Structure moléculaire de la glace

Transcript Structure moléculaire de la glace

Régime thermique et bilan de chaleur Bio 3839 R. Carignan

Propriétés physiques de l’eau

Tableau 3.1

Les propriétés physiques de l'eau et significations pour l'environnement. Tiré de Sigg et collab. (1992) mais modifié.

Propriété Densité Points de fusion et d'ébullition Chaleur spécifique Chaleur d'évaporation Chaleur latente de fusion Tension superficielle Absorption lumineuse Capacité de solvant Particularité en comparaison avec d'autres liquides Maximum vers 4 °C Exceptionnellement élevés La plus élevée (1 cal/g/°C) de tous les liquides après NH 3 , He et Li Extrêmement forte (540 cal/g) Élevée (79,7 cal/g) Élevée Signification pour l'environnement Permet la stratification thermique Existence de la phase liquide à la surface de la terre Tampon face aux variations de température externe Élevée dans le domaine des infra-rouges et des UV; faible dans le visible À cause de sa propriété dipolaire, l'eau est un bon solvant pour les ions et les molécules polaires Eau = Base de la vie sur terre Tampon face aux variations de température externe Tampon face aux variations de température externe Formation de nuages et de gouttes de pluie Régulation de la température atmosphérique et de la stratification thermique Transport de substances dissoutes dans les cellules et les êtres vivants.

Structure moléculaire

Figure 3.1

La molécule d'eau et son nuage électronique sous forme de tétraèdre déformé. Tiré de Sigg et collab. (1992). négatif Liaisons covalentes positif Tétraèdre déformé Dipôle électrique

Structure moléculaire de la glace

Figure 3.2

Représentation d'un cristal de glace montrant l'organisation tétraédrique des molécules d'eau et les vides résultant d'une telle organisation. Tiré de Wetzel (1983).

Liaisons hydrogène Forte cohésion moléculaire 4 1 2 3 Oxygène Hydrogène Glace: cristaux; beaucoup d’espaces vides; 4 molécules; densité 0,9168 à 0ºC Eau: moins d’espaces vides; polymérisation; 5-6 molécules; densité 0. 99987 à 0ºC

Structure moléculaire de l’eau

Liaisons covalentes Liaisons hydrogène Glace Eau

Effet de la température sur la densité de l’eau

Figure 3.3

Densité de l'eau pure (g/ml) en fonction de la température et à une pression de 1 atmosphère. La figure de droite montre, pour quelques températures, la différence de densité résultant d'une diminution de température de 1 °C; noter que cette différence est beaucoup plus grande à 30 °C qu'à 10 °C ou qu'à 5 °C.

Tiré de Wetzel (1983).

Énergie cinétique de Vibration 10 11 -10 12 hertz Eau Δ densité forte Énergie cinétique de Vibration 10 5 -10 6 hertz Glace Δ densité faible Augmentation de densité entre 0-3,98ºC Température de densité maximum: 3,98ºC Diminution de densité entre 3,98 et 100ºC

Facteurs influençant la densité de l’eau

• • •

Température

– Augmentation de densité entre 0-3,98ºC – Température de densité maximum: 3,98ºC – Diminution de densité entre 3,98 et 100ºC – Différence de l’ordre de 0,0002 g/cm 3 /ºC à 20ºC

Solides dissous

– Augmentation de 0,00085 g/cm 3 par g de solides dissous – Baisse de la température de densité maximale de l’eau d’environ 0,2°C/g – Concentrations de solides dissous en eau douce entre 0,01 et 1 g/L

Salinité

– Baisse de la température de densité maximale de l’eau de mer (35g/L) à - 3,52°C – Baisse du point de congélation de l’eau de mer à - 1,91°C

Viscosité de l’eau

• Résistance au cisaillement ou au glissement des molécules l’une sur l’autre – g/cm/s (ou poise ou stokes) • Résistance au déplacement des particules et des organismes • La viscosité diminue avec la température de l’eau – 1,57 g/cm/s à 4°C – 1,00 g/cm/s à 20°C • La viscosité détermine le type d’écoulement des eaux – Écoulement laminaire avec une forte viscosité – Écoulement turbulent avec une faible viscosité

