Systèmes terrestres et ressources

Le 26 décembre 2004, le fond marin au large de Sumatra s’est soulevé de plusieurs mètres. Le séisme a duré près de dix minutes et le tsunami qu’il a provoqué a tué environ 230,000 personnes dans quatorze pays. Il s’est produit là où une plaque glisse sous une autre. Cette unité porte sur la Terre physique qui constitue le support de tous les écosystèmes : ses plaques en mouvement, son sol, son air, ses vents et son eau, ainsi que la lumière solaire qui les anime.

La couche externe de la Terre (la lithosphère) est découpée en plaques rigides qui se déplacent de quelques centimètres par an sur le manteau chaud et lentement fluide situé en dessous. C'est la tectonique des plaques. La plupart des séismes et des volcans se produisent aux bords des plaques, les limites de plaques.

• Divergente : le magma remonte dans l'espace créé et se refroidit pour former une nouvelle croûte. Sur le plancher océanique, c'est l'extension océanique (crête médio-atlantique) ; sur terre ferme, elle crée un rift (Afrique de l'Est). L'Islande est située sur la crête médio-atlantique.
• Convergente : lorsqu'une plaque océanique rencontre une plaque continentale, la plaque océanique plus dense plonge sous elle. C'est la subduction. À mesure que la plaque plongeante descend profondément, l'eau libérée abaisse le point de fusion des roches du manteau situées au-dessus, ce qui entraîne sa fonte ; le magma remonte pour former des volcans (les Andes). Lorsque deux plaques océaniques se rencontrent, la subduction forme une chaîne d'îles volcaniques, un arc insulaire (Japon, Philippines). Lorsque deux continents se rencontrent, aucun ne plonge, donc la croûte s'effrite pour former de hautes montagnes (l'Himalaya).
• Transform : les plaques glissent l'une contre l'autre, comme la faille de San Andreas en Californie.

Pourquoi les séismes se produisent. Entre deux séismes, la friction bloque ensemble les deux côtés d'une faille tandis que les plaques continuent de bouger, ce qui fait s'accumuler des contraintes dans la roche. Lorsque ces contraintes dépassent la friction, la faille se rompt brusquement et l'énergie emmagasinée est libérée sous forme de séisme.

Les points chauds sont des endroits où un panache de manteau chaud remonte sous le centre d'une plaque, comme sous Hawaï. La plaque se déplace au-dessus du point chaud fixe, laissant une chaîne de volcans dont l'âge augmente à mesure qu'on s'en éloigne.

Sur une carte des limites de plaques, on peut prédire l'emplacement des volcans, des séismes, des arcs insulaires et des failles. Les limites de plaques apportent des risques, mais aussi des sols volcaniques fertiles et des gîtes minéraux.

Exemple résolu (taux). Une plaque se déplace 5 cm par an. En 1 millions d'années, elle parcourt $5\ \text{cm/yr}\times 10^{6}\ \text{yr}=5\times10^{6}\ \text{cm}$. Conversion : $5\times10^{6}\ \text{cm} \div 100 = 5\times10^{4}\ \text{m} = 50\ \text{km}$. De faibles mouvements annuels peuvent ouvrir des océans sur des échelles géologiques.

Le sol est un mélange de roche altérée, de matière organique, d’eau, d’air et d’êtres vivants. Il se forme lorsque le matériau parental (roche locale ou matériau déposé) est décomposé par altération et mélangé à de la matière organique ; son transport n’est pas nécessaire.

• Altération physique : la roche se brise en morceaux plus petits sans changement chimique, par exemple par l'expansion de la glace dans les fissures, les racines ou l'action du vent et de l'eau.
• Altération chimique : la roche subit des changements dus à des réactions chimiques, par exemple par la pluie acide dissolvant le calcaire.
• Activité biologique : les plantes, champignons, vers et bactéries ajoutent de la matière organique et mélangent le sol. La matière morte se décompose pour former un humus sombre.

