Question 1 : Pourquoi la Terre est-elle aussi appelée la planète bleue ?

- Parce que vue de l’espace, la Terre est bleue. - En hommage aux schtroumpfs. - Parce que sa surface est à 70% recouverte d’eau.

Réponse : L’eau occupe 70% de la surface de notre planète Terre. Elle vient des mers, des océans, des

rivières, des lacs et des nappes souterraines. C’est parce que l’eau est largement majoritaire à la surface de la Terre que, vue de l’espace, la planète Terre apparaît bleue aux astronautes qui la regardent.

Objectif : Comprendre l’importance de l’eau sur Terre ainsi que le paradoxe entre l’abondance de l’eau

et la rareté de l’eau douce.

L’eau est à la base de toute vie sur Terre. Nous l’imaginons abondante dans la mesure où elle coule à flot de nos robinets mais il faut bien avoir conscience que cette denrée n’est pas acquise pour tous. L’abondance ou la rareté de l’eau sur un territoire détermine pour beaucoup sa prospérité car elle conditionne notamment son développement économique et la santé de sa population… L’eau est un bien précieux et rare dans beaucoup de régions à travers le monde mais elle est encore plus rare à l’échelle du système solaire et de la galaxie.

Pour montrer la rareté de l’eau dans notre système solaire, nous pouvons présenter brièvement les différentes planètes qui le composent. C’est aussi l’occasion d’apprendre l’ordre des planètes. La proximité des planètes par rapport au Soleil peut être apprise grâce à la phrase mnémotechnique suivante :

« MERCredi, Viendras-Tu MAnger avec Jean Sur Une Nappe Propre ? » (Mercure, Venus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, Pluton.)

En les observant, on se rend vite compte que l’eau est très rare dans le système solaire, et d’autant plus lorsqu’on cherche de l’eau douce sous forme liquide.

La Terre a la chance d’être recouverte à 70% d’eau. A cela s’ajoute l’eau souterraine « non visible » et celle qui se trouve dans les différents éléments. On peut lancer un débat en classe énumérant les différents types de réservoirs d’eau sur Terre : océans, mers, fleuves, rivières, canaux, nappes phréatiques, lacs, glaciers, neige, nuage, pluie, marécages, mangroves, tourbières, marais, plaines d’inondations… On peut alors en préciser les définitions et les différentes caractéristiques de pureté, de salinité, de disponibilité et d’accessibilité. Pour prendre conscience que l’eau est très présente, on pourra créer un dialogue en classe consistant à donner le nom des mers, océans, rivières, fleuves ou lacs existants sur la planète, puis à les replacer sur une carte. On peut familiariser l’élève avec plusieurs espaces, échelles et projections en réalisant cet exercice à l’aide de différentes cartes. On constatera que la majorité de l’eau liquide se trouve dans les mers et océans : c’est de l’eau salée impropre à la consommation directe. L’eau est donc omniprésente sur Terre, néanmoins, une infime partie des ressources en eau potable est accessible aux hommes et à la nature. L’eau douce qui sert à notre alimentation et à notre hygiène est très rare : il faut la protéger ! Pour aller plus loin : Dans certaines régions du monde, l’eau douce de surface ou souterraine ne suffit pas à combler les besoins croissants d’une population en pleine expansion démographique et/ou industrielle. Il devient alors intéressant de développer des techniques permettant de dessaler l’eau de mer et donc de produire de l’eau douce potable ou utilisable pour l’irrigation des terres agricoles. Parmi ces techniques, deux procédés sont particulièrement intéressants pour séparer l’eau du sel. Le premier consiste à faire évaporer l’eau de mer pour ensuite condenser la vapeur d’eau ainsi purifiée

et consommable. Ce procédé permet aussi de récupérer sous forme de chaleur l’énergie utilisée pour l’évaporation. Ainsi on peut coupler la production d’eau douce avec une autre activité industrielle réutilisant la chaleur dégagée par la vapeur d’eau lorsque celle-ci se condense. Le second utilise une membrane extra-fine permettant de filtrer l’eau de mer et retenant toutes les impuretés qu’elle contient, y compris le sel. Ces technologies sont de plus en plus abouties et sont utilisées par exemple dans les îles Canaries qui en dépendent à 100% pour leur production d’eau potable.

