CHAP 5. Evaporation et évapotranspiration

I. Définitions

II. Facteurs météorologiques influents

III. Evaluation de l’évaporation

IV. Evaluation de l’évapotranspiration

I. Définitions

L’atmosphère au voisinage du sol n’est jamais sèche et contient plus ou moinsde vapeur d’eau provenant :

-de l’évaporation des surface d’eau libre (Lac, mers, rivières,…) et de l’eau contenu dans le sol : l’évaporation

-de la transpiration des végétaux

Evapotranspiration = transpiration des végétaux + évaporation

Evapotranspiration influencée par : -Idem évaporation - nature et développement du couvert végétal

- Température de l’air et de l’eau- Humidité relative de l’air- Vitesse du vent

Evaporation influencée par : -Quantité de chaleur disponibleÉvaporation 1g H2O : apport de 550 cal = facteurs

météorologiques

II. Facteurs météorologiques influents

II.1 Quantité de chaleur disponible

→Provenant du soleil, sous forme radiative (ondes électromagnétiques)(soleil = corps noir à T=6000°K)

Spectre du rayonnement solaire : Ultra-Violet (λ < 0.4 µm) : 8%Visible (λ =0.4 à 0.7µm) : 41 %Infra-Rouge (λ >0.7 µm) : 51 %

Energie émise est maximum pour le visible (λ =0.4 µm)

Energie émise aux confins de l’atmosphère : constante solaire = 1.4 kW/m²

1 m²1.4 kW

Notion sur les rayonnements et déf de l’albédo

- Io(λ) un rayonnement incident à la surface S, de longueur d’onde λ :

Ia(λ)

Io(λ) Ir(λ)

Partie réflechie par la surface : Ir(λ)

Partie absorbée par la surface : Ia(λ), augmente la température de S

Coefficient de réflexion : R(λ,T)= Ir(λ) / Io(λ), fonction de la température T de S, de λ(ou reflectivité)

Albédo : réflectivité pour toutes les longueurs d’ondes du Visible (entre 0.4 et 0.7 µm)Neige fraîche ≈ 0.8 à 0.9Sable ≈ 0.13

Rayonnement atmosphérique :

Rayonnement tellurique :

Émission d’un rayonnement IR vers :

-le sol (absorption à 95%)

-l’espace (perte)

principalement CO2, Ozone, vapeur d’eau

Emet un rayonnement de grande longueur d’onde : IRvers l’atmosphère.

Absorbé en quasi-totalité par :

- CO2- Ozone-Surtout vapeur d’eau

Re-émis vers l’espacele sol

SOL

C=1.39 kW/m²

Rayonnement réflechi

diffusion

Atmosphère : - Absorption rayonnement solaire

- Emission rayonnement IR

- ozone: UV(stratosphère) - CO2, H2O : IR(troposphère)

Emission rayonnementpuissance émise :

UV : 8 %Visible : 41 %IR : 51 %

RS

RSd

Absorption :RGabs = (1-a).RG

Rayon. refléchi :a.RG

RA

Absorption :RAabs = α.RA

Surface du sol :Emission rayonnement

IR

RT

Echange d ’énergie rayonnée

a : albédo de la surface du solα : coefficient d ’absorption des IR à la surface du solRS : rayonnement solaire direct reçu au solRSd : rayonnement solaire diffus reçu au solRG : rayonnement solaire global reçu au solRGabs : rayonnement solaire global absorbé au solRA : rayonnement atmosphérique reçu au solRAabs : rayonnement solaire atmosphérique absorbé au solRT : rayonnement terrestre émis par la surface du sol

Bilan radiatif de la terre

Bilan radiatif :

RN = rayonnement net , énergie disponible au sol

RN = RGabs + RAabs - RT

RN = (1-a).RG + α.RA - RT

RN + S + H + L = 0

→Augmenter t° du sol par conduction : S→ Augmenter t° de l’air par convection : H→ Chaleur latente (évaporation) : L

Unité : cal ou Joules / unité de surface / unité de temps

Mesure du rayonnement :

- Rayonnement solaire direct - Rayonnement solaire global

- Mesure indirecte du rayonnement global (RG) par la durée d’ensoleillement :

RG = IgA.[0.18+0.62h/H]

IgA : radiation solaire théorique au solsans atmosphère(abaques)

H : durée théorique du jour(abaques)

h : durée d’ensoleillement

IgA

H

II.2 Température de l’air et de l’eau

Relation croissante entre évaporation et t° de la surface évaporante

T° de l’air évolue dans le même sens que celle de l’eau, + facile à mesurer→ en général utilisée pour les calculs de l’évaporation.