Le sol se forme très lentement : environ 2–3 cm en quelques centaines d'années ou plus. Il se forme plus rapidement dans les climats chauds et humides, où l'altération et la décomposition sont plus rapides, et plus lentement dans les régions froides ou arides. Sur un nouveau paysage volcanique, la succession primaire débute avec des lichens et des mousses qui fragmentent la roche et ajoutent de la matière organique jusqu'à ce qu'un sol suffisant existe pour accueillir des herbes, puis des arbustes et des arbres.

Horizons du sol. Au fur et à mesure que le sol se développe, il forme des couches appelées horizons :

L'érosion est le retrait du sol par le vent ou l'eau. Elle est naturelle, mais les humains l'accélèrent en retirant le couvert végétal : cultures sur terrains nus, déforestation, surpâturage et construction. Le sol érodé finit dans les cours d'eau sous forme de sédiments, ce qui trouble l'eau (haute turbidité), bloque la lumière pour les plantes aquatiques et ensevelit les œufs de poissons. Un sol sain filtre également et purifie l'eau qui le traverse, donc protéger le sol protège la qualité de l'eau.

Puisque le sol se forme beaucoup plus lentement qu'il ne peut être érodé, un horizon superficiel perdu en quelques années peut mettre des siècles à se reconstituer.

Les particules de sol sont classées par taille en trois groupes :

Le mélange de sable, de limon et d'argile constitue la texture du sol. La texture contrôle trois propriétés :

• Porosité : la fraction du sol constituée d'espaces vides.
• Perméabilité : la vitesse à laquelle l'eau circule dans le sol. Le sable possède des pores grands et connectés avec une perméabilité élevée ; l'argile a de petits pores et une faible perméabilité.
• Capacité de rétention d'eau : la quantité totale d'eau que le sol peut contenir. L'argile et l'humus retiennent le plus ; le sable en retient le moins.

L'argile retient également bien les nutriments, car ses particules minuscules ont une grande surface spécifique. Le loam, un mélange d'environ 40 % de sable, 40 % de limon et 20 % d'argile, est optimal pour la plupart des plantes : il s'écoule bien tout en retenant l'eau et les nutriments.

Le triangle des textures de sol. Un triangle des textures de sol identifie un sol à partir de ses pourcentages de sable, de limon et d'argile. Repérez le pourcentage d'argile sur le côté gauche, celui du limon sur le côté droit et celui du sable en bas ; suivez les lignes depuis chaque côté et lisez la classe où elles se croisent. Les trois pourcentages totalisent toujours 100.

Exemple résolu. Un échantillon de sol contient 10 % de sable et 60 % d'argile. Le limon représente $100 - 10 - 60 = 30\%$ %. En lisant le triangle, le point se trouve dans la classe argileuse. Il retiendra beaucoup d'eau mais s'écoulera lentement, ce qui pourrait entraîner une asphyxie racinaire.

Tests du sol. Les agriculteurs analysent le sol pour déterminer l'irrigation et les engrais :

• Chimique : pH et nutriments tels que l'azote, le phosphore et le potassium.
• Physique : texture (en laissant décantez un échantillon dans un bocal d'eau : le sable se dépose en premier, puis le limon, puis l'argile), capacité de rétention d'eau et vitesse d'infiltration.
• Biologique : nombre de vers de terre et de micro-organismes, ainsi que la teneur en matière organique.

L'atmosphère est la couche de gaz entourant la Terre. L'air sec contient environ 78 % d'azote ($\text{N}_2$), 21 % d'oxygène ($\text{O}_2$), 0.93 % d'argon et environ 0.04 % de dioxyde de carbone, plus des traces d'autres gaz. La vapeur d'eau varie entre 0 et environ 4 %. Les gaz traces sont faibles en quantité mais forts en effet : $\text{CO}_2$, la vapeur d'eau et le méthane retiennent la chaleur (effet de serre).

L'atmosphère comporte des couches définies par la variation de température avec l'altitude :

1. Troposphère (entre 0 et environ 12 km) : la température diminue avec l'altitude. Elle contient environ 75 % de la masse de l'air et presque toute la vapeur d'eau, c'est donc là que se produit tout le temps.
2. Stratosphère (environ 12 à 50 km) : la température augmente avec l'altitude, car la couche d'ozone située ici absorbe les rayons ultraviolets (UV) du Soleil. Cette ozone protège la vie des UV nocifs.
3. Mésosphère (environ 50 à 85 km) : la température redescend ; c'est la couche la plus froide. Les météores y brûlent.
4. Thermosphère (environ 85 à 600 km) : la température monte fortement alors que les gaz absorbent un rayonnement solaire à haute énergie. Les aurores polaires se produisent ici.
5. Exosphère : la fine bordure extérieure, qui s'intègre dans l'espace.

