Evaporation et interaction sol – atmosphère. Application à l’étude de la sécheresse

Dans notre étude, l’évaporation correspond au passage de l’eau de l’état liquide à l’état gazeux et le processus d’évaporation correspond à une évaporation continue dans le temps. Dans ce mémoire, on utilise ainsi le terme d’évaporation pour le processus d’évaporation. L’évaporation à la surface du sol se produit et se poursuit dans la nature généralement avec trois conditions réunies : (1) une alimentation d’énergie continue ; (2) un gradient de pression de vapeur d’eau négatif entre l’air proche de la surface et l’air à la surface du sol et le vent ; (3) une alimentation d’eau continue du sol (Lal et Shukla 2004; Musy et Higy 2004). L’énergie (1) est utilisée pour produire la chaleur latente pour la vaporisation. Cette énergie provient souvent de la radiation solaire. Elle est positive dans la journée et nulle dans la nuit. Cette énergie peut également émaner directement du sol lui-même en le refroidissant. La deuxième condition parmi les conditions dites atmosphériques est le déficit de la pression de vapeur d’eau. Si cette condition n’est pas vérifiée, l’évaporation est impossible. A noter que la vapeur dans l’air doit être balayée par le vent pour assurer un passage continu à l’état gazeux de l’eau.

La dernière condition pour l’évaporation concerne le sol qui doit présenter une certaine capacité à alimenter de l’eau continuellement. Cette condition est d’abord caractérisée par des conditions en surface telles que la teneur en eau et/ou la succion puis par des paramètres liés au transfert d’eau dans le sol comme la conductivité hydraulique. Ces trois conditions sont indispensables et déterminantes pour l’évaporation. En effet, une forte radiation, un fort gradient de pression de vapeur d’eau et/ou une surface de sol humide engendrent un taux d’évaporation important. Ce dernier dépend encore de plusieurs autres facteurs tels que la salinité de l’eau, la profondeur de la couche d’eau en surface, l’état géométrique de la surface et la couleur du sol. On trouve dans la littérature différentes méthodes pour estimer le taux d’évaporation. Ce dernier peut être déduit directement du bilan d’eau à la surface du sol, ou indirectement à partir du bilan d’énergie. Le taux d’évaporation peut également être calculé directement à partir des paramètres du sol et de l’air comme la teneur en eau du sol, la vitesse du vent, la radiation etc. Ces méthodes seront détaillées dans les prochaines sections après une présentation des dispositifs expérimentaux qui sont souvent utilisées pour étudier l’évaporation, l’évolution des différents paramètres durant l’évaporation, et les phénomènes influençant l’évaporation.

Dispositifs expérimentaux utilisés pour étudier le phénomène d’évaporation

De nombreux dispositifs expérimentaux développés dans le passé permettent l’étude sur l’évaporation. On peut citer ici le bac d’eau, le lysimètre, la chambre environnementale, le système de wind-tunnel, la station météorologique, etc. Le bac d’évaporation (Figure I.1) est le dispositif le plus simple qui peut être utilisé en laboratoire (Wilson et al. 1994; Wilson et al. 1997) ou in-situ (Blight 1997; Singh et Xu 1997). Il s’agit simplement d’un bac contenant de l’eau et la quantité d’eau évaporée est calculée soit par pesée soit par suivi des repères de la hauteur. Ce dispositif permet en réalité de déterminer le taux d’évaporation maximale (Singh et Xu 1997). Le lysimètre (Figure I.2) est très utilisé grâce à sa capacité de simuler de réelles conditions du sol et de l’atmosphère (Blight 1997; Penman 1948). Il est en général utilisé in-situ. Le lysimètre consiste en un massif de sol découpé de son milieu pour empêcher tout échange thermique et hydraulique. L’eau dans ce massif ne s’infiltre pas dans la couche plus profonde mais elle est récupérée et quantifiée. Le poids du massif est également suivi. Ces mesures permettent d’établir le bilan d’eau du massif et en tirer la quantité d’eau évaporée. En outre, le grand massif de sol considéré permet en général une installation importante des capteurs pour suivre les variations de différents paramètres dans le sol tels que la teneur en eau, la succion et la température. Ces données expérimentales sont utiles pour l’étude sur l’évaporation.