La « Zone Critique »

Par Jonathan Schuite

C’est aux Etats-Unis d’Amérique, à l’aube du XXIe siècle, qu’a émergé le concept de « Zone Critique » afin de rappeler aux scientifiques et au reste du monde que la Terre, en somme, ne comprenait qu’un compartiment relativement restreint capable de soutenir la vie continentale, incluant celle des humains. La Zone Critique (ZC) est donc définie comme l’espace mettant en interaction l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère, la pédosphère ainsi que la lithosphère, et étant de ce fait le siège de nombreux processus physiques, chimiques et biologiques qui façonnent les caractéristiques des écosystèmes, des paysages, des activités anthropiques, etc. Son extension, qui est parfois débattue, s’étend verticalement du sommet de la végétation jusqu’à la limite inférieure des aquifères et latéralement sur toute la surface des continents. Les processus qui y opèrent, quant à eux, couvrent des échelles allant de la molécule jusqu’à la planète dans sa globalité, et de la seconde jusqu’à plusieurs millions d’années. Ainsi, la ZC constitue typiquement un système complexe subissant des forçages externes comme l’action du climat ou de la tectonique, et produisant à différents niveaux des réponses observables qui peuvent potentiellement être interprétées pour caractériser ses propriétés, comme le débit d’une rivière ou le taux d’érosion d’un sol par exemple (figure ci-dessous). Ce faisant, la ZC engendre également des rétro-actions sur ses forçages externes, dont certaines sont le cœur de certaines préoccupations sociétales, comme l’empreinte des activités anthropiques sur le changement climatique, sur la favorisation des aléas séismiques, ou encore sur le rendement des activités agricoles.


Organigramme des interactions dans et autour de la Zone Critique (ZC) modifié d’après Brantley et al. (2007). Les flèches matérialisent le sens des actions et rétro-actions des processus de la ZC, que l’on illustrera ici par quelques exemples (cf. numéros). Les activités humaines ont des conséquences qui peuvent changer significativement les propriétés de la ZC (1), à travers l’agriculture intensive notamment. Celle-ci engendre une dégradation des sols en favorisant l’érosion (5) ce qui a un impact sur la redistribution du carbone organique et non-organique, pouvant affecter les écosystèmes (4) mais aussi le climat (7 & 10). L’agriculture intensive est aussi l’une des principales causes de la sur-exploitation de l’eau souterraine (1 & 6). Cela engendre des conséquences sur l’utilisation de l’eau par les sociétés qui doivent rationaliser sa consommation (8 & 12). Plus généralement, la dynamique des réservoirs d’eau souterraine joue un rôle important dans les actions et rétro-actions de/sur l’atmosphère et le climat (7, 10 & 11). Puis, on peut noter que l’atmosphère quant à elle joue un rôle sur le comportement des espèces animales et végétales (9). Par exemple, l’augmentation sur le long terme de la température pousse certaines espèces aviaires à adapter le rythme de leur reproduction pour le caler sur celui de leurs proies (chenilles), en utilisant parfois des moyens très spécifiques de communication avec leurs œufs. Ce mode d’adaptation, dit de « plasticité phénotypique » est l’un des nombreux exemples illustrant la très subtile complexité qui résulte des processus internes à la ZC. Même s’il est indéniable que bon nombre d’espèces disparaît dans un monde qui se réchauffe, il n’est pas possible de généraliser ce constat et comprendre ce fonctionnement hétérogène des écosystèmes est crucial pour les préserver. Dans les systèmes complexes comme la ZC, cette notion est valable pour le domaine de l’écologie comme pour tous les autres. Enfin, la ZC interagit avec son contexte tectonique (2 & 3) sur des échelles de temps courtes et longues. Par exemple, l’érosion peut entraîner la rupture en profondeur de failles par une diminution des contraintes de surface et provoquer des séismes (3). Cela a été observé de façon similaire par sur des variations saisonnières du niveau d’un lac. Au contraire, des séismes peuvent aussi engendrer des glissements de terrain qui aboutissent parfois à la formation d’une rétention d’eau ou d’un lac (2).

Schématiquement, la ZC est entraînée par un moteur et une seule corde qui lient ses différents compartiments entre eux: le Soleil et l’eau, respectivement. En effet, le Soleil est la source d’énergie permettant d’actionner le cycle de l’eau et la photosynthèse des espèces végétales, qui sont les habitats et la nourriture pour nombre d’espèces animales. Quant à l’eau, par ses propriétés physico-chimiques singulières (tableau ci-dessous), elle est à la fois un vecteur et un agent souvent central dans un large panel de mécanismes s’opérant dans la ZC, et il semble important de décrire en quoi son rôle y est fondamental. En effet, l’eau peut se présenter sous ses trois états solide, liquide et gazeux au sein de l’environnement. Cette faculté, qui dépend principalement de la température et de la pression, lui confère la possibilité de circuler dans tous les compartiments de la ZC: atmosphère (gaz ou liquide), surface des sols (liquide ou solide), sub-surface (liquide) et biosphère (liquide). En conséquence, l’eau permet de véhiculer entre ces compartiments de l’énergie et de la matière solide et dissoute qui découlent des processus bio-physico-chimiques de la ZC.

Propriétés physiques et chimiques remarquables de l’eau et conséquences sur son double rôle d’agent et de vecteur dans les systèmes environnementaux de la Terre.