Les grands courants aériens mondiaux sont causés par un réchauffement inégal. La lumière solaire la plus intense atteint l'équateur, où l'air est donc le plus chauffé. L'air chaud étant moins dense, il s'élève. En montant, il refroidit, sa vapeur d'eau se condense et tombe sous forme de fortes pluies : c'est pourquoi les forêts tropicales se situent sur l'équateur.

L'air ascendant se répande vers les pôles en altitude, refroidit, devient plus dense et redescend aux alentours de 30° nord et sud. L'air descendant se réchauffe et est sec, aussi les grands déserts mondiaux (le Sahara, les déserts australiens) se trouvent près de 30°. L'air revient ensuite en surface vers l'équateur. Cette boucle constitue une cellule de convection, la cellule de Hadley. Deux autres cellules (de Ferrel et polaire) prolongent ce schéma vers les pôles, avec un air ascendant (pluies) aux alentours de 60° et un air descendant (sec) aux pôles.

En raison de la rotation terrestre, l'air en mouvement est dévié : vers la droite dans l'hémisphère Nord et vers la gauche dans l'hémisphère Sud. C'est l'effet de Coriolis. Il transforme les vents de surface en vents dominants :

• Alizés (0–30°) : soufflent d'est vers l'équateur.
• Vents d'ouest (30–60°) : soufflent d'ouest. Ils transportent les conditions météorologiques aux États-Unis d'ouest en est.
• Vents d’est polaires (60–90°) : ils soufflent de l’est.

Un bassin versant (aussi appelé bassin hydrographique) regroupe tout le territoire drainant vers un fleuve, un lac ou un autre plan d'eau. Un relief élevé appelé ligne de partage des eaux sépare un bassin versant du suivant. Chaque bassin versant est décrit par sa superficie, sa longueur, sa pente, son sol et sa végétation.

Ces caractéristiques contrôlent le déplacement de l'eau :

• Pente : les pentes raides accélèrent l'écoulement de l'eau, augmentant l'érosion et le risque d'inondations.
• Sol : les sols perméables laissent l'eau de pluie s'infiltrer pour recharger les nappes phréatiques ; les surfaces argileuses ou pavées augmentent le ruissellement.
• Végétation : les racines des plantes maintiennent le sol, et le feuillage ralentit la chute des pluies, de sorte que les bassins versants boisés offrent une eau propre et un débit régulier.

Tout ce qui se trouve sur les terres finira en aval : engrais provenant des fermes, pétrole des routes, sédiments des chantiers de construction. Ainsi, la déforestation d'un bassin versant accroît les sédiments et la turbidité de ses cours d'eau, ainsi que la température de l'eau (moins d'ombre). Les crues naturelles sont utiles : lorsqu'une rivière inonde sa plaine d'inondation, elle dépose des sédiments fertiles et recharge les zones humides et les nappes phréatiques.

Suppression de la végétation riveraine. La bande d'arbres et de plantes le long d'un cours d'eau constitue sa zone riparienne. Si elle est défrichée, les berges s'érodent plus vite, le chenal s'élargit et change de position ; plus de sédiments et de nutriments atteignent l'eau ; et avec moins d'ombre, l'eau se réchauffe et retient moins d'oxygène. Les poissons qui pondent leurs œufs dans un gravier propre perdent leurs sites de fraie lorsque les sédiments le recouvrent.

Exemple résolu (bilan hydrique d'un bassin versant). Un bassin versant fournit en moyenne 9.60 million de pieds-cubes (maf) d'eau à un réservoir chaque année. Un maf correspond à $3.26 \times 10^{11}$ gallons, et un ménage consomme $5.0 \times 10^{4}$ gallons par an. Combien de ménages cette eau peut-elle alimenter pendant un an ?

