elle se passe aussi au niveau des forêts, bois et bocages, car l’énergie solaire fait “transpirer” les plantes”, ce que l’on nomme alors évapotranspiration ; libérant également de la vapeur d’eau dans l’atmosphère.
Lors de ce processus, l’eau se débarrasse de ses impuretés : sel, boue, débris, etc.
Attention : l’eau n’est pas pour autant potable ! De nombreux éléments chimiques peuvent également s’évaporer (par exemple l’ammoniac rejeté dans l’eau par les élevages), par la suite créant des pluies acides lorsque la vapeur d’eau se condense.
La vapeur d’eau s’observe dans de rares cas, selon un angle de vue et une luminosité spécifique (à la manière dont nous ne voyons pas les poussières en suspension dans l’air, mais nous les voyons parfois sous un certain angle, avec la présence du soleil).
La condensation
C’est le processus selon lequel l’eau passe de forme gazeuse à une forme liquide. Celui-ci dépend de deux facteurs : la température et la pression atmosphérique.
Lorsque la vapeur d’eau rencontre une masse d’air ou une surface froide (généralement en altitude car globalement, plus on monte, plus il fait froid), la chute brusque de température équivaut à une perte soudaine d’énergie (cinétique des molécules). Les molécules d’eau présente sous forme de gaz (vapeur d’eau) sont alors contraintes à revenir à un état qui correspond à cette perte d’énergie : l’état liquide. En continuant notre logique, une perte suffisante d’énergie (cinétique des molécules) équivaudrait alors à revenir à un état solide (ou les molécules ne bougent presque pas). La perte totale de cette énergie étant le « zéro absolu » : la température la plus basse pouvant être atteinte.
Pour que l’eau passe d’un état à un autre, elle est donc dépendante de l’énergie cinétique de ses molécules qui leur permet ou non de se déplacer entre elles et vibrer. Moins il y a d’énergie, moins les molécules peuvent bouger et vibrer, et donc l’eau se retrouve sous forme solide. En se réchauffant, soit en gagnant de l’énergie, les molécules d’eau peuvent alors davantage bouger et passer à une forme liquide. Si nous augmentons davantage la température, soit si nous donnons encore davantage d’énergie cinétique, les molécules d’eau peuvent alors s’éloigner les unes des autres : l’eau s’évapore.
Dans le cas de la condensation, si l’énergie cinétique moléculaire baisse (soit une baisse de température, de pression ou des deux), alors les molécules d’eau bougent plus lentement et sont contraintes à revenir à l’état précédent (passer du gaz au liquide, par exemple).
Pourquoi l’air se refroidit-il en altitude alors que l’on se rapproche du soleil ?
Comme tout gaz, l’air (et la vapeur d’eau qu’il contient) occupe l’espace qu’on lui donne. À l’altitude de nos classes, au niveau de la mer, la pression atmosphérique est importante. Cependant, à mesure que l’on monte, la pression de l’atmosphère diminue (dû à la force de gravité qui est moindre plus on s’éloigne de la Terre). La même quantité d’air doit alors occuper un plus grand espace : l’air se dilate, ce qui est un processus coûteux en énergie. Rappelons qu’en physique, l’énergie se traduit en autre sous forme de chaleur ! En étant obligé de se dilater, l’air dépense de l’énergie pour se détendre, perd de l’énergie et donc refroidit.
Pourquoi la vapeur d’eau se “condense” t-elle alors qu’en altitude, les molécules sont plus espacées?
Nous l’avons vu, l’air occupe l’espace qu’on lui donne, même si pour cela, il doit se dilater, ce qui lui coûte en énergie et doit donc refroidir. Cependant, cela ne modifie pas sensiblement la composition de cet air ! L’eau (H2O) n’est pas le seul composant chimique à s’évaporer et à être présent dans l’air ambiant.
Rappelons que la vapeur d’eau est comparable au taux d’humidité. Imaginons qu’une masse d’air atteint un taux d’humidité de 100%. L’air est donc saturé. En montant en altitude, nous avons vu que la masse d’air refroidit, car les gaz doivent se dilater, ce qui leur coûte en énergie. La vapeur d’eau (H2O) est obligée de faire de même que les autres composés chimiques présents dans les gaz. De ce fait, sa température baisse, et nous l’avons vu : lorsque la température baisse et que l’énergie diminue, l’eau revient à un stade précédent, moins coûteux en énergie. La vapeur d’eau se transforme donc en liquide : elle se condense ! Ces micro-gouttelettes, n’étant pas assez lourdes pour tomber, restent en suspension dans la masse d’air. En altitude, nous le désignons comme nuage, au niveau du sol : de la brume.
C’est exactement ce que nous pouvons observer avec l’effet de Foehn, avec la formation des nuages, où une masse d’air est obligée de monter en altitude à cause d’un obstacle physique (le plus souvent une montagne). La vapeur d’eau contenue dans cette masse d’air est alors obligée de se condenser (dépendant de son taux d’humidité).
Précipitations
C’est le phénomène météorologique où les gouttes d’eau condensées dans une masse d’air deviennent trop lourdes pour rester en suspension et tombent. Il peut s’agir de liquide (pluie) ou de solide (neige, grêle).