Question 2 : Sous quel(s) état(s) l’eau existe-t-elle ? - Liquide - Solide - Gazeux Réponse : Les trois réponses sont bonnes ! L’eau existe sous trois états : liquide (la pluie…), solide (les

glaciers, la neige…) et gazeux (la vapeur d’eau contenue dans l’air…).

Objectif : Le terme « eau » renvoie souvent à la notion de liquide ; il est ici question d’y assimiler les états gazeux et solide.

L’eau passe d’un état à un autre en fonction des variations de température. A température ambiante, l’eau est liquide et constitue un « solvant universel » car une majorité de composés chimiques sont solubles dans l’eau. Ainsi l’eau n’est jamais vraiment pure dans le milieu naturel. Le volume occupé par une même quantité d’eau est différent selon les états de la matière : l’eau se dilate lorsqu’elle passe à l’état gazeux ou à l’état solide (à la différence de la plupart des autres composés chimiques). L’eau trouve sa densité maximale à 4°C. La salinité et la pression influencent aussi les conditions des changements d’état de l’eau : l’eau de mer gèle et bout à des températures inférieures à respectivement 0°C et 100°C. Ces changements d’état découlent de mécanismes précis qui, à l’échelle planétaire, s’illustrent ainsi : Cycle de l’eau : Précipitation ruissellement infiltration stockage évaporation

condensation précipitation etc.

Comme disait le chimiste Lavoisier : « Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme ! » et il en va ainsi depuis la formation de la Terre. La Terre a 4,5 milliards d’années. Au début, elle était sèche et entourée de gaz brûlants. Au fur et à mesure, ces gaz se sont mélangés. En refroidissant, ils se sont transformés et ont précipité en pluies diluviennes qui ont ainsi formé lacs, nappes phréatiques, fleuves, rivières, mers, océans…

La température a alors progressivement chuté, au point de faire apparaître l'eau à l'état solide et ainsi de faire naître les glaciers ! Le volume total d’eau sur Terre s’appelle l'hydrosphère. Il est estimé à 1 400 millions de km3 dont 39,2 millions de km3 d'eau douce. La répartition de l’eau sur Terre est très inégale. D’après l’institut hydrologique d’état et l’UNESCO, l’eau douce ne représente que 3% de l’eau sur Terre. Sur ces 3%, on estime que près de 70% de l’eau douce est stocké à l’état solide (notamment dans les calottes polaires et les neiges persistantes). Des 30% d’eau douce restant à l’état liquide, moins de 0,3% sont en surface. Au final seulement 0,01% de l’eau sur Terre est liquide, douce et accessible à l’homme. Pour aller plus loin : Il faut savoir que c’est l’eau et ses changements d’état qui ont déterminé l’échelle de Celsius. En effet, cette échelle a été créée par l’astronome suédois Anders Celsius (1701-1744) et est définie par la température de solidification de l’eau et sa température d’ébullition.

Les états de l’eau pure

Solide Liquide Gazeux

T°C < 0°C 0°C < T°C < 100°C 100°C < T°C

On peut aussi introduire l’existence des autres échelles de température que sont les systèmes de Newton, Rohmer, Fahrenheit, Réaumur, Delisle Centigrade, Rankine, Kelvin et Leyden.

Question 3 : Quelle est la proportion d’eau dans notre corps ?

- 30 % - 40 % - 65 % Réponse : 65% de notre corps est constitué d’eau. L’eau est essentielle à la vie !

Objectif : Réaliser que l’eau a un rôle clef dans l’apparition et le maintien de la vie sur Terre.

