1Les échanges d’eau sol-végétation-atmosphère résultent en partie des échanges d’énergie existant entre la surface de la Terre et l’atmosphère. En effet, à l’échelle du globe terrestre, environ la moitié de l’énergie solaire incidente au sommet de l’atmosphère atteint la surface de la Terre et près de la moitié de cette énergie sert à évaporer l’eau présente en surface, le reste contribuant à réchauffer les basses couches de l’atmosphère ou à équilibrer le flux net d’énergie infrarouge. L’énergie du rayonnement solaire est donc le principal moteur de la circulation de l’eau.

Échanges avec l’atmosphère

2Source majeure de vapeur d'eau dans l'atmosphère, l’évaporation consomme de l’énergie pour faire passer l’eau de surface de l’état liquide à l’état vapeur. Les océans, les mers, les lacs et les rivières fournissent approximativement 86 % de l'humidité atmosphérique, les 14 % restants provenant de l’évaporation des surfaces continentales. Mais nombreuses sont parmi ces dernières celles qui évaporent peu, comme les déserts ou les surfaces recouvertes de glace ; les surfaces végétales et les sols jouent ainsi un rôle capital dans le cycle de l’eau global.

3À l’échelle des écosystèmes, les échanges de vapeur d’eau avec l’atmosphère dépendent avant tout de l’énergie radiative* disponible et de la disponibilité de l’eau présente en surface. Cependant, les processus d’échange modulant cette évaporation sont également fonction des caractéristiques de l’air, en particulier son déficit hydrique* ainsi que la vitesse du vent. La « demande climatique » (ou « évaporation potentielle ») traduit la capacité d’extraction de la vapeur d’eau exercée par l’atmosphère sur le système sol-végétation. Elle est déterminée, d’une part, par les apports énergétiques permettant la vaporisation de l’eau et, d’autre part, par la capacité d’absorption et de dilution dans l’atmosphère de la vapeur d’eau produite. Elle dépend donc des facteurs climatiques qui imposent à chaque instant, dans les premiers mètres de l’atmosphère, les conditions d’échanges déterminant l’évaporation, en interaction avec les propriétés physiques de l’interface et les caractéristiques thermiques et hydriques du système sol-végétation sous-jacent (cf. II.19). Ce sont deux systèmes de bilan, étroitement couplés, qui gèrent à chaque instant ces échanges et l’évaporation réelle qui en résulte : (i) le bilan d’énergie qui assure l’équilibre entre les différents flux en jeu à l’interface et donc fixe la valeur de l’évaporation instantanée ; (ii) le bilan hydrique qui détermine l’évolution instantanée de la disponibilité en eau et donc la répartition des flux entre chaleur latente* et chaleur sensible* dans l’expression du bilan d’énergie.

Le rôle des sols et de la végétation

4L’évaporation des surfaces continentales se compose pour l’essentiel de l'évaporation directe qui s'effectue à partir des différents plans d'eau (surfaces saturées) et des sols plus ou moins humides, et de la transpiration des végétaux. Dans le cas d’un sol nu, seule la diffusion de l’eau vers la surface alimente l’évaporation, alors que dans le cas d’un couvert végétal, c’est la diffusion vers le chevelu racinaire* de l’eau contenue dans tout le volume de sol exploré par les racines qui alimente la transpiration. Dans l’alimentation hydrique des plantes, le sol joue donc plusieurs rôles importants : rôle régulateur (système tampon du sol) vis-à-vis des phénomènes climatiques qui sont en partie aléatoires et irréguliers ; rôle déterminant sur la vitesse de déplacement de l’eau, et finalement, rôle sur la satisfaction des besoins instantanés de la plante.

5La grande variabilité des sols détermine des conditions d’alimentation hydrique très variables d’un sol à un autre et d’un point du sol à l’autre. Une fois absorbée par les racines des végétaux, l’eau liquide qui se trouvait dans le sol est tractée jusqu’aux feuilles du fait de la dépression induite au niveau des feuilles par l’évaporation. Dans la feuille, cette évaporation se produit essentiellement au niveau des méat* et la vapeur d’eau s’échappe des cavités sous-stomatiques vers l’atmosphère, en passant par les stomates* dont le degré d’ouverture, s’il dépend de facteurs internes à la plante, varie essentiellement en fonction de la lumière et de l’état hydrique de la feuille (cf. II.18). L’absorption de gaz carbonique par la plante s’effectuant par ces mêmes stomates, transpiration et photosynthèse sont dans le cas général étroitement liées. Les plantes ont ainsi besoin, pour assurer leur régulation thermique et leurs fonctions biologiques, de transpirer une quantité importante d’eau qui peut atteindre 4 à 6 mm par jour pendant les périodes de forte demande climatique et de bonne alimentation hydrique. A ce propos, il faut noter qu’une forêt, qui présente une plus forte demande climatique qu’un couvert bas, a néanmoins, pour un même contenu en eau du sol, une évapotranspiration* du même ordre de grandeur du fait d’une ouverture plus faible des stomates. Environ 95 % de l’eau transitant par la plante sont transpirés et seuls 5 % environ sont utilisés par son métabolisme.

6Près de la surface de la Terre, l’air contenant la vapeur d’eau se réchauffe, il devient plus léger et s’élève dans l’atmosphère en se refroidissant. Ce refroidissement peut entraîner le processus de condensation et donc la formation de nuages. Les fines gouttelettes d'eau s'accumulent dans les nuages jusqu’à atteindre une dimension suffisante pour former des gouttes de pluie. L’eau accumulée dans l’atmosphère retourne alors à la Terre sous forme de pluies (78 % des pluies tombent sur les océans et 22 % sur les surfaces continentales). La condensation de cette vapeur d’eau libère dans l’atmosphère l’énergie qui a été consommée lors de son évaporation. Ainsi, le cycle de l’évaporation et des précipitations prélève de l’énergie à la surface des océans et des continents pour la redistribuer au sein de l’atmosphère. Par ailleurs, en atténuant le rayonnement solaire reçu par la Terre et en empêchant le rayonnement infrarouge émis par la Terre de s’échapper dans l’espace, la vapeur d’eau atmosphérique garantit la stabilité de la température terrestre.

Schématisation du continuum sol-plante-atmosphère. L’eau liquide absorbée par le système racinaire transite des racines jusqu’aux feuilles, via le xylème. L’eau liquide diffuse ensuite dans les espaces intercellulaires vers la cavité sous-stomatique et subit le changement de phase liquide-vapeur. La vapeur d’eau ainsi produite s’échappe des cavités sous-stomatiques vers l’atmosphère, en passant par le stomate. Source A. Tuzet

7Ainsi, les changements de phases subis par l’eau à la surface de la Terre ou lors de son passage par le continuum sol-plante-atmosphère jouent un rôle important sur la régulation des températures et la dynamique du climat.