II.3 Humidité relative de l’air

Pressione, kPa

vapeur

liquide

solide

Température T, °CT

e

es(T)

TT

Tes +×= 5.2375.7

1011.6)( es en hPa ou mb, T en °C

Humidité relative (%)

Hr = ea(T)/es(T) x 100

ea(T) : pression de la vapeurd’eau dans l’air

es(T) : pression de vapeur saturante

- Mesure indirecte :

psychromètre

Gaze humide

Ts-Th > 0 : écart psychrométriqueventilateur

On en déduit une mesure de la pression de vapeur : ea(T) = es(Th) - γ.(Ts-Th)

avec γ = 0.79 hPa/°C si la mesure est effectuée sous abriγ = 0.66 hPa/°C (aussi appelé constante psychrométrique)

pour la mesure à ventilation forcée

On en déduit ensuite l’humidité relative : Hr = ea(T)/es(T) x 100

- Mesure directe : hygromètre à cheveux

II.4 Vitesse du vent

→ Remplace l’air humide par de l’air sec au voisinage de la surface d’évaporationPas de vent Vent ⇒ renouvellement de l’air

V(h)=V(H). ln(h / Z0)ln(H / Z0)

Vitesse du vent diminue avec l’altitude par rapport au sol :

sol

V(h)

V(H)

h

H

Zo : rugosité de la surface du sol ≈ 1/10 de la hauteur des obstacles

Mesures à l’anémomètre(vitesses et direction)

III. Evaluation de l’évaporation

III.1 Mesure locale

Mesures au bac :

-Représentativité du site ?

-Association avec un pluviomètre

- Protection animaux

- Calcul à partir de facteur météorologiques

* Ex formule de Rohwer :

E=0.484(1+0.6V)(es-ea)

Avec V : vitesse du vent, en m/ses et ea : pression respectivement saturante et effective de l’air, en kPaE : pouvoir évaporant de l’air en mm

* Formule de Penman : voir Musy, 2004 ; Dingman, 1993

IV. Evaluation de l’évapotranspiration

On distingue :

-l’évapotranspiration réelle (ETR) : quantité d’eau évaporée et transpirée pendant une période de temps fixé et pour le couvert végétal considéré

-l’évapotranspiration potentiel (ETP) : quantité d’eau maximale évaporable compte tenudu contexte météorologique et pour un couvert végétal correspondant à du gazon

ETR ≤ ETP

Certains auteurs introduisent la notion d’ETM ↔ ETP mais pour un couvert végétal ≠ du gazon

ETM = k.ETP

Avec k (coefficient cultural) dépendant - du couvert végétal, pour un contexte climatique donné- du contexte climatique, pour un couvert végétal donné

Détermination expérimentale de k : cases lysimétriques.

Case lysimétrique : évaluation expérimentale de l’ETR, ETP ( et ETM)

Mesure des précipitations P

Mesure de l’humidité du sol

Schéma d'une case lysimétrique (Laborde, 1995)

Bilan sur un intervalle de temps ∆t ⇒ évaluation de l’ETP ou ETR pendant ∆t

P – (Q +D+ETR) = ∆Rou ETP (ou ETM) si l’eau n’est pas un facteur limitant

Remarque : mesure de l’humidité d’un sol in situ (pour connaître ∆R)

- Sonde à neutrons

Propriété des molécules d’eau → réflechissent les neutrons

Principe :

- Une sonde émettrice/réceptrice de neutrons est introduite dans le sol- Enregistrement du flux de neutrons refléchit- Déduction de la teneur en eau vol. par une courbe d’étalonnage

-Mesures rapides-Sans perturbation du sol

D’après Musy & Soutter, 1991

φ influence ≈ 10 à 25 cm

- Sondes TDR (Time Domain Reflectometry)

Constante diélectrique d’un matériau :