L’eau rentre dans la composition des êtres humains, de la faune et de la flore, en proportion plus ou moins importante selon les espèces. Pour prendre conscience de l’importance de l’eau, on peut faire deviner les pourcentages d’eau existants chez des animaux et végétaux dont voici quelques exemples : Pomme de terre : 79 %, laitue : 97 %, tomate : 93 %, concombre : 96 %, méduses : 95 %, fromage : 35 à 50 %, pâtes : 35 %, pain : 34 %, fruits secs : 20 %… En moyenne, le corps d'un adulte se compose de 60 % d'eau, c'est-à-dire environ 42 litres d'eau pour une personne de 70 kg. Mais en fait, la teneur en eau du corps humain diminue avec l'âge : 97% chez le foetus de deux mois, 75% chez le nourrisson, cette proportion se réduisant à 55% chez la personne âgée. C'est le cerveau qui contient le plus d'eau avec un taux de 80 % ! L’eau perdue, rejetée par le corps humain, représente 3 litres par jour. Pour se réhydrater et maintenir constante la proportion d’eau dans le corps, il faut boire au minimum 1,5 L d’eau, les aliments pris au repas faisant le reste. La déshydratation peut avoir de graves conséquences sur la santé si elle n’est pas arrêtée rapidement par une prise d’eau. On considère que la quantité d’eau journalière nécessaire est de 40 ml par kg de masse corporelle. La moitié est apportée par les aliments et l'autre moitié par les liquides. Donc, il faut boire 20ml d’eau par kg. Il faut rajouter à cela 1 litre par heure d'exercice physique soutenu. Exemple : Je suis joueur de tennis et mon poids est de 60 kg : je dois boire 1,2 litre minimum par jour et si je joue durant 2 heures, je devrais boire 3,2 litres en tout. Toujours dans l’optique de rendre l’élève acteur de la formation, il peut être intéressant de faire passer le diplôme du « buveur d’eau » en posant plusieurs questions sur les habitudes de consommation de chacun avec un système de points. (Prévoir le maximum de point pour les solutions entre parenthèses) :

- Quand as-tu envie de boire ? (Dès que l’eau coule) - Quel est ton fruit préféré ? (Pastèque, melon…) - Combien de verres d’eau bois-tu dans une journée ? (4 à 5 minimum) - Que prends-tu quand tu pars faire une marche à pied ? (Une gourde d’eau) - Lorsque tu vas à la piscine, qu’emportes-tu ? (Une bouteille d’eau)

On peut expliquer pourquoi l’eau est indispensable à la vie en énumérant les différentes voies de circulation de l’eau dans le corps humain. Chez les mammifères, l’eau a plusieurs fonctions : hydratation des organes et tissus vitaux, élimination des déchets (transpiration, urine), constitution du sang et de la lymphe… Chez les végétaux : l’eau intervient dans l’évapotranspiration (moteur de l’absorption des nutriments par les racines), la constitution de la sève, la turgescence des végétaux souples… En plus d’être source de vie, l’eau est aussi un espace de vie. Elle permet aux êtres aquatiques de respirer grâce à l’oxygène qu’elle transporte. L’eau est aussi à l’origine de l’apparition de la vie sur Terre. Les premiers êtres vivants étaient aquatiques et aujourd’hui encore les mers et les océans offrent une grande biodiversité. Bien qu’encore mal connue, il est indispensable de protéger la biodiversité marine. Les pollutions et la surexploitation des réserves halieutiques sont néfastes à court et long terme pour les écosystèmes, seuls garants de la pérennité de cette diversité biologique.

Pour aller plus loin : L’eau est constituée d’hydrogène et d’oxygène. Elle peut se former spontanément, mais seulement sous certaines conditions difficiles à réunir : - des quantités suffisantes d'oxygène et d'hydrogène ; - une température pas trop élevée (pas plus de 2 000 à 3 000 °C) ; - un rayonnement ultraviolet pas trop important. Dans l'univers, il y a 90 % d'hydrogène contre « seulement » 0,1 % d'oxygène : cela ne facilite pas la création spontanée d’eau. En l'état actuel de nos connaissances, la Terre est la seule planète du système solaire comprenant de l'eau liquide. Mais de l’eau sous forme solide a été décelée dans notre galaxie sur la Lune et sur Mars (en plus de la Terre).

