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...des flux échangés entre eux et de leurs temps moyens de résidence?

Bernard Pouyaud - Mars 2013

Tableau des stocks entre lesquels s’organisent les flux annuels du «cycle de l’eau»  

Nature des réservoirs Stock (km3) % du total Epaisseur moyenne (m) Flux (km3/an) Lame d'eau équivalente (mm)

Temps de résidence 
(ans ou jours)

Océans (360,7.106 km2) 1 340 000 000 96,85 3 715 - 40 000 - 111 3 230 anstd>
Evaporation       - 413 000 - 1145  
Précipitation       373 000 1 034  
             
Atmosphère (510,1.106 km2) 12 700 0,00092 0,025 486 000 953 9,5 jours
             
Continents (149,4.106 km2) 43 600 000 3,15 292 40 000 267 (1 100 ans)
Evaporation       73 000 - 489  
Précipitation       113 000 756  
Cryosphère 28 200 000 2,04 189 3 880 26 (5 800 ans)
Antarctique 25 000 000 1,81 167 2 600 17 10 000 ans
Groenland 3 000 000 0,22 20 600 4 5 000 ans
Glacier de montagne 150 000 0,011 1 680 5 200 ans
Permafrost 22 000 0,02        
Eaux souterraines 15 000 000 1,08  100 10 000   67 1 500 ans 
Lacs 176 000 0,0127  1 51 024 39 30 ans 
Eau douce 91 000 0,0066        
Eau saumâtre 85 000 0,0061        
Humidité des sols 122 000 0,0088  1 70 000   469 1,7 ans 
Mers intérieures 105 000 0,0076  1 ns   ns
Fleuves et rivières 1 700 0,00012  >1 36 800  246 17 jours 
Ruissellement       26 450  177   
Ecoulement de base       10 350  69  
Eau biologique 1 100  0,00008        En heures 
TOTAL 1 384 000 000 100    

 

Les stocks, exprimés en kmsont les volumes d'eau contenus par chaque réservoir de la planète.

Ils correspondent, pour chacun des compartiments du cycle de l’Eau, aux volumes d’eau immobilisés à un instant donné. Certains, comme le volume des océans, de l’atmosphère ou des lacs et mers intérieures, ou de la vapeur d’eau atmosphérique, sont relativement bien connus. Les autres, comme les volumes des eaux souterraines, l’humidité des sols, ou encore ceux des glaciers continentaux le sont bien moins.  

L'épaisseur moyenne d'un stock, exprimée généralement en m, résulte de la division du volume d’un stock par la superficie de sa distribution potentielle (surface de l’océan, surface couverte par l’atmosphère, surface des continents).
Cette épaisseur moyenne, explicite lorsqu’il s’agit de l’océan (surface d'environ 360 106 km2, il s’agit alors de la profondeur moyenne de l’océan), peut être beaucoup plus subjective lorsqu’il s’agit par exemple des stocks d’eau continentaux, où elle est obtenue en divisant la valeur du stock par la surface des continents (environ 149 106 km2).
L'épaisseur moyenne de l'océan est de 3 715 m à rapporter à la surface indiquée

Les flux annuels exprimés en km3 correspondent à la variation annuelle de chacun des stocks, c'est à dire aux transferts d’eau annuels entre les différents réservoirs de la planète.

La lame d’eau équivalente exprimée généralement en mm par an se déduit du flux, obtenue en divisant la valeur du flux par la surface du réservoir qui lui correspond. Par exemple, la lame d’eau correspondant au flux annuel d’évaporation de l’océan s’obtiendra en divisant le flux (413 000 km3) par la surface de l’océan, soit environ 1 150 mm. Cette unité est équivalente à celle de la pluviométrie utilisée en météorologie.  

Le temps de résidence en années, jours ou heures est obtenu par la division d’un stock par le flux qui assure son renouvellement. Chaque molécule d’eau de l’hydrosphère ne participe pas en permanence aux différents flux entre réservoirs, puisqu’elle reste un certain temps dans chacun d’entre eux. La durée moyenne durant laquelle chaque molécule demeure dans un réservoir donné est appelée temps de résidence moyen.

Le schéma ci-dessous montre le parcours entre les grands réservoirs d'eau liquide, solide ou de vapeur d'eau : océans, atmosphère, eau de surface, eaux souterraines et glaciers.


