Océan - Séance I.2 Le cycle de l'eau

Résumé

Une étude documentaire montre que l’eau passe sans cesse d’un réservoir à un autre : c’est le « cycle de l’eau ». Ce faisant, elle peut également changer d’état, liquide, solide ou gazeuse. La quantité d’eau présente sur Terre reste constante.

Notions

· l'eau passe sans cesse d'un réservoir à un autre : c'est le "cycle de l'eau"

o   l'eau présente dans l'atmosphère et les cours d'eau se renouvelle en quelques semaines

o   l'eau présente dans les lacs se renouvelle en quelques années

o   l'eau présente dans les océans et les glaciers met des milliers d'années à se renouveler

· la quantité d'eau sur Terre reste constante

Modalités d’investigation

Etude documentaire

Matériel

Pour chaque binôme

· photocopie de la Fiche 2

Lexique

Cycle de l’eau, précipitation, évaporation, condensation, glacier

Durée :

1 h

Question initiale

Après un rappel des notions abordées lors de la séance précédente (l’eau existe sous différentes formes sur Terre, et elle est stockée dans différents « réservoirs »), l’enseignant demande aux élèves si la quantité d’eau totale sur Terre augmente, diminue, ou reste stable.

Cette question permet de discuter des changements d’état de l’eau et le passage d’un réservoir à l’autre. L’océan perd de l’eau par évaporation, par exemple… mais il en gagne aussi par le ruissellement des eaux de pluie.

Après quelques minutes de discussion collective, l’enseignant demande à chaque élève de dessiner, sur une feuille, les « trajets naturels » de l’eau sur Terre.

Note pédagogique :

  • Les élèves constaterons plus tard dans cette séance que la quantité d’eau sur Terre est constante : l’eau circule d’un réservoir à l’autre, mais ne se perd pas (ni ne s’ajoute). C’est cette constance qui permet de parler de « cycle de l’eau » (sous-entendu « cycle fermé »). A ce stade de la séance, cependant, cette connaissance n’est pas construite : il est donc trop tôt pour parler de cycle.
  • Ce qui nous intéresse, ici, c’est le cycle naturel de l’eau, pas le circuit de traitement/distribution/épuration de l’eau dans les habitations.

Mise en commun

L’enseignant affiche les feuilles au tableau et demande aux élèves de comparer les différentes propositions. A ce stade, il ne s’agit pas de produire une version finalisée du cycle de l’eau, mais de regarder si les propositions des élèves présentent certaines caractéristiques :

  • · La notion de cycle est-elle présente ?
  • · Si on étudie un réservoir en particulier, voit-on à la fois des gains et des pertes ?

Recherche (étude documentaire)

L’enseignant distribue la  Fiche 2 à chaque binôme, avec la consigne suivante :

  • · Placer les chiffres des flux annuels sur le schéma, de façon à mieux voir à quoi correspondent ces flux
  • (note : cette étape sera réalisée de préférence en classe entière. On en profitera pour ajouter une flèche correspondant aux précipitations sur les océans. Cette flèche n’a pas été introduite dans le schéma d’origine, par soucis de visibilité et pour « forcer » la discussion sur ce sujet, les élèves pensant en général qu’il ne pleut que sur les continents !)
  • · Calculer le volume total de l’eau qui s’évapore chaque année
  • · Calculer le volume total de l’eau qui précipite chaque année
  • · Que dire de la quantité d’eau présente dans l’atmosphère ?
  • · De la même façon, calculer combien d’eau les océans perdent chaque année, et combien ils en gagnent. Que dire de la quantité d’eau présente dans l’océan ?

Pour y répondre, ils peuvent s’aider du dessin du cycle de l’eau et du premier tableau.

 Note scientifique :

L’eau est présente sous ses trois états sur Terre : gazeux (vapeur d'eau dans l'air), liquide (océans, rivières, nappes phréatiques, pluie, nuages, etc.), solide (glaciers, cristaux contenus dans la neige, la grêle et les nuages). Elle est en perpétuelle circulation entre les océans l'atmosphère et les continents. Il s'agit du cycle de l'eau :

  • L’eau des océans, des lacs, des sols et celle qui provient  des plantes, s'évapore sous l'effet du rayonnement solaire (on parle d’évapotranspiration pour celle qui provient des plantes).
  • La vapeur d'eau présente dans l'air se condense en fines gouttelettes et forme les nuages, puis retombe sous forme de précipitations sur les océans et les continents.
  • Une partie de l'eau qui se retrouve sur les continents ruisselle sur les sols et aboutit aux océans. L'autre partie s'infiltre dans le sol et alimente les nappes phréatiques (ce stock superficiel alimente l’évaporation directe et la transpiration des végétaux).