La stratification thermique

• Phénomène physique très important pour:

– la structuration verticale des masses d’eau – La physico-chimie des masses d’eau – La viscosité et le gradient de densité – La distribution et le métabolisme des organismes – La structure des communautés biologiques

Figure 3.4

Cycle annuel de stratification thermique d'un lac tempéré.

lac dimictique avec couvert de glace Brassage Printanier 5-10°C Stratification estivale Brassage Automnale 4-5°C Stratification inverse hivernale

Brassage printanier incomplet Lac tropical

Figure 3.5

Variation annuelle de la température en fonction de la profondeur (1963-1964) dans le lac Martin montrant un brassage printanier incomplet. Tiré de Wetzel (1983).

Lacs tropicaux : fort gradient de densité à températures élevées Petits lacs (< 1 km 2 ) et assez profonds (8-10 m) Petits lacs glaciaires du Québec et de l’Ontario: kettle lakes

Figure 3.7

Profil de température observé le 15 août 1995 au lac Croche, Station de biologie des Laurentides.

Faible viscosité Forte turbulente Fort gradient de Température : 1°C/m Gradient de densité et de viscosité Concentration de matières en suspension Faible transparence Forte viscosité Faible turbulente Le profil de température ne suit pas le profil d’atténuation de la lumière La stratification thermique induit une stratification chimique des eaux L’absorption directe de la radiation solaire explique seulement 10% de la distribution verticale de la chaleur, le reste est du à l’action du vent

Rôle du gradient de densité et de viscosité au niveau du métalimnion

Influence des apports du bassin versant sur la couleur de l’eau et la stratification thermique • Ratio de drainage

– rapport entre la surface du bassin versant et la surface du lac

• Apports en éléments nutritifs et en matière organique (COD)

– Augmente avec le ratio de drainage – Diminue avec la pente du bassin versant – Augmente avec le pourcentage de milieux humides ou saturés en eau

Lac Cardin COD: 7.2 mg/L

Lac du Nord COD: 5.3 mg/L

COD: 2.5 mg/L Lac Rougeaud

Figure 3.6

Profils verticaux de température observés entre les 2 et 3 août 2004 dans trois lacs des Laurentides ayant des superficies et profondeurs semblables, mais se distinguant par leur teneur en carbone organique coloré.

Thermocline Cardin Du Nord Rougeaud Définissez les couches de l’épilimnion, du métalimnion et de l’hypolimnion

Figure 3.8

Isothermes de température observés au lac Croche (SBL) entre les 9 et 11 août 1995 au moyen d'une chaîne de 8 thermistors suspendus à tous les 50 cm dans les 4 premiers mètres de la colonne d'eau et lus à toutes les 15 minutes. t 0 = 9 août à minuit. Noter la stratification quotidienne due au réchauffement solaire s'établissant dans l'épilimnion entre 10:00 et 6:00 de la journée suivante. Cette stratification est suivie d'une période de mélange complet (jusqu'à la limite inférieure de l'épilimnion à environ 3 mètres) induite par le refroidissement et la convection nocturne des eaux de surface.

Stratification journalière

Figure 3.9

Isolignes de température au lac Croche (SBL) pour l'année 1997. Noter l'épaississement continu de l'épilimnion durant l'été.

Enfoncement de la thermocline au cours de l’été Diminution du gradient de densité à cause du refroidissement des eaux de surface

Figure 3.10

Diagramme profondeur-temps des isothermes de température (°C) dans le lac Lawrence en 1968. Tiré de Wetzel (1983).