Pour illustrer ce propos, nous pouvons prendre l’exemple d’une plante tirant parti de la tension superficielle élevée de l’eau pour la prélever dans le sol et la faire remonter par capillarité le long de ses racines et de sa tige. Emportant des sels minéraux nécessaires au métabolisme de la plante, l’eau est aussi utilisée dans la réaction de photosynthèse qui alimente ses cellules. Dans ce cas, l’atout de l’eau est d’être un composé chimique réagissant facilement et comportant deux des quatre atomes majeurs du vivant (hydrogène, oxygène, carbone et azote). Puis, la plante sera consommée par un animal ou mourra. Finalement, le produit de sa dégradation, riche en matières organiques, pourra être emportée dans le sol par l’infiltration de l’eau pluviale qui alimentera ainsi les micro-organismes qui s’y développent. Plus en profondeur, elle entrera en contact avec la roche saine. Là, l’eau est capable par sa forte dipolarité de briser les liaisons cristallines des minéraux, principalement par hydrolyse ou dissolution. Elle emporte ainsi les éléments solubles (comme certains cations, calcium, potassium, sodium… et les oxyanions comme les hydrogénocarbonates) en laissant les hydrolysats insolubles sur place. Sur un temps long (cent mille à un million d’années), cela aboutit à la formation et au développement des horizons de sols et conditionne la biodisponibilité des sels minéraux. Ce bref exemple ainsi que le tableau ci-dessus montrent que le rôle de l’eau est central dans la ZC, à différentes échelles de temps et d’espace. De ce fait, la caractérisation et la quantification des flux et stocks d’eau de l’environnement constituent un enjeu scientifique et sociétal majeur.

Parmi les ressources naturelles de la ZC, l’eau souterraine en représente l’une des plus importantes pour nos sociétés. Un tiers de l’eau totale prélevée dans l’environnement pour les activités humaines provient des réservoirs d’eau souterraine, aussi nommés aquifères. La plus grande part de ce volume sert en agriculture pour l’irrigation tandis que le reste se partage entre l’usage domestique et industriel. L’importance de la réserve d’eau souterraine n’est donc pas seulement économique mais soutient une large part de la demande mondiale en terme d’alimentation et de besoins sanitaires. D’autre part dans de nombreuses situations, l’eau souterraine participe au maintien du débit des rivières, du stock des lacs et par conséquent elle entretient indirectement les écosystèmes qui en dépendent. Son avantage par rapport aux ressources de surface est qu’elle est davantage isolée des activités anthropiques susceptibles de nuire à sa qualité, et elle est relativement peu ou pas sujette à l’évaporation ce qui, combiné à la lenteur des écoulements dans le compartiment souterrain, en fait une ressource plutôt pérenne et résiliente. Toutefois, la qualité et la quantité de l’eau souterraine ont diminué fortement dans certaines régions du monde. En Inde par exemple, la Révolution Verte amorcée dans les années 70 dans le but d’atteindre une autonomie agro-alimentaire a contribué à une baisse drastique des niveaux des nappes exploitées pour l’irrigation, atteignant 4 cm/an, ainsi qu’à l’augmentation de leur concentration en fluor parfois bien au delà du seuil de dangerosité pour la santé humaine. Ces baisses du niveau piézométrique ont en l’occurrence modifié le fonctionnement inter-annuel de l’aquifère avec l’apparition d’une forte compartimentation en période de basses eaux. D’autres études se tournant sur l’impact de l’irrigation massive précisent que certes, l’agriculture intense peut faire diminuer le stock d’eau des aquifères, mais peut aussi le renflouer via l’irrigation par les eaux de surfaces (lacs, rivières), et ce qui peut dans le même temps perturber les climats régionaux par l’augmentation de l’humidité des sols. Ces exemples illustrent que les aquifères sont des compartiments aussi essentiels que fragiles au sein de la ZC, et qu’ils sont sujets à des variations rapides dont les causes et effets nécessitent des études approfondies et nouvelles pour rendre leur exploitation raisonnée et durable.

De telles études doivent notamment s’appuyer sur un suivi durable et extensif de la ZC par des mesures géochimiques, instrumentales ou spatiales permettant d’affiner la conceptualisation de son fonctionnement et de prédire sa réponse à un changement de forçage. C’est ainsi que depuis 2007 a émergé un réseau d’observatoires de la ZC, d’abord aux Etats-Unis puis dans le reste du monde. Ces observatoires sont des bassins versants naturels bien instrumentés dédiés à la collecte d’un ensemble de données classiquement attribuées à différentes disciplines des sciences de l’environnement: mesures hydrogéochimiques, profils de sol et analyse d’échantillons de sol à plusieurs profondeurs, suivi du débit des rivières et du niveau de l’eau souterraine, suivi météorologique, suivi de la végétation et des écosystèmes, etc. Le but et l’originalité de l’approche ne sont pas de constituer de larges bases de données, qui n’est pas forcément utile en soit, mais tient surtout du fait qu’elle rend possible une analyse intégrative des différents observables dans un cadre pluridisciplinaire. Mieux encore, l’association de différents observatoires de la ZC permet une analyse comparative mettant en relief des gradients environnementaux, facilitant ainsi la compréhension du rôle que peuvent jouer chaque paramètre. En d’autres termes, le réseau d’observatoires doit couvrir des situations différentes en matière de climat, de lithologie, de topographie, d’utilisation des sols, etc., pour expliquer comment ces facteurs contrôlent le fonctionnement et l’évolution de la ZC. En 2015, on recensait ainsi 64 sites d’observation de la ZC dans le monde, mais de fait, davantage se sont depuis greffés sur cette liste.

%d blogueurs aiment cette page :