COHÉÉ OU CO NO
d’où la précipitation de CO, Ca.
Parmi les facteurs inorganiques de la précipitation du CO,Ca, il faut citer les échanges de CO, entre les surfaces d’eau et l’atmosphère. L'eau du lac de Neuchâtel, par exemple, est une eau sursaturée en CO. Le brassage de l’eau par lPaction du vent facilite Pétablissement d’un équilibre entre le CO, contenu dans l’eau et celui contenu dans Pair. Pour les ri-
La formation du sédiment calcaire du lac de Neuchâtel sil
vières, la présence de chutes d’eau favorise la formation d’un équilibre entre le CO, contenu dans l’eau et celui contenu dans Pair. L'exemple de Aller est bien connu. Les chutes le long du parcours de la rivière produisent un départ de CO, de l’eau, donc une précipitation de CO, Ca et une diminution de la dureté.
L. W. COLLET (1925, p. 271) estime que la précipitation du CO,Ca dé-
pend 1° de l’échauffement de Peau;
2° de l’évaporation; 3° du mouvement de l’eau.
De ces trois causes, dit-il, la première est sans doute la plus importante. L'eau s’échaufle et produit le départ du CO,. S. GRIPENBERG (1934, p. 180) a remarqué que «la basse température de Peau en hiver accroît la solubilité du CO;Ca». Quant à Pévaporation, elle est considérée par H. KLAHN (1923, p. 206) comme une cause secondaire de précipitation. A. HooKk (1937, p.784) indique même que la perte en eau due à l’évaporation, est sans influence sur la concentration en CO;Ca de l’eau.
D’après ces données, une précipitation inorganique de CO;Ca est influencée principalement par une élévation de la température de eau, l’évaporation et le mouvement de Peau ne jouant qu'un rôle secondaire ou négligeable (comparer avec les résultats expérimentaux, p.71).
Il est très probable qu’à part de rares exceptions, la précipitation de CO,Ca est due simultanément à des facteurs organiques et inorganiques. J. JoHNSToN et E. D. WILLIAMSON (1916, p. 729) ont montré qu’à côté de la précipitation organique prédominante, d’autres facteurs affectent directement la solubilité du CO;Ca.
Différents auteurs ont montré par des analyses de Peau d’un lac et des expériences de laboratoire, les possibilités de formation de CO;Ca par Pactivité du phytoplancton et par des modifications des conditions physiques de Peau. Cependant aucun auteur n’a donné pour un lac déterminé une méthode permettant d’estimer la part du CO, qui est assimilé sous forme de matière organique par rapport à celle libérée par la formation de CO, Ca. Pourtant l'estimation de ce rapport est une opération très simple. En ne considérant que la matière organique formée dans le lac, on peut établir lors de la décomposition du bicarbonate de calcium un bilan comparé
(CO,H),Ca > CO,Ca+ CO, + HO (6)
entre le poids de carbone qui est sous forme de CO, et celui qui est contenu dans le CO,Ca formé par précipitation. Si la précipitation est due à Passi-
52 C. Portner
milation de CO, par le phytoplancton, tout le CO, contribue à former de la matière organique
ÉCORÉHLOME- NC HLO +60! (7)
Comme il ne se produit pas de variations sensibles de la teneur en matière organique dans l’eau du lac, d’une année à l’autre, la matière organique doit se déposer et former une partie du sédiment. Si cette matière organique n’était pas oxydée (elle l’est en partie) on trouverait dans les sédiments une quantité égale de carbone sous forme de CO,Ca et de carbone sous
forme de matière organique. Le rapport: b Poids de carbone contenu dans la matière organique ET EN SHE SNEN (8)
Poids de carbone contenu dans le CO,;Ca
(pour un même poids de sédiment) serait égal à 1. Dans un lac oligotrophe comme le lac de Neuchâtel, ce rapport est nettement plus petit que 1. ÉSEM mile
Rc= RTE
Pour le lac de Neuchâtel voir analyses à la page 79.
La présence d'oxygène dans les couches profondes du lac produit Poxydation de la matière organique suivant l'équation:
6 (Q 7 + CT, AGE > 6 Ge + 6 ELO: (10)
Le rapport Rç étant très petit pour le lac de Neuchâtel, on en déduit que la réaction symbolisée par l'équation (ro) est très importante. Il se forme donc dans le lac une grande quantité de CO, par la décomposition de la matière organique. Ce CO, diffuse du fond du lac vers la surface où il sera employé par la photosynthèse. L’oxydation de la matière organique entre en concurrence avec la décomposition du bicarbonate de calcium pour fournir le CO, assimilé par le phytoplancton. Mais au point de vue du bilan, cette décomposition du bicarbonate de calcium devient une réaction secondaire quant à la production du CO,.