  • Les chiffres sont à prendre davantage comme des ordres de grandeur moyens. Ils varient d’une publication à l’autre selon l’origine plus ou moins récente et exhaustive des données utilisées. Ce sont donc des «estimations» collationnées de manière à «boucler» le bilan hydrologique. L’objectif d’un tel tableau est de fournir une estimation globale des grandes masses d’eau et de leurs interrelations à diverses échelles de temps.
     

  • Les volumes d’eau des réservoirs sont en perpétuelle interaction, par évaporation, sublimation, condensation, fonte, ruissellement, infiltration, etc. La vapeur d’eau est plus légère que l’air sec, et a donc tendance à s’élever dans l’atmosphère, puis à se condenser et précipiter sous forme de pluie ou de neige.
     

  • Sur la planète, les réservoirs d’eau douce représentent à peine 3% des volumes totaux de l’hydrosphère. Ils ne sont de plus pas tous utilisables (glaciers, Antarctique, etc.). le volume des eaux douces directement utilisables ne représentent donc que quelques millions de m3, dont la plus grande partie est constituée d’eaux souterraines exploitables.
     

  • Il s’évapore chaque année en moyenne plus d’eau douce sur les océans qu’il ne s’en précipite. Cet excédent, transféré sur les continents, y précipite.
     

...des flux échangés entre eux et de leurs temps moyens de résidence?

Bernard Pouyaud - Mars 2013

Tableau des stocks entre lesquels s’organisent les flux annuels du «cycle de l’eau»  

Nature des réservoirsStock (km3)% du totalEpaisseur moyenne (m)Flux (km3/an)Lame d'eau équivalente (mm)

Temps de résidence 
(ans ou jours)

Océans (360,7.106 km2) 1 340 000 000 96,85 3 715 - 40 000 - 111 3 230 anstd>
Evaporation       - 413 000 - 1145  
Précipitation       373 000 1 034  
             
Atmosphère (510,1.106 km2) 12 700 0,00092 0,025 486 000 953 9,5 jours
             
Continents (149,4.106 km2) 43 600 000 3,15 292 40 000 267 (1 100 ans)
Evaporation       73 000 - 489  
Précipitation       113 000 756  
Cryosphère 28 200 000 2,04 189 3 880 26 (5 800 ans)
Antarctique 25 000 000 1,81 167 2 600 17 10 000 ans
Groenland 3 000 000 0,22 20 600 4 5 000 ans
Glacier de montagne 150 000 0,011 1 680 5 200 ans
Permafrost 22 000 0,02        
Eaux souterraines 15 000 000 1,08  100 10 000   67 1 500 ans 
Lacs 176 000 0,0127  1 51 024 39 30 ans 
Eau douce 91 000 0,0066        
Eau saumâtre 85 000 0,0061        
Humidité des sols 122 000 0,0088  1 70 000   469 1,7 ans 
Mers intérieures 105 000 0,0076  1 ns   ns
Fleuves et rivières 1 700 0,00012  >1 36 800  246 17 jours 
Ruissellement       26 450  177   
Ecoulement de base       10 350  69  
Eau biologique 1 100  0,00008        En heures 
TOTAL 1 384 000 000 100     En heures 

 

Les stocks, exprimés en kmsont les volumes d'eau contenus par chaque réservoir de la planète.
Ils correspondent, pour chacun des compartiments du cycle de l’Eau, aux volumes d’eau immobilisés à un instant donné. Certains, comme le volume des océans, de l’atmosphère ou des lacs et mers intérieures, ou de la vapeur d’eau atmosphérique, sont relativement bien connus. Les autres, comme les volumes des eaux souterraines, l’humidité des sols, ou encore ceux des glaciers continentaux le sont bien moins.  

L'épaisseur moyenne d'un stock, exprimée généralement en m, résulte de la division du volume d’un stock par la superficie de sa distribution potentielle (surface de l’océan, surface couverte par l’atmosphère, surface des continents).
Cette épaisseur moyenne, explicite lorsqu’il s’agit de l’océan (surface d'environ 360 106 km2, il s’agit alors de la profondeur moyenne de l’océan), peut être beaucoup plus subjective lorsqu’il s’agit par exemple des stocks d’eau continentaux, où elle est obtenue en divisant la valeur du stock par la surface des continents (environ 149 106 km2).
L'épaisseur moyenne de l'océan est de 3 715 m à rapporter à la surface indiquée

Les flux annuels exprimés en km3 correspondent à la variation annuelle de chacun des stocks, c'est à dire aux transferts d’eau annuels entre les différents réservoirs de la planète.