Un nuage n’équivaut pas pour autant à une précipitation ! Nous l’avons vu : si la masse d’air est saturée en humidité (en vapeur d’eau), des micro-gouttelettes sont alors en suspension. Ces micro-gouttelettes doivent devenir assez lourdes pour subir la force de gravité et pour pouvoir tomber. Cela peut se faire à cause de plusieurs déclencheurs : une baisse de température et de pression (d’où en météo les zones de dépression en météo), la quantité de rayonnement solaire, l’importance de la couverture nuageuse, …
L’infiltration
Toute eau de surface, ou de pluie, pénétrant dans le sol ou tout autre substrat perméable. L’infiltration est un processus lent, car la terre est composée de plusieurs couches successives de différents matériaux (sable, roche plus ou moins poreuse, etc.). L’eau absorbée par infiltration fait alors augmenter le taux d’humidité du sol et est en partie utilisée par les plantes. Le reste continue à s’infiltrer dans les profondeurs, très lentement, en occupant tout l’espace vide (cavités, fissures, etc.) et finit souvent par rejoindre des nappes phréatiques.
Chaque sol possède un taux d’infiltration, soit sa capacité à absorber l’eau. Si l’eau de surface ou de pluie dépasse ce taux d’infiltration, cela provoque un phénomène de ruissellement.
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2. Le réseau anthropique de l’eau
De nombreux facteurs humains influencent nos réserves en eau potable.
Les plus directs sont par exemple l’agriculture et l’élevage intensif. L’agriculture à elle seule consomme 70% de nos ressources en eau douce. L’utilisation de pesticides, quant à elle, est responsable de la pollution de nos nappes phréatiques, qui constituent une grande part de nos ressources en eau potable !
L’élevage intensif n’est pas non plus sans reste, puisque les animaux nécessitent une quantité considérable d’eau tous les jours (environ 150 litres/jour par animal). Il s’agit de la consommation directe en eau douce, car en effet, le plus coûteux reste la production de légumineuses et de céréales nécessaires à l’alimentation des animaux d’élevages… ce qui représente 70% de notre activité agricole.
Les nappes phréatiques sont elles aussi mises en danger par cette activité, les épandages se répandant souvent sur des zones de plus en plus importantes (à cause des pluies torrentielles, par exemple) contaminant l’eau potable. L’ammoniac est également rejeté dans les eaux de surface (fleuves, rivières) et finit par s’intégrer au cycle naturel de l’eau, provoquant des pluies acides.
L’agriculture et l’élevage intensif sont responsables également de la disparition de zones tropicales, pourtant essentielle dans la régulation du climat de notre planète. Comme nous pouvons le constater, les interdépendances sont partout.
En plus de cet impact direct des activités humaines, il existe un impact plus global à travers le changement climatique.
Le changement climatique en lui-même, n’est pas juste une question de “réchauffement” qui assécherait nos ressources en eau potable. Il s’agit d’une modification à long terme de notre climat, ce qui se caractérise par des phénomènes météorologiques de plus en plus extrêmes. Les petites pluies d’été se transforment en pluies torrentielles provoquant des inondations, comme nous pouvons nous en souvenir en Juillet 2021, où une partie conséquente des communes liégeoises étaient sous eau.
Comment peut-on manquer d’eau, si nous avons trop de pluie et des inondations ?
Alors que les pluies habituelles laissent le temps à l’eau de s’infiltrer dans le sol, les eaux des pluies torrentielles, elles, glissent dessus. Presque aucune infiltration n’est possible, ce qui conduit à des inondations. Nous pourrions aussi ici invoquer des facteurs adjuvant comme : la bétonisation et construction des surfaces normalement réservées aux bocages et forêts, l’apanage de zones forestières pour l’agriculture intensive dont les racines des cultivations retiennent moins efficacement l’eau qu’une forêt, etc. Les causes sont nombreuses et ne peuvent être représentées ici dans toute leur complexité.
D’autres impacts du réchauffement climatique sur l’eau potable :
- Feux de forêt et sécheresse qui diminuent les eaux de surfaces,
- Les températures élevées qui augmente la prolifération de bactéries et germes dans l’eau, rendant par ailleurs cette eau moins riche en biodiversité,
- La fonte des glaciers qui est un réservoir et une ressource en eau potable,
- Élévation du niveau de la mer et contamination de l’eau douce par l’eau salée,
- Etc.
Pour en savoir plus, nous vous conseillons les excellentes ressources de CIEAU, sur les conséquences du réchauffement climatique, ainsi que l’eau comme une ressource finie.
Différence entre Traitement des eaux et Station d’épuration
Nous confondons souvent les deux, ce qui veut dire qu’il en sera certainement de même pour nos élèves ; pourtant leur fonction est différente.
La Station d’épuration a pour mission de dépolluer les eaux usées (urbaines, pluies, industrielles, etc.) afin de pouvoir les rejeter dans la nature. Les eaux usées sont rassemblées dans les égouts, qui constituent la “source” des stations d’épuration.
Le traitement des eaux ou Usine d’eau potable, a pour mission de rendre l’eau consommable et sans danger pour les humains. Le processus est donc plus exigeant, bien que non nocif pour les humains ! La “source” de ces usines est souvent un captage dans un réservoir naturel (nappe souterraine, aquifère, etc.) ou d’eau de surface (barrage, rivière, etc.).
Si vous n’avez pas la possibilité de réaliser une visite d’une station d’épuration ou de traitement des eaux avec vos élèves, des alternatives sont possibles !
Nous vous en proposons quelques unes ici, notamment avec une visite virtuelle.