Note pédagogique

La notion d’évaporation se limite souvent pour les élèves à la disparition des flaques d’eau dans la cour. Pour leur illustrer l’évapotranspiration et l’évaporation des continents, faites prélever par les élèves quelques végétaux, ainsi qu’une pelletée de terre (idéalement lorsque la météo a été pluvieuse dans les derniers jours). En plaçant ces échantillons dans des sacs plastiques, puis à la chaleur, de la buée apparaîtra rapidement à la surface des sacs.

Mise en commun et conclusion

La quantité d’eau qui s’évapore chaque année est 425 + 71 = 496 milliards de km3. La quantité d’eau qui précipite est 385 + 111 = 496 milliards de km3. Ces 2 quantités sont identiques, ce qui signifie que l’atmosphère gagne autant d’eau qu’elle en perd : la quantité d’eau est constante.

De même, la quantité d’eau présente dans les océans est stable. Chaque année, les océans perdent 425 milliards de km3 d’eau par évaporation, mais en gagnent 385 + 40 = 425 par les précipitations directes sur les océans et par le ruissellement des eaux continentales.

La mise en commun permet de conclure que l’eau circule perpétuellement d’un réservoir à l’autre, mais que chaque réservoir gagne autant d’eau qu’il n’en perd : au final, la quantité d’eau présente dans chaque réservoir est constante. La quantité d’eau présente sur Terre est donc elle-même constante. Pour ces raisons, on parle de cycle de l’eau.

Note scientifique :

  • Le fait que la quantité d’eau présente sur Terre soit constante n’est plus valable sur des temps géologiques : la Terre reçoit en effet un apport extérieur en eau, par les météorites et les comètes et un apport interne, par les volcans qui dégazent un peu de l’eau piégée dans les roches depuis des millions d’années. La Terre perd également une infime portion de l’eau présente dans son atmosphère qui s’échappe de l’attraction gravitationnelle de notre planète et part dans l’espace.
  • De même, le fait que chaque réservoir conserve la même quantité d’eau n’est vrai que si l’on ne tient compte que du cycle naturel de l’eau. Le changement climatique observé depuis 1 siècle (et dont l’origine humaine ne fait plus de doute aujourd’hui) perturbe ce cycle de l’eau. L’augmentation de la température moyenne et la fonte des glaciers entrainent une diminution progressive de la quantité d’eau stockée sous forme de glace.
  • Pour ces raisons, on peut apporter un « bémol » à ce qui a été dit au cours de cette séance, en précisant qu’il s’agit du cycle naturel de l’eau à l’échelle du millénaire, ne tenant compte ni des effets des activités humaines ni des variations aux échelles géologiques.

Note pédagogique

Certains élèves, en particulier à l’école primaire, pensent que l’Homme perturbe le cycle de l’eau en raison de son besoin alimentaire : l’eau que l’on boit est prise des réserves d’eau douce et se trouve donc « perdue ». Il est important de leur faire réaliser que cette eau, absorbée par notre organisme, est rejetée dans l’environnement (urines, transpiration…). Cette eau s’insère dans le cycle naturel de l’eau : de ce point de vue, l’Homme (pas plus que les autres espèces vivantes) ne perturbe pas le cycle de l’eau.

En fonction du temps disponible et du niveau de la classe, on peut prendre quelques minutes pour évoquer le temps de résidence de l’eau dans chacun des principaux réservoirs. Le second tableau de la Fiche 2 indique par exemple qu’une molécule d’eau reste en moyenne 2 500 ans dans les océans, mais seulement 8 jours dans l’atmosphère.

Variante – prolongements

Cette étude du cycle de l’eau peut être complétée par différentes expériences simples montrant que l’eau peut passer d’un état à l’autre : faire geler de l’eau liquide au congélateur (ou dehors, par temps froid), puis laisser la glace fondre, etc. S’agissant du passage de l’état liquide à l’état gazeux (évaporation), il importe de montrer que ce phénomène n’apparait pas uniquement lorsque l’on fait bouillir de l’eau. On peut, par exemple, humidifier un tissu, puis le laisser sécher. En le pesant avant et après, on constate que sa masse s’est allégée : l’eau s’est évaporée et a quitté le tissu.

Ces notions sont normalement acquises au cycle 2 de l’école primaire, c’est pourquoi nous n’incluons pas de séance dans ce module pour le cycle 3 et le collège. Néanmoins, en cas de difficulté de certains élèves, il peut être bon de revenir dessus.

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte ESA SHOM Expéditions TARA Editions Le Pommier