Calcul de l'évaporation d'un plan d'eau

Réponse du département Sciences et Techniques

L’évaporation

L’évaporation est le phénomène physique de transformation de l’eau liquide en gaz, en vapeur, donc l’inverse de la condensation.

Ce phénomène joue un rôle capital dans le cycle de l’eau et s’effectue aux dépens de tous les types d’eau : eau océanique, eau continentale de surface (plans d’eau), eau de sol, neige et glace même par sublimation ; seule l’eau souterraine lui échappe dès que la frange de capillarité n’affleure plus et n’est plus atteinte par les racines.

La vitesse de l’évaporation dépend :

-du pouvoir évaporant de l’atmosphère.

Ce pouvoir, que l’on mesure avec un évaporomètre – Piche par exemple -, dépend lui-même du déficit hygrométrique de l’air (écart entre l’humidité absolue et saturante et l’humidité réelle de l’air), de la température de l’air et de la température de l’eau à évaporer puisque l’évaporation de 1 gramme d’eau liquide exige un apport d’énergie de (687-0,708 t°) calories, t° étant la température de la surface d’évaporation.
Ainsi, pour une température au sol de 50° C. il faut 652 calories pour évaporer 1 cm³ d’eau. L’évaporation est donc grosse consommatrice d’énergie. Le vent la renforce toujours, même s’il est humide, par son rapport d’énergie cinétique ; on comprend le caractère très desséchant des vents chauds et forts, tels l’Autan, le Foehn, le Sirocco, le Chinook…

-de la nature de la surface évaporante.

Un sol nu, une terre labourée par exemple, évapore moins qu’un plan d’eau et d’autant moins qu’il est lus dessèché car la croûte sèche qui se constitue en surface progresse en épaisseur et freine de plus en plus le transfert d’énergie nécessaire à l’évaporation.
Notons que le déssèchement d’un sol nu par évaporation se développe à partir de la surface et progresse de haut en bas de plus en plus lentement.

-de la profondeur de la nappe phréatique.

Si à nappe affleurante, l’évaporation plafonne à son maximum, celle-ci diminue à mesure que la nappe s’abaisse, régulièrement d’abord tant que la frange de capillarité atteint la surface, puis très vite dès que naît la croûte sèche ; l’épaississement de celle-ci entraîne le blocage du processus physique d’évaporation.

-quand une végétation couvre le sol.

Le rôle principal passe à la transpiration des plantes, du moins pendant la période végétative. Dans une station expérimentale dotée de bacs évaporatoires et de cases lysimétriques, l’évaporation d’un sol nu et maintenu capillairement saturé est nettement inférieure à celle d’un plan d’eau (444 mm/an contre 588 soit 75%), elle-même dépassée par celle d’un gazon à sol maintenu capillairement saturé (771 mm/an soit 131 % du plan d’eau). On remarquera que l’écart entre gazon et sol nu passe par un minimum en hiver végétatif (t°≤ 6° de novembre à mars) et un net maximum au cœur de la période végétative en mai, juin, juillet ; ceci traduit bien le rôle de la transpiration.

(Source Géographie du cycle de l'eau de Roger Lambert.)




Processus physique de l'évaporation


Description et formulation du processus physique

C'est par le mouvement des molécules d'eau que débute l'évaporation. A l'intérieur d'une masse d'eau liquide, les molécules vibrent et circulent de manière désordonnée et ce mouvement est lié à la température : plus elle est élevée, plus le mouvement est amplifié et plus l'énergie associée est suffisante pour permettre à certaines molécules de s'échapper et d'entrer dans l'atmosphère. Dalton (1802) a établi, suite à des travaux sur le sujet, une loi qui exprime le taux d'évaporation d'un plan d'eau en fonction du déficit de saturation de l'air (quantité d'eau es-ea que l'air peut stocker) et de la vitesse du vent u.
Cette loi est formulée selon la relation suivante :

E = f (u) . (es - ea)

Avec :

E : taux d'évaporation (ou flux d'évaporation ou vitesse d'évaporation),
ea : pression effective ou actuelle de vapeur d'eau dans l'air,
es : pression de vapeur d'eau à saturation à la température de la surface évaporante,
f(u) : constante de proportionnalité (avec vitesse du vent u).

Cette relation exprime aussi que, en théorie et dans des conditions de pression et de température données, le processus d'évaporation est possible jusqu'à ce que la pression de vapeur effective atteigne une limite supérieure qui n'est autre que la pression de vapeur saturante (l'évaporation cesse dès que es = ea). Ainsi, pour qu'il y ait évaporation, il faut que le gradient de pression due à la vapeur d'eau soit positif.
On soulignera encore que la pression de vapeur saturante augmente avec la température. Elle peut s'exprimer comme suit (en Pa et avec la température en degrés Celsius) :

es = 611 . exp 17,27.t
-----------------237,3+t


(Source Evaporation et interception.)