Pour le lac de Neuchâtel, seule une petite partie du CO,Ca peut être due à une précipitation organique. Au point de vue du processus de la précipitation du CO,Ca, on ne peut cependant pas certifier que l'assimilation par le phytoplancton d’une partie du CO, ait produit la précipitation du CO, Ca.
Il faut donc rechercher d’autres hypothèses pour expliquer la précipitation de la plus grande partie du CO,Ca.
On a pensé jusqu’à maintenant, qu’un seul facteur suffirait à déterminer la précipitation complète d’au moins une partie du CO,Ca. Or, il est tout aussi probable que plusieurs facteurs peuvent se succéder chronologiquement et jouent chacun un rôle dans la précipitation. Par exemple, Pun d’eux produit la précipitation proprement dite du CO,Ca et un autre se charge, après coup, d'éliminer le CO, formé. Nous établirons par la suite quel est l’ordre d’action des différents facteurs (voir p. 57). Nous serons amenés à préciser un mécanisme nouveau de la précipitation du CO,Ca qui ne sera pas compatible avec la théorie de la précipitation organique. Il permettra de montrer que la précipitation du CO,Ca résulte de la formation et du mélange de couches d’eau.
Il nous faut tout d’abord préciser quelques données concernant la thermique et la chimie de l’eau du lac de Neuchâtel. Pour comprendre plus intimement le phénomène de la précipitation, nous avons introduit en plus de la mesure de la température et des analyses du CO, des bicarbonates et de la matière organique, /e dosage du CO;Ca en suspension dans l’eau du lac.
Il est indéniable que le processus de la précipitation est influencé par les formes géométriques du lac (en particulier par la profondeur) et par la composition chimique des eaux du lac et des affluents. L'étude du mécanisme de la précipitation du CO;Ca dans le lac de Neuchâtel revêt cependant une importance d'ordre général et ceci est dû au fait que ce lac représente le type du lac oligotrophe calcaire (définition p. 9). Il est donc un des lacs pour lesquels le phénomène de la précipitation du CO,Ca à partir des bicarbonates dissous peut être étudié avec le plus de netteté, l'observation n'étant pas gênée par la présence en suspension dans l’eau, d’une quantité importante de matière organique et d’un abondant matériel silico-argileux.
1. Données bibliographiques sur la thermique d’un lac et les analyses chimiques de l’eau du lac de Neuchâtel
La connaissance de la thermique d’un lac revêt au point de vue limnologique un grand intérêt. Il a donc semblé utile de rassembler quelques données d'ordre général et d'introduire, grâce aux nombreuses mesures de A. QUARTIER, l’idée d’une oscillation périodique de la profondeur à laquelle se trouve la couche de saut thermique.
34 C. Portner
a) Thermique d'un lac
Le lac reçoit de la chaleur du soleil. L'énergie perdue par réflexion à la surface de l’eau a été évaluée à 7% de l’énergie incidente (E. STENZ, 1938, p. 14). L’intensité de la radiation solaire pour différentes profondeurs, déterminée au moyen d’une pile thermoélectrique de MoLL, est, d’après STENZ (1938, p. 8), pour le lac de Wigry (Pologne) la suivante:
Profondeur Oine0 5 meme 2m Smet SMAONT ais, dote Radiationtsolaire MMTO0 55075507 mule TON MONS 7 2 COR ESS POLE
F. SAUBERER et O. ECKEL (1936, p.257) Ont mesuré la répartition spectrale de la lumière qui a traversé différentes épaisseurs d’eau.
La faible conductibilité thermique de Peau empêche le réchauflement des couches profondes du lac. Il s’y forme une stratification thermique de Peau. On distingue trois zones:
1° La zone supérieure, appelée épilimnion ; 2° la zone inférieure ou hypolimnion; 3° la zone intermédiaire ou Sprungschicht est caractérisée par un brusque
saut de température. Elle est appelée en français «couche de saut thermique» par O. RIVIER (1937, p. 136).