Question 4 : D’où vient l’eau que nous buvons ?

- des mers et des océans - des nuages - des glaciers - des rivières - des nappes phréatiques

Réponse : L’eau que nous buvons est rendue potable. On la pompe dans les rivières et les nappes

phréatiques.

Objectif : Visualiser le circuit de l’eau, des sources jusqu’au robinet.

Les stocks d’eau douce de la planète sont répartis entre les glaciers, les calottes polaires, les eaux souterraines, les zones humides, les lacs, les réservoirs et les fleuves. L’eau souterraine est la plus abondante et constitue (d’après l’UNESCO) 90% des sources d’eau accessibles. La répartition des eaux de surface à travers le monde ainsi que des débits des cours d’eau est inégale. L’UNESCO estime que 50% des lacs sont au Canada alors que les débits les plus importants seraient attribués à l’Afrique. L’eau souterraine est plus protégée des pollutions que les eaux de surface parce qu’elle est progressivement filtrée par le sol au fur et à mesure qu’elle rejoint les profondeurs par la terre, les roches, etc. (Voir l’expérience « nettoyer de l’eau ») Elle nécessite donc moins de traitement pour la rendre potable. En revanche, aller chercher l’eau en profondeur a un coût plus important. C’est l’inverse pour les eaux de surface : moins de coûts pour y avoir accès mais plus de traitement. Dans les deux cas, l’eau pompée doit passer par une usine d’eau potable pour être purifiée et rendue consommable.

Le circuit suivi par l’eau depuis le point de pompage, c’est-à-dire une rivière ou une nappe phréatique, jusqu’au point de rejet, c’est-à-dire une rivière, en passant par nos habitations peut être représenté par le schéma suivant :

Voyage de l’eau en milieu urbain : Prélèvement (pompage) traitement à l’usine d’eau potable distribution aux habitations consommation par les ménages rejet dans les égouts traitement des eaux usées rejet dans le milieu naturel prélèvement etc. Les autres réservoirs d’eau, comme les mers, les nuages et les icebergs, peuvent être utilisés dans certains pays pour obtenir de l’eau potable. Cependant ces techniques nécessitent des traitements onéreux comme pour le dessalement de l’eau de mer et le transport d’icebergs ou sont difficiles à mettre en place comme c’est le cas des filets à nuage. On peut réfléchir avec les élèves au cheminement et au traitement de l’eau du milieu naturel jusqu’à nos robinets, et vice-versa. On notera que ce circuit est un cycle, et que l’eau que nous utilisons sera d’abord traitée pour pouvoir être rejetée dans l’environnement, puis de nouveau pour être rendue potable. On peut aussi revenir sur l’histoire des techniques d’acheminement de l’eau : aller à la rivière, aller au puit, acheter aux porteurs d’eau, construire des aqueducs, construire des châteaux d’eau, construire les

premiers égouts et les premières canalisations, etc. Cela peut être illustré avec des réalisations en classe de réseaux simples permettant la visualisation des variations de la pression avec la hauteur ou la mise en évidence du principe des vases communicants. On peut proposer aux élèves de fabriquer eux-mêmes le système d’observation de ce principe avec 2 bouteilles en plastique transparent dont on aura coupé le fond et un tuyau souple et transparent reliant les 2 bouteilles par leur goulot. Après avoir versé de l’eau dans le système à l‘équilibre (les 2 bouteilles étant au même niveau), on marque avec un stylo le niveau initial de l’eau. Ensuite, on peut faire varier la hauteur relative des 2 bouteilles et observer ce que fait l’eau. Marquer le niveau de l’eau sur les bouteilles, des 2 côtés du tuyau, pour chaque état du système permettra de mieux visualiser et mémoriser le phénomène. Pour aller plus loin : Essayer d’imaginer comment vivre sur une île déserte. - Quels sont les objets primordiaux à emmener ? (Un couteau, une gourde, une couverture...) - Quelle est la première chose à rechercher sur l’île ? (une source d’eau douce, un abri…) - Si l’eau ne semble pas potable, comment la rendre consommable ? (la filtrer, la faire bouillir, la désinfecter avec un agent chloré…) On peut aussi réfléchir à des techniques comme celle qui consiste à tendre un drap, avec des pierres, au-dessus d’un trou dans lequel on aura placé au préalable une gamelle pour recueillir l’eau.

