Des scientifiques de l'EPFL ont étudié deux mécanismes qui peuvent aider à apporter de l'oxygène dans les profondeurs d'un lac, essentiels à la préservation de l'écosystème du lac. Le renouvellement classique des eaux profondes causé par le refroidissement de surface pendant l'hiver devient moins efficace en raison du changement climatique, surtout dans les lacs profonds.

Les lacs doivent contenir un certain niveau d'oxygène dissous pour maintenir la qualité de l'eau et préserver leurs écosystèmes. Alors que les couches supérieures d'un lac sont généralement riches en oxygène, ce n'est pas le cas pour les couches plus profondes; dans la plupart des lacs, l'oxygénation de ces couches se produit principalement par un processus appelé refroidissement par convection qui a lieu pendant les périodes plus fraîches d'automne et d'hiver. Pour les lacs profonds des climats tempérés, comme le lac Léman, les hivers ne sont souvent pas assez froids pour que ce processus se produise à une échelle adéquate, ce qui signifie que les eaux très profondes ne sont pas affectées. Le dernier refroidissement convectif en profondeur du lac Léman a eu lieu en 2012 lors d'une vague de froid sévère (CIPEL).

Comprendre les autres mécanismes de renouvellement des eaux profondes

"Avec le changement climatique, il y a de plus en plus d'hivers où les conditions nécessaires à ce processus ne sont pas réunies, " dit Rafael Reiss, un doctorat récent. diplômé du Laboratoire d'ingénierie écologique (ECOL) de l'EPFL. "Nous devons donc comprendre d'autres mécanismes qui pourraient permettre l'oxygénation des couches plus profondes d'un lac." Il a étudié deux mécanismes alternatifs de renouvellement des eaux profondes dans le cadre de son doctorat. thèse, tous deux induits par le vent :échanges interbassins, où l'eau est échangée entre le bassin peu profond du Petit Lac et le bassin plus profond du Grand Lac, et l'upwelling côtier. "Contrairement au refroidissement par convection qui est déclenché par des températures d'air froides, les mécanismes que nous avons étudiés sont moins sensibles au changement climatique car ils sont éoliens. Ils se produisent dans le lac Léman plusieurs fois par hiver et pourraient donc jouer un rôle de plus en plus important dans le renouvellement et l'aération des couches profondes, " dit Reiss.

L'eau dans ces couches profondes est généralement froide, pauvre en oxygène et riche en nutriments. Les couches supérieures, d'autre part, sont plus chauds avec des concentrations plus élevées d'oxygène et des concentrations plus faibles de nutriments. Les deux couches se mélangent à peine pendant la majeure partie de l'année en raison de leurs densités différentes - l'eau chaude est moins dense que l'eau froide, conduisant à une stratification dite stable. Mais une fois que la température de l'air baisse en automne et en hiver, les eaux de surface se refroidissent et la stratification stable s'érode progressivement de haut en bas. Si l'hiver est assez froid, les eaux près de la surface atteignent la même température, et par conséquent la même densité, que les eaux plus profondes. Le résultat est un renversement complet de la colonne d'eau, grâce à quoi l'oxygène des couches supérieures est amené au fond et les nutriments des couches inférieures remontent à la surface.

Renouvellement des eaux profondes plusieurs fois par hiver

L'étude de Reiss a montré que, sous l'effet de la rotation de la terre, les forts vents d'hiver qui soufflent fréquemment sur le lac Léman du sud-ouest poussent les eaux côtières de la rive nord du Grand Lac vers le centre du lac, ces eaux étant remplacées par la montée des eaux plus profondes. Les mêmes vents poussent les eaux de surface du Petit Lac vers le Grand Lac, faisant prendre leur place les eaux plus profondes du Grand Lac. Ces deux mécanismes d'échange complexes provoquent le manque d'oxygène, les couches inférieures riches en nutriments s'élèvent vers le haut, parfois à des profondeurs supérieures à 200 mètres (le lac Léman a une profondeur maximale de 309 mètres). Ces remontées, les eaux profondes peuvent rester près de la surface pendant plusieurs jours (voire atteindre la surface) avant de redescendre à de grandes profondeurs, leur permettant de s'enrichir en oxygène par échange avec les couches supérieures et l'atmosphère.

Pour réaliser cette étude, Reiss et son équipe ont d'abord passé deux hivers à collecter des données sur le terrain, mesurer les vitesses de courant et les températures de l'eau. Ils ont ensuite utilisé un modèle hydrodynamique 3D et l'ont combiné à une technique de modélisation appelée suivi des particules afin d'analyser en détail les voies des remontées d'eau. "Nos résultats montrent à quel point ces mécanismes sont complexes, " dit Reiss. " Ils se déroulent en 3D, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être décrits à l'aide des modèles unidimensionnels qui sont fréquemment utilisés pour prédire l'impact du changement climatique sur les lacs. Ces mécanismes méritent une plus grande attention lors de l'évaluation du renouvellement des eaux profondes à grande échelle, lacs profonds."