Diagramme spatio-temporel de température: isothermes

Facteurs influençant la profondeur de la zone de mélange (épilimnion)

• Degré d’exposition au vent (fetch) • Superficie du lac • Orientation par rapport aux vents dominants • Conditions météo locales • Présence de montagnes • Transparence de l’eau • Matière organique dissoute (COD) • Matière en suspension (algues, seston inerte) • Lacs des Laurentides: 3-5 m • Grands lacs: 10-15 m

Classification des lacs

Régime thermique

Tableau 3.2

Classification des lacs selon leur régime de mélange. Tiré de Wetzel (1983).

Classification

Amictique Holomictique

Brassage annuel vertical

Négligeable Complet, au moins une fois

Causes

Couvert de glace permanent (Antarctique); courants internes lents L'énergie du vent principalement, courants de convection induits par le refroidissement des eaux de surface a.

Monomictique Dimictique Oligomictique Polymictique Méromictique Une fois Deux fois Irrégulier, rare Plus de deux fois Stratification permanente ou interruptions irrégulières de la stratification Stratification permanente Stratification chimique (densité) a.

Exogène 1. Arrivée superficielle de a) l'eau douce sur une ancienne strate saline; b) l'eau salée qui se place en dessous d'une ancienne strate d'eau douce; c) turbidité produite par les eaux chargées de particules en suspension b.

Endogène I. Biogène Stratification permanente ou temporaire Stratification permanente II. Biogène temporaire Élimination soit d'un brassage printanier soit d'un brassage automnal III. Cryogène Stratification permanente Stratification chimique produite par des processus biologiques (Accumulation des ions de bicarbonate ou de fer dans les eaux profondes); la morphologie du bassin et la topographie environnante protègent le lac de l'action du vent.

Même facteurs que ci-dessus mais ici des conditions climatiques anormales éliminent le brassage printanier ou le brassage automnal Accumulation de sels dans les eaux profondes par l'action du gel qui concentre ces sels dans les eaux résiduelles

Lac monomictique chaud

Figure 3.11

Cycle saisonnier de la température en fonction de la profondeur dans un lac monomictique chaud. Tiré de Kalff (2002).

Stratification en été, brassage durant l’hiver

Lac dimictique

Figure 3.10

Diagramme profondeur-temps des isothermes de température (°C) dans le lac Lawrence en 1968. Tiré de Wetzel (1983).

Deux brassages au printemps et à l’automne Stratification durant l’été

Lac polymictique

Figure 3.12

Évolution de la température en fonction de la profondeur dans un lac polymictique. Tiré de Horne et Goldman (1994).

Lacs polymictiques froids: brassage vers 4°C: petits lacs peu profonds en altitude Lacs polymictiques chauds: brassage à des températures plus fortes Lacs tropicaux

Figure 3.13

Distribution des principales classes de lacs selon leur régime de mélange en fonction de la latitude et de l'altitude. Les deux classes de lacs équatoriaux (polymictiques et oligomictiques) sont séparées par une région mixte (traits verticaux). Tiré de Wetzel (1983).

Tableau 3.2

Classification des lacs selon leur régime de mélange. Tiré de Wetzel (1983).

Classification

Amictique Holomictique

Brassage annuel vertical

Négligeable Complet, au moins une fois

Causes

Couvert de glace permanent (Antarctique); courants internes lents L'énergie du vent principalement, courants de convection induits par le refroidissement des eaux de surface a.

Lacs méromictiques

• • Pas de brassage Couches d’eau superposées – Mixolimnion – Chemocline – Monimolimnion • • • • • • Origines Ectogène – Intrusion d’eau de mer – Isolement d’eau de mer sous un couche d’eau douce Biogénique – Minéralisation en eau profonde – Lacs très profonds en milieu tropical Crénogène – Infiltration d’eau souterraine Cryogène – Exclusion de sels dissous sous la glace dans les lacs amictiques Mécanique – Grande profondeur: lac Baikal

Distribution verticale des bactéries phototrophes

Lumière; source d’e-, recyclage du soufre Bactéries pourpres sulfo-oxydantes

Chromatium Amoebacter Thiocapsa

Bactéries phototrophes Oxygéniques Cyanobactéries

Thermocline Chemocline

Bactéries phototrophes anoxygéniques Bactéries vertes sulfo-oxydantes Pelodictyon, Chlorobium 4 :Mélange de bactéries hétérotrophes anaérobiques et de bactéries phototrophes vertes

D’après Servais et al .1995

Bilan de chaleur

• Apports de chaleur • Pertes de chaleur

Figure 3.14

Principales sources de gain, de perte et de transfert de chaleur dans un lac. Tiré de Goldman (1983).