La lame d’eau équivalente exprimée généralement en mm par an se déduit du flux, obtenue en divisant la valeur du flux par la surface du réservoir qui lui correspond. Par exemple, la lame d’eau correspondant au flux annuel d’évaporation de l’océan s’obtiendra en divisant le flux (413 000 km3) par la surface de l’océan, soit environ 1 150 mm. Cette unité est équivalente à celle de la pluviométrie utilisée en météorologie.  

Le temps de résidence en années, jours ou heures est obtenu par la division d’un stock par le flux qui assure son renouvellement. Chaque molécule d’eau de l’hydrosphère ne participe pas en permanence aux différents flux entre réservoirs, puisqu’elle reste un certain temps dans chacun d’entre eux. La durée moyenne durant laquelle chaque molécule demeure dans un réservoir donné est appelée temps de résidence moyen.

Le schéma ci-dessous montre le parcours entre les grands réservoirs d'eau liquide, solide ou de vapeur d'eau : océans, atmosphère, eau de surface, eaux souterraines et glaciers.


  • Les chiffres sont à prendre davantage comme des ordres de grandeur moyens. Ils varient d’une publication à l’autre selon l’origine plus ou moins récente et exhaustive des données utilisées. Ce sont donc des «estimations» collationnées de manière à «boucler» le bilan hydrologique. L’objectif d’un tel tableau est de fournir une estimation globale des grandes masses d’eau et de leurs interrelations à diverses échelles de temps.
     

  • Les volumes d’eau des réservoirs sont en perpétuelle interaction, par évaporation, sublimation, condensation, fonte, ruissellement, infiltration, etc. La vapeur d’eau est plus légère que l’air sec, et a donc tendance à s’élever dans l’atmosphère, puis à se condenser et précipiter sous forme de pluie ou de neige.
     

  • Sur la planète, les réservoirs d’eau douce représentent à peine 3% des volumes totaux de l’hydrosphère. Ils ne sont de plus pas tous utilisables (glaciers, Antarctique, etc.). le volume des eaux douces directement utilisables ne représentent donc que quelques millions de m3, dont la plus grande partie est constituée d’eaux souterraines exploitables.
     

  • Il s’évapore chaque année en moyenne plus d’eau douce sur les océans qu’il ne s’en précipite. Cet excédent, transféré sur les continents, y précipite.
     

 

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Commentaires

La superficie de l’Océan Terrestre. 360 millions de km2 C’est 70% de la surface du globe terrestre et 650 fois celle de la France continentale
La profondeur moyenne de l’Océan. 3 800 m Si le globe terrestre est représenté par une sphère de 1 mètre de diamètre l’Océan n’est qu’une fine pellicule d’eau de 3 dixièmes de millimètre d’épaisseur répartie sur sa surface. 
La masse de l’Océan 1,4.1018 tonnes, soit 1,4 Exa tonnes.  C’est 97% de l’eau de notre biosphère. C’est près de 300 fois plus que la masse de l’air de l’atmosphère. 
L’énergie thermique exportée par l’océan depuis la zone tropicale vers les pôles. Ce sont 3.1015 Joule (soit 3 Peta J) qui transitent chaque seconde des tropiques vers les pôles. La puissance de ce flot d’énergie est de 3 PetaW ou 3PW.  La quantité d’énergie solaire absorbée par seconde par l’océan est de l’ordre de 4.1016 J. C’est donc près du dixième de cette puissance thermique qui va réchauffer les pôles et qui contribue , avec l’air de l’atmosphère, à réguler la température de notre biosphère.
La capacité de l’Océan à stocker de la chaleur. La chaleur spécifique de l’eau est de 4 kJoule par kilogramme et par degré. Elle est 4 fois supérieure à celle de l’air.  C’est 1200 fois la capacité de l’atmosphère. 
La capacité de l’Océan à stocker le Carbone du dioxyde de carbone -CO2- produisant l’effet de serre. On estime à 40.000 milliard de tonnes le Carbone stocké dans l’Océan C’est près de 100 fois plus que celle de l’atmosphère qui est de 500 milliard de tonnes; rappelons que la combustion des combustibles fossiles en libère 7 milliard de tonnes d’équivalent Carbone par an.
Le débit "du Gulf Stream" Il est de l’ordre de 90 Sv* devant le Cap Hatteras (*Le Sv ou Sverdrup est l’unité de débit utilisé par les océanographes. Un Sv est égal à 1 million de m3 d’eau par seconde). La masse d’eau océanique qui s’évapore dans l’atmosphère est de 10 Sv. Le débit des précipitations est de 9 Sv. On estime le débit de tous les fleuves et rivières voisin de 1 Sv.Si on versait de manière continue de l’eau dans l’océan avec un débit de 1 Sv son niveau monterait de 10 cm par an. 
L’énergie thermique du Gulf Stream. On estime que le transfert   thermique des tropiques vers la région arctique du au  Gulf stream  est de 1.1015 W  ou 1 PetaW.. La consommation  mondiale  d’énergie  est  de   l’ordre de 10 000 GigaJoule  par seconde. C'est l'énergie équivalente à celle qui serait produite pendant une seconde de fonctionnement continu d'un ensemble de 10 000 centrales électriques de 1GW (soit   10 Tera W). Ceci représente  près de 1% de la puissance  thermique  du  Gulf  Stream. C’est aussi  3 fois la  puissance  totale  dissipée  dans l'océan mondial par  les marées qui serait de l'ordre de 3,5 TW
Unités utilisées Million ou Mega ou M =106 ; Milliard ou Giga ou G=109

