Régime thermique et bilan de chaleur Bio 3839 R. Carignan

Propriétés physiques de l’eau Eau = Base de la vie sur terre

Structure moléculaire négatif Liaisons covalentes positif Tétraèdre déformé Dipôle électrique

Structure moléculaire de la glace Liaisons hydrogène Forte cohésion moléculaire Oxygène 2 Hydrogène 1 4 3 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 Énergie cinétique de Vibration 1011-1012 hertz Eau Δ densité forte Fusion Δ densité faible Énergie cinétique de Vibration 105-106 hertz Glace 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/cm3/ºC à 20ºC Solides dissous Augmentation de 0,00085 g/cm3 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

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

Brassage printanier incomplet Lac tropical Lacs tropicaux : fort gradient de densité à températures élevées Petits lacs (< 1 km2) et assez profonds (8-10 m) Petits lacs glaciaires du Québec et de l’Ontario: kettle lakes

matières en suspension 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

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

Stratification journalière

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

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

Lac monomictique chaud Stratification en été, brassage durant l’hiver

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

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

Lacs méromictiques Pas de brassage Couches d’eau superposées Origines 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 vertes sulfo-oxydantes Pelodictyon, Chlorobium Bactéries phototrophes anoxygéniques 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

Chaleur accumulée dans les sédiments

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

Bilan de chaleur: 5000 - 40000 cal/cm2 Il dépend de la surface et la profondeur moyenne