Toute la thermique d’un lac est basée sur la notion de maximum de densité de l’eau (W. A. COLLET, 1925, p. 115). Pour un lac ayant une concentration saline homogène, la température décroît généralement, de la surface du lac jusqu’à une profondeur où elle est égale à 4° C. Les inversions de température ne sont que des phénomènes passagers. Pour des lacs du Congo belge, H. DAMAS (1937, p. 59), et pour le lac Ritom, L. W. Cor.- LET (192$) ont constaté une inversion de température permanente, explicable par une modification de la densité due à une différence de concentration de l’eau en sels dissous.
Les échanges calorifiques entre la couche supérieure et les couches inférieures dépendent étroitement de la nature des vents qui soufflent sur le lac (W. HALBFASS, 1924, p. II16).
Des mesures thermiques effectuées sur les lacs de Neuchâtel et de Morat par À. QUARTIER (1947, p. 51) ont montré que, contrairement à ce que Pon pense, un petit lac s’échauffe beaucoup moins qu’un grand. Les effets du vent sont beaucoup plus sensibles sur l’étendue d’un grand lac que sur celle d’un petit lac. Les vagues d’un petit lac étant plus faibles que celles d’un grand lac, les courants de retour sont moins prononcés, la chaleur
. , emmagasinée dans les couches supérieures n’est donc pas véhiculée aussi profondément dans un petit lac que dans un gränd.
Les variations de la forme de la couche de saut thermique permettent de comprendre le processus des échanges calorifiques entre l’eau de surface et celle de profondeur. Elles ne sont pas sans rapport avec la profondeur d’un lac. Dans un lac petit et peu profond, la couche de saut thermique est par exemple plus nette que dans un grand lac profond (E. M. KINDLE, 1929, p. 153).
= ue me cm
-—- un lac peu profond un lac proFond d'après Kindle
Profondeur
— Fempérature
Figure 3
Couches de saut thermique.
Pour le lac Wigry (profondeur $0 m), la couche de saut thermique est comprise entre 2 et 5m (M. STANGENBERG, 1935, p.213). K. BUCH (1945, p. 193) indique pour la mer Baltique, comme profondeur de la couche de saut thermique, 1$ à 25 m. Au mois d’août, pour le lac de Morat (profondeur 43 m), elle est comprise entre $ et 20 m; pour le lac de Neuchâtel (profondeur 150 m) entre 5 et 30 m (A. QUARTIER, 1947, p. 52). Les mesures de W. et H. SCHMASSMAN (1948, p.23) dans le lac de St-Moritz (profondeur 42 m) au mois d'octobre ont mis en évidence une couche de saut thermique à la profondeur de 30 à 32,5 m.
La profondeur à laquelle se trouve la couche de saut thermique varie avec la saison. H. BACHMANN (1931, p. 30) a étudié ce phénomène pour le Rotsee. Pour le lac de Neuchâtel, des mesures journalières effectuées pendant trois ans par A. QUARTIER (Inspectorat de la Chasse et de la Pêche) montrent que la couche de saut thermique varie entre $ m au printemps
36 C. Portner ” et 30 m en automne. Dans le courant de l’année, la couche de saut thermique s’enfonce dans le lac. *
L'étude minutieuse de la variation de la température avec la profondeur, dans le lac de Sakrow (profondeur 43 m) près de Potsdam, par L. MÜLLER (1933, p. 207) a permis de distinguer nettement, à une date déterminée, trois couches de saut thermique qui se succèdent les unes au-dessous des autres. Cette constatation met bien en évidence la chute dans le lac, de la couche de saut thermique, et la formation près de la surface d’une nouvelle couche qui, à son tour, s'enfonce dans le lac.
La coexistance de deux ou plusieurs couches de saut thermique dans le lac de Neuchâtel n’a pas encore été démontrée, Par contre, des mesures, effectuées jour après jour par A. QUARTIER, montrent d’une façon très précise que la couche de saut thermique ne s’enfonce pas dans le lac avec une vitesse uniforme. La profondeur à laquelle se trouve la couche de saut thermique augmente, puis diminue dans lPespace de quelques jours. Il s’agit d’une variation périodique. Du mois d'avril au mois d'octobre, la période d’oscillation de la couche de saut thermique (pour une profondeur déterminée) est de 3 à 4 jours.
