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Stratification (HU)

De Wikigeotech
Version du 28 juin 2020 à 10:41 par Bernard Chocat (discuter | contributions)

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Traduction anglaise : Stratification

Dernière mise à jour : 28/12/2019

En hydrologie, on appelle ainsi la superposition stable de couches d'eau de densité différente. L'origine de la variation de densité est soit la température (cas des lacs profonds et des rivières) soit la concentration en sel (cas des zones d'estuaires et des zones littorales ou de la mer). La stratification réduit les échanges entre les couches. La stratification d'autres éléments, comme par exemple l'oxygène, peut également être en cause.

Stratification thermique

En été, dans un milieu aquatique, les couches de surface reçoivent un ensoleillement plus important que les couches profondes. De ce fait, elles s'échauffent davantage. La densité de l'eau diminuant avec la température, et en l'absence d'agitation, l'eau chaude va rester en surface et continuer à s'échauffer. L'eau froide va rester à proximité du fond. Le milieu va donc se stratifier, en faisant apparaître trois couches d'eau distinctes :  

  • une couche d'eau chaude de surface : l'épilimnion ;
  • une couche d'eau froide au voisinage du fond : l'hypolimnion ;
  • une zone intermédiaire de très faible épaisseur : la thermocline ou métalimnion.

La thermocline est d'autant plus stable que l'écart thermique entre la surface et le fond est important. Dans les lacs profonds, la température de l'hypolimnion reste voisine de 4°C quelle que soit la saison. A cette température la densité de l'eau est maximale sous une pression atmosphérique normale ; le phénomène est donc très marqué et très stable. Il y a aussi une réduction des échanges de substances dissoutes entre l'épilimnion et l'hypolimnion.

Figure 1 : Evolution de la température en fonction de la profondeur dans un lac stratifié (situation estivale).

Cycles de stratification thermique

Considérons un milieu aquatique suffisamment profond pour ne pas être soumis sur toute sa profondeur au brassage dû aux vents ou à la turbulence de l'écoulement. En été, la différence importante de température, et donc de densité, entre la surface et le fond assure une stratification thermique stable. A l'automne, le rayonnement solaire diminue, et le sens des échanges thermiques entre la couche de surface et l'atmosphère s'inverse : la température de l'épilimnion commence à diminuer. Devenant progressivement plus froides et plus denses, les eaux de surface ont tendance à s'enfoncer. Si la température baisse suffisamment, les eaux de surface et les eaux profondes se mélangent, provoquant l'homogénéisation de la température sur toute l'épaisseur du milieu. Ce phénomène peut, dans les rivières, être facilité par l'augmentation de la turbulence associée à l'augmentation du débit. Dans ce cas, l'échelle de temps caractéristique du phénomène est plus de l'ordre de la journée que de celle de la saison. On peut parfois observer une stratification thermique inverse au cours de l'hiver, essentiellement dans les lacs. En effet, du fait de l'inertie thermique importante de l'eau, la température des couches profondes reste voisine de 4°C, alors qu'elle peut s'abaisser jusqu'à 0°C en surface (la densité de l'eau est maximum à 4°C). Cette stratification hivernale est cependant moins stable que la stratification estivale, la différence de densité entre les eaux de surface et les eaux des couches profondes étant beaucoup moins marquée. En pratique elle ne se maintient que si la présence d'une pellicule de glace limite le brassage dû au vent.

Figure 2 : Cycle de stratification thermique dans un milieu dimictique.

On qualifie de milieux dimictiques les milieux présentant les deux stratifications estivales et hivernales ; de monomictiques chauds ceux qui ne présentent que la stratification estivale ; de monomictiques froids ceux qui, au contraire ne présentent que la stratification hivernale (essentiellement des lacs de montagne) ; et enfin de polymictiques ceux où le brassage provoque plusieurs phases de stratification et de mélange au cours de la même période estivale.

Stratification de l'oxygène

La stratification thermique estivale s'accompagne souvent d'une stratification de l'oxygène, en particulier dans les milieux eutrophes. En effet la photosynthèse est dépendante de l'énergie lumineuse et de la température. La production d'oxygène est donc maximale en été à proximité de la surface. A l'inverse, la consommation d'oxygène a plutôt tendance à augmenter avec la profondeur, d'une part du fait de la respiration des organismes et d'autre part du fait de la décomposition anaérobie des matières organiques qui s'accumulent sur le fond. Les deux phénomènes (stratification thermique et stratification de l'oxygène) ont tendance à se renforcer mutuellement. L'activité photosynthétique diminue donc avec la profondeur, alors que, du fait de la production algale importante en surface, on observe au contraire une accumulation de la matière organique en voie de décomposition à proximité du fond. On peut ainsi observer à proximité de la surface des eaux sursaturées en oxygène (concentration pouvant atteindre 200% de la teneur à saturation) alors que les eaux profondes sont en situation d'anoxie.

Figure 3 : Évolution de la température et de la teneur en oxygène dissous dans un milieu oligotrophe et dans un milieu eutrophe.

Les rejets urbains, riches en matières en suspension, en azote et en phosphore, contribuent à accentuer l'eutrophisation des milieux aquatiques.

Voir : Impact (des rejets sur les milieux récepteurs).

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