Les planétoïdes, comètes et astéroïdes qui ont formé la planète Terre par leur accrétion contenaient toute l’eau de notre planète. Après cette accrétion, qui s'est terminée il y a 4,55 Ga (milliards d’années), la Terre a connu une période intense de dégazage qui a libéré l’eau sous forme de vapeur par l’intermédiaire des volcans. Aussi longtemps que la température terrestre s’est maintenue au-dessus de 100 °C, cette vapeur fut gardée dans l’atmosphère, créant un effet de serre important. Quand la température est descendue sous les 100 °C, la vapeur atmosphérique a condensé pour former les océans. On ne sait trop quand ceux-ci sont apparus, mais on a des évidences de la présence des océans il y a quelques 3,8 Ga comme en témoignent les premières roches sédimentaires, des roches qui nécessitent la présence d’eau pour se former (altération de massifs rocheux, érosion, transport et dépôt des particules, comme nous l'avons vu au point 2.2.2). Une faible quantité de vapeur d’eau est demeurée dans l’atmosphère, suffisamment pour maintenir un certain niveau d’effet de serre (avec le CO2 venant aussi des volcans) sans lequel notre planète serait une boule de glace. Cela explique aussi que la lithosphère et l’asthénosphère contiennent un immense volume d’eau.
La circulation annuelle de l'eau constitue le plus grand déplacement d'une substance chimique à la surface de la Planète. Par les processus de l'évaporation-précipitation et la circulation océanique, l'eau transfère, des tropiques aux pôles, une grande partie de l'énergie calorifique reçue par la Terre et constitue ainsi le régulateur des températures du globe. Ces déplacements de l'eau déterminent les patrons climatiques de notre planète. Autre élément important pour la survie de notre espèce, la quantité d'eau disponible annuellement est le facteur déterminant de la croissance des plantes terrestres et par conséquent influence énormément la productivité primaire. Le ruissellement des eaux continentales transfère les produits de l'altération physique et chimique vers les océans.
On a vu plus haut (point 3.1.1) quel était le bilan hydrologique de la surface terrestre, sur la base du cycle externe précipitation-ruissellement-évaporation. La figure ci-dessous présente le cycle complet (externe et interne) de l'eau à l'échelle du globe terrestre tout entier.
Sur cette figure, les boîtes représentent les réservoirs, les flèches bleues les flux du cycle externe, et les flèches rouges les flux du cycle interne. Selon les conditions de température et de pression, l'eau se retrouve sous trois états: solide, liquide et vapeur.
Le cycle externe est celui qui est observable directement. L'énergie solaire transforme l'eau liquide en vapeur. L'évaporation se fait principalement au-dessus des océans (84%). Les vents et autres mouvements de l'atmosphère redistribuent la vapeur d'eau; celle-ci retombe sous forme de pluie qui, au niveau des continents, ruisselle et retourne à l'océan (section 3.1.1). Comme on l'a vu précédemment, une certaine quantité d'eau est stockée sous forme de glace (section 3.1.2). L'eau (liquide et solide) constitue l'agent essentiel de l'altération et la désagrégation des roches de la croûte terrestre et contribue ainsi au recyclage de plusieurs éléments.
Le cycle interne est celui qui concerne la circulation de l'eau entre l'océan, la lithosphère et l'asthénosphère. Un important volume d'eau s'infiltre dans les pores et les fractures de la couverture sédimentaire sur la lithosphère; on évalue à 330.106 km3 ce réservoir. Un autre volume important d'eau s'infiltre dans les fractures de la lithosphère. On n'a qu'à penser à ce système de pompage que constituent les sources hydrothermales au niveau des dorsales médio-océaniques. Cette eau est un agent fort efficace de l'altération chimique des basaltes océaniques, modifiant les propriétés physico-chimiques et la composition de la croûte océanique et contribuant à la composition chimique de l'eau de mer. La subduction de la lithosphère dans l'asthénosphère introduit aussi de l'eau dans cette dernière. Les minéraux du manteau même contiennent une énorme quantité d'eau. Ensemble, lithosphère et asthénosphère contiennent un volume d'eau évalué à 400.106 km3.
Le tableau suivant permet de comparer le volume des divers réservoirs d'eau dans les deux cycles.
On y voit immédiatement l'importance du réservoir océanique, ainsi que celle des réservoirs du cycle interne. Il n'en demeure pas moins que l'eau stockée dans les glaciers, qui en comparaison apparaît peu importante, compte tout de même pour un volume appréciable; un réchauffement climatique qui amènerait une fonte importante aurait comme conséquence une élévation significative du niveau marin. On peut s'amuser à des petits calculs simples. Compte tenu que la surface des océans est de 3,6.108 km2, si toute la glace stockée dans les calottes glaciaires et les glaciers fondait, la montée du niveau marin serait de 120 mètres; si le quart seulement du réservoir de glace fondait, la montée serait de 30 mètres. Farfelu? Peut-être pas autant qu'il n'y paraît. N'oublions pas que durant les deux derniers millions d'années (le Grand Âge Glaciaire), on a connu des fluctuations très importantes du niveau marin qui a oscillé entre +7 et -130 mètres au gré des phases d'englaciation et de fonte. Évidemment, on ne tient pas compte dans ce calcul simpliste des rétroactions comme des changements inévitables dans la circulation atmosphérique, des taux d'évaporation modifiés, des changements dans la circulation des eaux océaniques, de l'isostasie et surtout de la dilatation des eaux océaniques reliées à leur réchauffement.
Des interruptions importantes dans l'état stationnaire du cycle de l'eau sont causées, entre autres, par les périodes de glaciation continentale. Celles-ci affectent particulièrement la circulation des océans et l'interaction océan-atmosphère. Ainsi, un refroidissement global abaisse les taux d'évaporation, entraînant une réduction de la circulation de l'air humide dans l'atmosphère et des précipitations. Par exemple, on évalue que durant la dernière glaciation, il y a 18 Ka (milliers d'années), la précipitation totale fut de 14% inférieure à celle d'aujourd'hui, entraînant une expansion de la désertification, une diminution importante de la productivité primaire terrestre, ainsi qu'une accentuation de l'érosion éolienne des sols désertiques. Une glaciation entraîne aussi un changement dans les taux globaux du transfert, des continents aux océans, des matières dissoutes et en suspension dans l'eau. Durant les périodes de glaciation, une plus grande surface continentale est exposée à l'érosion parce que le niveau marin est plus bas (-120 mètres, il y a 18 Ka), ce qui entraîne un apport accru de matériaux dans l'océan. Une telle situation augmente le niveau de nutriments dans le milieu marin et une augmentation de la productivité primaire.
L'eau est le support essentiel sans lequel tous les grands cycles biogéochimiques ne sauraient exister. Tout changement climatique risque de se répercuter sur son cycle et par conséquent perturber les patrons globaux de la végétation, les taux d'altération des roches continentales et, en bout de ligne, les grands cycles biogéochimiques.
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