1. Conversion en gallons : $9.60 \times 3.26 \times 10^{11} \approx 3.13 \times 10^{12}$ gallons.
2. Division par la consommation par ménage : $\dfrac{3.13 \times 10^{12}}{5.0 \times 10^{4}} \approx 6.3 \times 10^{7}$ ménages, soit environ 63 millions.
3. Lors d'une année de sécheresse où le débit de la rivière n'est que de 36 % de la moyenne, cette même quantité d'eau alimente $0.36 \times 63 \approx 23$ millions de ménages.

Conservez les unités sur chaque ligne, et divisez les puissances de dix en soustrayant les exposants ($10^{12} \div 10^{4} = 10^{8}$).

Insolation (rayonnement solaire entrant) est la principale source d'énergie de la Terre. La quantité reçue par un lieu dépend de l'angle des rayons solaires. Près de l'équateur, les rayons frappent la surface presque perpendiculairement, donc l'énergie d'un faisceau se concentre sur une petite zone. Près des pôles, le même faisceau frappe à un angle faible et s'étend sur une surface beaucoup plus grande, de sorte que chaque mètre carré reçoit moins d'énergie. Il traverse également une épaisseur d'atmosphère plus importante. C'est pourquoi l'insolation est maximale à l'équateur et diminue vers les pôles.

Les saisons sont causées par l'inclinaison de l'axe terrestre (environ 23.5°), et non par la distance de la Terre au Soleil. L'axe pointe toujours dans la même direction dans l'espace. En juin, l'hémisphère Nord est incliné vers le Soleil : le Soleil est haut dans le ciel, ses rayons sont plus directs et les jours sont plus longs, ce qui provoque l'été dans le nord. En même temps, l'hémisphère Sud est incliné en arrière et connaît l'hiver. En décembre, la situation s'inverse.

Un lieu reçoit le plus de rayonnement solaire lors de sa plus longue journée d’été et le moins lors de sa plus courte journée d’hiver. Près de l’équateur, la durée du jour et l’ensoleillement changent peu au cours de l’année ; la température varie donc peu, même si les saisons humide et sèche peuvent être très marquées.

Le temps qu'il fait désigne les conditions atmosphériques d'une journée donnée ; le climat est la moyenne des modèles sur 30 ans ou plus. Le climat dépend de l'énergie solaire, mais aussi de la géographie :

• Latitude : latitude plus élevée, insolation réduite, température plus froide.
• Altitude : l'air refroidit d'environ 6.5 °C pour chaque 1000 m d'altitude, donc les montagnes sont plus froides.
• Océans : l'eau chauffe et refroidit lentement, aussi les régions côtières ont-elles un climat plus doux que les terres intérieures. Les courants océaniques transportent la chaleur : le Gulf Stream garde l'Europe de l'Ouest plus chaude que sa latitude ne le suggérerait.
• Montagnes : elles bloquent les vents et créent des zones d'ombre pluviométrique.

Une zone d'ombre pluviométrique se forme lorsque un vent humide rencontre une chaîne de montagnes. L'air est forcé de monter du côté au vent, refroidit et sa vapeur d'eau se condense pour tomber sous forme de pluie. L'air qui franchit le sommet a perdu son humidité ; il redescend du côté sous le vent et réchauffe, rendant ce côté sec. Death Valley, en Californie, se trouve dans l'ombre pluviométrique de la Sierra Nevada.

El Niño et La Niña sont des variations de la température de surface de l'océan Pacifique tropical ainsi que des vents au-dessus, qui se reproduisent tous les quelques années. Ensemble, elles constituent l'oscillation El Niño–Sud (ENSO).

Une année normale. De forts vents alizés soufflent d'est en ouest à travers le Pacifique. Ils poussent l'eau de surface chaude vers l'ouest, vers l'Indonésie et l'Australie, où cette eau chaude réchauffe l'air, qui monte et apporte des pluies abondantes. Au large de la côte du Pérou, les vents repoussent l'eau de surface, et l'eau froide riche en nutriments remonte depuis les profondeurs. Cet upwelling nourrit le plancton et soutient l'une des pêcheries les plus riches au monde.

