Régime thermique et bilan de chaleur

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1 Régime thermique et bilan de chaleur
Bio 3839 R. Carignan

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

3 Structure moléculaire
négatif Liaisons covalentes positif Tétraèdre déformé Dipôle électrique

4 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 à 0ºC

5 Structure moléculaire de l’eau
Liaisons covalentes Liaisons hydrogène Glace Eau

6 Effet de la température sur la densité de l’eau
Énergie cinétique de Vibration hertz Eau Δ densité forte Fusion Δ densité faible Énergie cinétique de Vibration hertz Glace Augmentation de densité entre 0-3,98ºC Température de densité maximum: 3,98ºC Diminution de densité entre 3,98 et 100ºC

7 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

8 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

9 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

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

11 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

12 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

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

14 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

15 Lac Cardin COD: 7.2 mg/L

16 Lac du Nord COD: 5.3 mg/L

17 COD: 2.5 mg/L Lac Rougeaud

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

19 Stratification journalière

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

21 Diagramme spatio-temporel de température: isothermes

22 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: m

23 Classification des lacs
Régime thermique

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

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

27 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

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30 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

31 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

32 Bilan de chaleur Apports de chaleur Pertes de chaleur

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36 Chaleur accumulée dans les sédiments

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

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