Tera ou T = 1012;  Peta ou P= 1015 ; Exa ou E= 1018

Quelles sont les définitions et correspondances des unités énergétiques couramment utilisées?

Mai 2006

L'unité officielle d'énergie, de travail et de quantité de chaleur,  est le joule (J)  ou le wattheure (Wh).

Dans le domaine de l'énergie, les quantités manipulées sont souvent gigantesques, on utilise donc les déclinaisons des unités officielles :

Dénomination

Unité de base multipliée par 

Symbole

Kilo x 1000 ou 103 k
Méga x 1 000 000 ou 106 M
Giga x 1 000 000 000 ou 109 G
Téra x 1 000 000 000 000 ou 1012 T
Peta x 1 000 000 000 000 000 ou 1015 P

 

Du fait de l'importance économique et politique du pétrole, une nouvelle unité s'est imposée pour comparer les différentes sources d'énergie : la tonne équivalent pétrole ou encore tep.

Pour pouvoir comparer les énergies disponibles, on calcule des coefficients d'équivalence par rapport à cette unité de base : la tep.

Mais, les différents modes de production d'énergies ne se ressemblent pas, ce qui entraîne une difficulté pour établir des comparaisons indiscutables. 

Il faut en effet distinguer l'énergie primaire de l'énergie finale.

L'énergie primaire est celle que l'on trouve directement dans la nature (hydrocarbures, soleil, vent...) et qui sert à la production de l'énergie finale, c'est à dire, celle utilisée par le consommateur.

Depuis 2002, la France s'est ralliée à l'usage international (AIE), consistant à comptabiliser, en Mtep, les énergies  finales, ce qui permet de les comparer quel que soit leur mode de production. 

L'énergie dérivée des hydrocarbures raffinés ou purifiés (pétrole, gaz, mazout, essence, charbon..)  peut être directement brûlée par le consommateur  (chauffage, moteur thermique...) et est dans ce cas une énergie finale. 

Pour traduire en tep ces énergies finales, on exprime en Giga Joules l'énergie produite par la combustion du produit considéré, puis on divise par 42. 

L'énergie électrique résulte soit d'une transformation thermodynamique (pétrole, nucléaire, ETM), soit d'une conversion mécanique (vent, eau), ou photovoltaïque (solaire)...  Elle s'exprime soit en kWh, soit en GWh. 

On prend en compte l'énergie électrique arrivée chez les consommateurs et on passe successivement des GWh (1 GWh = 3 600 GJ), aux GJ, puis au Mtep selon la deuxième ligne du tableau ci-dessous./

Le tableau ci-après donne les correspondances :

1 téra Joule (TJ)       0,278 GWh

23,81 tep 

(23,81.10-6 Mtep)

1 gigawattheure (GWh)    3,6 TJ

86 tep

(86.10-6 Mtep)

1 méga tep (1Mtep)    42.10TJ  11 667 GWh

 

La différence entre énergie primaire et énergie finale correspond à des pertes et/ou une pollution thermique qui dépendent du rendement de production, ainsi que du transport. Le rapport de ces deux termes se situe en général entre 1 et 3.

A titre indicatif, la consommation d'énergie primaire était de 10 Gtep en 2001, dont 40% environ sous forme de "vrai pétrole".


Pour en savoir plus :

De l'énergie primaire à l'énergie finale (Global chance)

Connaissances des énergies