Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
29. janvier 2024

Écosystèmes

Le mouvement des gaz à travers un lac

La nuit et pendant les froides journées d’hiver, l’eau du lac refroidit plus rapidement à proximité du rivage qu’au milieu du lac. Il en résulte un courant qui relie les berges à la partie plus profonde du plan d’eau. Une équipe internationale dirigée par des chercheuses et chercheurs de l’Eawag a pu montrer pour la première fois que cette circulation horizontale transporte des gaz comme l’oxygène et le méthane.

Les rives du lac sont directement concernées par les activités humaines: on y nage et on y pêche, l’eau des rivières s’y jette et des polluants peuvent s’échapper des eaux usées. Il était communément admis jusqu’à présent qu’un composé libéré sur le rivage se répandait lentement dans le lac et se dégradait, de sorte qu’il demeurait seulement détectable en faible concentration dans les eaux profondes. «Nous montrons dans notre projet que cela n’est pas forcément le cas», explique Tomy Doda, scientifique dans le groupe de physique aquatique de Damien Bouffard à l’Eawag et auteur principal de l’étude. «Lorsqu’il existe un courant qui relie la zone du rivage au milieu du lac, la substance est transportée beaucoup plus vite et atteint les régions profondes avant d’être complètement diluée et décomposée.»

S’il s’agit d’un polluant, les conséquences sur l’écosystème du lac peuvent être néfastes. En revanche, on peut imaginer qu’il y a des effets positifs si un tel courant fournit par exemple de l’oxygène aux espèces aquatiques. «Le résultat principal de notre travail indique que nous devons remettre en question l’idée courante selon laquelle le rivage et le centre du lac sont déconnectés», précise T. Doda.

Le refroidissement génère les courants

Dans le terminologie scientifique, les chercheuses et chercheurs désignent la zone proche des rives d’un lac par «zone littorale» et la zone éloignée des berges par «zone pélagique». Le vent et les vagues peuvent notamment créer un courant reliant les zones littorale et pélagique. T. Doda et ses collègues analysent néanmoins dans leur étude un tout autre phénomène. Celui-ci est provoqué par le refroidissement de la surface du lac pendant la nuit ou les froides journées d’hiver lorsque l’air est plus froid que l’eau du lac. L’eau refroidie à la surface est plus dense et coule vers le fond. Ce mouvement est appelé «convection».

«Un autre phénomène nous intéresse tout particulièrement», précise T. Doda. «Étant donné que le lac est moins profond à proximité du rivage, l’eau s’y refroidit plus vite qu’au milieu du lac.» Par conséquent, l’eau près du rivage est plus dense et s’écoule comme une cascade sous-marine jusqu’au milieu du lac en suivant le fond. Cela provoque un courant inverse à la surface qui équilibre l’écoulement vers les profondeurs du lac.

Ce processus, désigné par les termes de «circulation convective latérale» ou «siphon thermique», est certes connu depuis longtemps, mais sa capacité à transporter des substances à partir du rivage n’avait encore jamais été analysée. «C’est précisément ce que nous avons fait dans notre étude», explique T. Doda. «Nous avons étudié les gaz, mais il serait également intéressant d’analyser le devenir d’autres substances comme les nutriments ou les polluants. Nous avons choisi les gaz, car ils ont beaucoup d’effets sur l’écosystème.» L’oxygène est en effet vital à de nombreux organismes. Sans oublier que la recherche climatique tente de quantifier les émissions de gaz à effet de serre provenant des lacs.

 

Expérimentations sur le Rotsee

Les chercheuses et chercheurs de l’Eawag ont choisi le Rotsee, près de Lucerne, pour effectuer leurs mesures, car il est particulièrement protégé du vent. Une caractéristique qu’apprécient également les rameuses et rameurs pendant les régates internationales qui y sont fréquemment disputées. L’équipe de recherche a profité du temps froid de novembre pour passer deux jours et deux nuits sur le lac.Elle a installé des capteurs de vitesse et de température de l’eau au fond du lac, puis a procédé à des mesures en continu à partir d’un bateau et d’une plateforme.

Afin de déterminer si le siphon thermique transporte effectivement du gaz, les chercheuses et chercheurs ont utilisé dans un premier temps le krypton, un gaz noble inerte, qu’ils ont injecté au niveau de la rive du lac. Grâce aux différentes mesures effectuées, l’équipe a pu démontrer que le krypton était transporté de la zone littorale à la zone pélagique par le courant. Pour mesurer la concentration de gaz, les chercheuses et chercheurs ont utilisé un spectromètre de masse portatif développé pour de telles analyses par «Gasometrix GmbH», un spin-off Eawag.

Lors d’une deuxième étape, l’équipe de T. Doda a suivi l’oxygène naturellement présent dans le lac. Au moment des mesures, ce gaz était présent en concentration plus élevée dans la zone littorale qu’au milieu du lac. «Il devrait donc se comporter de manière similaire au krypton que nous avons introduit», explique le scientifique. «Nous avons effectué les mêmes mesures et avons ainsi pu démontrer que le courant transporte aussi l’oxygène vers la zone pélagique.» Enfin, l’équipe a étudié le méthane. Sa concentration était plus élevée au milieu du lac que près du rivage. Et les mesures ont effectivement montré en plusieurs points que le méthane avait été transporté à la surface dans la direction inverse, soit de la zone pélagique vers la zone littorale.

La vitesse à laquelle se déplacent les gaz était un aspect particulièrement intéressant. «Ce transport est dix fois plus rapide que ce à quoi l’on pourrait s’attendre sans la présence de ce courant», précise T. Doda. «Nous pensons par conséquent qu’il faudra tenir compte de ce processus dans de futures études.»

(Source: Eawag)

Publication originale
Doda, T.; RamĂłn, C. L.; Ulloa, H. N.; Brennwald, M. S.; Kipfer, R.; Perga, M.-E.; WĂĽest, A.; Schubert, C. J.; Bouffard, D. (2024) Lake surface cooling drives littoral-pelagic exchange of dissolved gases, Science Advances, 10(4), eadi0617 (9 pp.), doi:10.1126/sciadv.adi0617, Institutional Repository

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