Entrée ou sortie d’eau chaude ou froide Évaporation Descente d’eau chaude Hypolimnion Dégradation de la radiation visible en chaleur Géothermie Transfert de chaleur sensible Remontée d’eau froide

flux de chaleur

Q tot à la surface d'un lac peut s'écrire de la façon suivante : Q tot = Q c + Q e + Q l + Q s + Q b + Q a (3.2) Q tot = flux de chaleur net à la surface de l'eau Q c = gain absorption de la radiation solaire directe et indirecte ( 300 à 3 000 nm) Q e = chaleur latente d'évaporation = somme de la perte de chaleur par évaporation et du gain de chaleur par condensation sur la surface de l'eau Q l = perte ou gain par rayonnement IR de grande longueur d'onde (>0,8 mm) de l'atmosphère vers l'eau ou de l'eau vers l'atmosphère Q s Q b Q a = gain ou perte de chaleur sensible par conduction directe entre l'eau et l'atmosphère = gain ou perte par échanges eau-sédiments = gain ou perte par advection (tributaires et émissaires)

Figure 3.15

Gauche :

flux de chaleur à la surface du lac Sempach (Suisse) pendant une journée d'été

(A)

et une journée d'hiver

(B)

; En été, le flux d'énergie net à la surface (Q tot ) suit de près le rayonnement solaire et devient négatif pendant la nuit; en hiver, pendant une journée nuageuse, Q tot reste négatif.

Droite :

flux thermique saisonnier du lac Zürich. 1 W/m 2 = 1 joule/s = 0,239 cal/s. Tiré de Pourriot et Meybeck (1995).

Chaleur accumulée dans les sédiments

Figure 3.16

Courbes annuelles de température à 0, 1, 2, 3, et 5 m dans les sédiments du lac Mendota (Wisconsin) à une profondeur de 8 m (gauche) et 23,5 m (droite). Tiré de Wetzel (1983).

Tableau 3.3

Importance du flux de chaleur des sédiments et de la colonne d'eau dans cinq lacs de profondeur décroissante. Tiré de Wetzel (1983).

Flux de chaleur des sédiments plus important dans les lacs peu profonds

bilan de chaleur

d'un lac désigne la différence entre les quantités de chaleur emmagasinées dans le lac entre deux instants donnés. Les quantités suivantes sont souvent mesurées :

Apport (bilan) estival de chaleur ( θ s ) :

c'est la chaleur nécessaire pour réchauffer le lac de l'isothermie printanière à 4 ° C jusqu'à sa température maximale d'été.

Apport (bilan) hivernal ( θ w ) :

c'est la chaleur nécessaire pour amener le lac de sa température minimale de l'hiver à l'isothermie printanière à 4 ° C.

Apport (bilan) annuel ( θ a ) :

c'est la différence entre la quantité de chaleur hivernale minimale et la quantité de chaleur maximale estivale.

Quantité de chaleur totale :

c'est le maximum de chaleur emmagasinées dans le lac, c'est-à dire la chaleur nécessaire pour amener un lac d'une isothermie à 0 °C jusqu'à sa température moyenne maximale.

On calcule un bilan de chaleur à l'aide de la relation suivante (cal/cm 2 /j ou W/m 2 ) :

Tableau 3.4

Bilans de chaleur dans plusieurs lacs de profondeur et superficies variées.

Tiré de Wetzel (1983).

Bilan de chaleur: 5000 - 40000 cal/cm 2 Il dépend de la surface et la profondeur moyenne