Un exemple concret est donné par la figure suivante qui représente les différentes positions de la couche de saut thermique dans le lac de Neuchâtel, les 26, 28 et 30 septembre 1950, la durée d’oscillation étant de 4 jours.
0) 10 |- È ue [de] CE = ses = ff seplembre ê ———— 28 seplembre È ——- 39 seplembre 40 + L | | ie 10 Température 15 2ne
Figure 4
La profondeur à laquelle se trouve la couche de saut thermique a diminué entre le 26 et le 28 septembre. Elle à augmenté entre le 28 et le 30 septembre pour reprendre le 30 une position qui se rapproche de celle du 26. Le mouvement de mélange de couches d’eau est mis en évidence par la forme des courbes. L’eau qui a été chauffée en surface du 26 au 28 septembre s’est mélangée avec de l’eau plus profonde entre le 28 et le 30 septembre. Le tableau suivant donne le nombre des oscillations de la profondeur de la couche de saut thermique pendant un mois (les valeurs sont des moyennes
pour les années 1943, 1944 et 1945):
Janvier .. 0 Juillet 9 Février D EN À) Août ; 9 MOSS are 135 Septembre . ï Avril 7 Octobre 9 Mai . TS Novembre . 4 Nine 9 Décembre 0
Il faut encore remarquer que pour une même profondeur, les variations de température d’un jour à l’autre sont plus accentuées en profondeur qu’en surface (A. QUARTIER, 1947, P. 48).
En réduisant à deux heures le temps séparant deux mesures thermiques, on observe aussi des variations de température plus grandes en profondeur qu’en surface.
Des mesures thermiques journalières ont été entreprises par M. AUER- BACH (1934) et ]. SCHMALZ (1934) pour le Gnadensee (près de Constance); par H. MICOLETZKY (1910, p. 515) pour le Faistenauer Hintersee (près de Salzbourg); par M. GIEYSZTOV (1934, p. 130) pour les petits lacs du Suwalk1 (Pologne).
Pour le lac de Neuchîtel, des mesures faites par A. QUARTIER montrent qu’à 15 m de profondeur, il peut se produire dans un intervalle de temps de une heure des variations de température de 2° C. Notons en passant que le maximum de la température de Peau de surface est atteint à 18h et que le minimum de température se produit à $ heures. On peut déduire de ces observations que les variations de la profondeur de la couche de saut thermique peuvent être représentées par une courbe qui exprime la somme de trois phénomènes:
1° Enfoncement de la couche de saut thermique du printemps à l'automne. 2° Variations périodiques de la profondeur de la couche de saut thermique autour d’une position d’équilibre. Ce phénomène est dû au brassage de l’eau résultant de Paction du vent sur le lac.
3° Influence due au refroidissement et à l’échauffement journalier de Peau de surface.
Les variations de température de l’eau influencent directement la concentration en sels dissous dans l’eau. A la chute brusque de température de la couche de saut thermique correspond une augmentation de la concentration de l’eau en sels dissous, en particulier des concentrations en bicarbonates et en CO, libre, qui dépendent étroitement de la température. Cette constatation a permis à STUNDL (1941, p. 70) de mettre en évidence ce qu’il appelle une «Sprungschicht chimique».
Par ces simples considérations, on voit déjà l’importance que peut avoir la connaissance de la thermique d’un lac, pour expliquer les phénomènes chimiques qui s’y produisent.
b) Analyses chimiques de l’eau du lac de Neuchâtel
Les analyses chimiques de Peau du lac de Neuchâtel sont relativement peu nombreuses. À part quelques prélèvements isolés de MONIER (1901) et ZENDER (1906), une étude systématique de la variation de la composition chimique de l’eau dans le courant de Pannée n’a été entreprise que par MOSER pour la région de Grandson et par SOLLBERGER pour celle de Neuchâtel.
Ces études avaient pour but de déterminer Pemplacement des stations de pompages d’eau pour les villes d’Yverdon et de Neuchâtel. Les résultats de ces analyses sont donnés dans le tableau 13 (page 40). Ces valeurs montrent que:
1° Quel que soit le lieu de prélèvement, la valeur moyenne du résidu sec est toujours la même;
2° la valeur de la dureté temporaire de l’eau des zones profondes du lac est comprise entre 135 et 145 mg CO;Ca/l;
3° le rapport des concentrations [Ca**]:[Mg**] = 5;
4° la teneur en CO, libre est en moyenne de 5 mg/l.