Électrode E1

Électrode E2, même charge que E1V : potentiel

εr=V/Vo

avec Vo : potentiel entre 2 électrodes dans le vide V : potentiel entre 2 électrodes espacées dans le matériau

εr(eau) est plus élevée que pour les autres constituant des sols

⇒ Relation entre humidité volumique du sol et εr : θ = a+b .εr +c. εr2 +d. εr

3

-Facile à mettre en œuvre, non destructrice-Mais volume de sol échantillonné faible

D’après Musy & Soutter, 1991

- Mesure de la résistivité électrique

Résistivité électrique d’un sol dépend de -Sa composition-Sa texture-Sa teneur en eau-Concentration en soluté de l’eau

-Résistivité est mesurée en maintenant une tension entre 2 électrodes dans le sol-Humidité du volume de sol échantillonné est déduite d’une courbe d’étalonnage

-Appareillage simple à mettre en œuvre, peu couteux-Mais pbs de précision :

-Résistivité influencée par la température-Mesure sensible à la salinité de l’eau (pb des engrais)-Nécessite un bon contact entre électrodes et sol

- Autres méthodes : pesées, mesure tensiométrique

Estimation de l’ETP

Si hr >= 50 %

Si hr < 50 %

ETP : ETP pour J jour en mm.J : nombre de jours (J >= 7).T : température moyenne sur J en °C.Ig : la radiation solaire globale moyenne, en cal/cm²/jour

(1 W/m² = 2.065 cal/cm²/jour)

)15

(*)50(*013.0*+

+=T

TIgJETP

)70

501(*)15

(*)50(*013.0* hrT

TIgJETP −+

++=

Formule de Turc (1961)

-Empirique, établie par bilan sur des cases lysimétriques- valable en régions tempérées- uniquement valable pour des intervalles de temps (J) hebdomadaires à mensuels

Formule de Thornthwaite (1944)

ETP(m) = F(m,ϕ)

- ETP(m) : l'ETP moyenne du mois m (m = 1à 12) en mm-F(m,ϕ) : facteur correctif fonction du mois m et de la latitude ϕ-T(m)= moyenne interannuelle des températures du mois, °C- I, appelé indice thermique annuel :

- paramètre : a = 0.016 * I + 0.5

a

ImT

)(*10*16

∑=

=12

1)(

mmiI

514.1

5)()(

=

mTmi

Permet d’estimer des valeurs moyennes mensuelles de l’ETP

Coefficient de correction F(m,ϕ) de la formule de thornthwaite. dans Brochet P. et Gerbier N, L'évapotranspiration, aspect agrométéorologique, évaluation pratique de l'évapotranspiration potentielle, Monographie N°65 de la Météorologie Nationale,1968, 67 pages.

1γ∆(T)

EaRN*γ∆(T)

ETP+

+=

23.237*5.7

)3.237(*5.75.7*)3.237(*)10(*10*11.6)()(

TTTLn

TTeT T

Ts

+−+

==∆ +

δδ-

avec T en °C on obtient ∆(T) en hPa/°C ou mbars/°C

- constante psychrométrique : γ ≈ 0.66 hPa/°C

- advection : Ea = 0.26 * ( es - ea ) * ( 1 + 0.54 * U2 ) en mmU2 (m/s) : vitesse du vent à 2 mètres du solea (hPa) : pression partielle de vapeur d'eau es (hPa) : pression partielle de vapeur d ’eau à saturation

Etp Penmann

- Rayonnement net RN = ( 1 - a ) RG + aRA-RT (mm)

RG = ( 0.18 + 0.62 * h/H ) (en mm) Cf § rayonnement global

aRA-RT =

σ : constante de Stefan-Boltzman 1.18 10-7 cal/cm²/j/°Kea : tension réelle de vapeur d'eau dans l'air en hPaa : l'albédo de la surface de sol H et h : durée théorique du jour et mesure de l ’ensoleillement

unité : mm/j

59IgA

)Hh*0.9(0.10*)e*0.08(0.56*T*

59 a4 +−

σ

Variables climatiques à connaître :-Rayonnement global-T°- Vitesse du vent-Pression de la vapeur d’eau ou humidité relative-albédo

Applicable aussi à ∆t ≤ journée