El Niño. Les alizés faiblissent ou s’inversent même. L’eau chaude s’étend vers l’est à travers le Pacifique jusqu’en Amérique du Sud. La remontée d’eaux profondes au large du Pérou faiblit, ce qui réduit le plancton et les prises de poissons. Les pluies se déplacent vers l’est avec l’eau chaude : le Pérou et l’Équateur connaissent des inondations, tandis que l’Indonésie et l’Australie subissent des sécheresses et des feux de végétation. Les effets se propagent dans le monde entier : le sud des États-Unis connaît généralement un hiver plus humide.

La Niña est l'opposé : les vents alizés deviennent plus forts que la normale, le Pacifique oriental devient plus frais que la normale, l'upwelling augmente et l'ouest reçoit encore plus de pluie. Le sud des États-Unis connaît généralement un hiver plus sec, et les ouragans atlantiques sont plus fréquents.

Le même événement affecte différents lieux selon leur emplacement et leur géographie.

Répondez à chaque question avant de lire les réponses ci-dessous.

1. Décrivez ce qui se produit lorsqu’une plaque océanique rencontre une plaque continentale et nommez deux formations qui apparaissent.
2. Un sol contient $40\%$ de sable, $40\%$ de limon et $20\%$ d’argile. Nommez sa texture et indiquez quel type de sol se draine le plus rapidement.
3. Nommez la couche de l’atmosphère où se produisent les phénomènes météorologiques et celle qui contient la couche d’ozone.
4. Expliquez comment une chaîne de montagnes crée une ombre pluviométrique.
5. Décrivez les effets d’un épisode El Niño sur les pêcheries au large du Pérou.
6. Expliquez ce qui provoque les saisons sur Terre.

1. La plaque océanique, plus dense, plonge sous la plaque continentale par subduction (une limite convergente), formant une fosse océanique profonde et des volcans, et provoquant des séismes.
2. Sol franc. Le sol sableux se draine le plus rapidement : ses grosses particules laissent de grands pores.
3. La troposphère ; la stratosphère.
4. L’air humide s’élève sur le versant au vent, se refroidit et libère sa pluie. L’air qui descend sur le versant sous le vent est sec et se réchauffe ; ce versant est donc désertique.
5. Les alizés faiblissent, l’eau chaude s’étend vers l’est et la remontée d’eau froide riche en nutriments au large du Pérou diminue. Le plancton régresse, tout comme les prises de poissons (anchois).
6. L’axe de la Terre est incliné d’environ $23.5^\circ$ ; ainsi, lorsque la Terre tourne autour du Soleil, chaque hémisphère reçoit une lumière solaire plus directe et connaît des journées plus longues pendant une partie de l’année. La distance au Soleil n’en est pas la cause.

• Associez chaque limite de plaque à ce qu'elle produit : divergente (expansion, rifts), convergente (subduction, volcans, montagnes, arcs insulaires, fosses), transformante (séismes uniquement).
• Pour expliquer les volcans de subduction : la plaque plus dense s’enfonce et libère de l’eau, ce qui abaisse la température de fusion des roches du manteau situées au-dessus ; ces roches fondent et le magma remonte.
• Connaître les horizons du sol (O, A, B, C, R) et utiliser le triangle des textures : les trois pourcentages s'additionnent à 100.
• Le sable se draine rapidement et retient peu d'eau ; l'argile en retient beaucoup mais se draine lentement ; le limon est le meilleur pour les cultures.
• Couches de l'atmosphère : troposphère (météo), stratosphère (couche d'ozone absorbe les UV, donc elle se réchauffe avec l'altitude).
• Vents mondiaux : air ascendant à l'équateur (pluies), air descendant à 30° (déserts) ; l'effet de Coriolis dévie les vents.
• Les saisons proviennent de l'inclinaison de la Terre, pas de sa distance par rapport au Soleil.
• Une ombre pluviométrique est sèche du côté sous le vent. Indiquez quel côté reçoit la pluie et pourquoi : l'air ascendant refroidit et condense.
• El Niño : les alizés faiblissent, l’eau chaude se déplace vers l’est, la remontée d’eaux profondes faiblit au large de l’Amérique du Sud et les pêcheries déclinent.