Question 5 : Quelle quantité d’eau, en moyenne, un Français utilise-t-il chaque jour?

- 20 L (Soit 15 bouteilles d’eau) - 50 L (Soit 33 bouteilles d’eau) - 150 L (Soit 100 bouteilles d’eau) Réponse : En comptant toutes les utilisations de l’eau dans la journée, on estime qu’un Français utilise

chaque jour 150 L d’eau ! C’est trop ! Objectif : Comprendre que chacun d’entre nous utilise et pollue les ressources en eau de la planète. Chacun doit être conscient de sa consommation en eau et appréhender les manières de la réduire. Afin de situer sa consommation, il faut savoir qu’un Américain consomme en moyenne 600 litres d’eau par jour et un Africain 50. Le Rwanda affiche une moyenne de 10 litres d’eau par jour et par habitant… Aujourd’hui, 1,4 milliards d’individus n’ont pas accès à l’eau potable. Alors que certains consomment sans réaliser les enjeux, d’autres vivent pleinement le manque. Ces chiffres ne sont pas toujours évidents à visualiser. Sur la totalité des précipitations que reçoit la France chaque année, 61 % s'évaporent, 16 % alimentent nos cours d'eau (rivières, fleuves, lacs...) et 23 % s'infiltrent dans le sol pour reconstituer nos réserves souterraines. Les consommations nettes de l’eau alimentant nos cours d’eau et réserves souterraines se répartissent entre les différents secteurs de la façon suivante :

- Agriculture : 68 % - Eau potable: 24 % - Industrie : 5 % - Energie : 3 %

La consommation d’eau potable représente ici l’utilisation domestique. On peut alors proposer aux élèves de lister tous les usages de la maison (eau de boisson, préparation des repas, lave-linge, vaisselle, WC, bains, douches, arrosage des jardins et lavage de voiture, etc.) et essayer d’estimer sa propre consommation à partir des fourchettes suivantes : - Vaisselle à la main : de 10 à 12 litres - Lave-vaisselle : de 25 à 40 litres par lavage (20 à 25 litres pour les plus récents) - Lave-linge : de 70 à 120 litres par lessive (40 à 90 litres pour les plus récents) - Chasse d'eau : de 6 à 12 litres à chaque utilisation - Chasse d'eau double-commande : de 3 à 6 litres à chaque utilisation - Toilette au lavabo : 5 litres environ - Douche de 4 à 5 minutes : de 60 à 80 litres - Bain : de 150 à 200 litres - Lavage de la voiture : 200 litres - Arrosage du jardin : de 15 à 20 litres par m2 - Remplissage d'une piscine : de 50 000 à 80 000 litres Quelques conseils pour réduire notre consommation quotidienne peuvent être proposés : • Il est préférable de choisir un lave-vaisselle économique (les meilleurs étant ceux de classe A++)

qui utilise moins d’eau, moins d’énergie et dose la quantité de détergents. • Pour les toilettes, il faut équiper notre chasse d’eau d’un système économiseur d’eau à deux

boutons. En attendant, il est bien de mettre un objet volumineux et lourd dans le réservoir de la chasse d’eau (brique, bouteille d’eau pleine…).

• Pour le lavage du corps, un bain consomme beaucoup d’eau, il est préférable de prendre une douche. Et n’oublions pas de couper l’eau quand on se savonne sous la douche, quand on se brosse les dents ou qu’on se lave les mains !

Le graphique ci-dessous représente la répartition quotidienne de la consommation en eau en fonction

des différents usages des foyers français :

On remarque que seulement 7% de notre consommation en eau sont destinés à notre alimentation (boisson et cuisine) alors que 93% servent pour l’hygiène et le nettoyage. Ainsi, les usages vitaux pour la boisson et l’alimentation sont très peu consommateurs. Au contraire, certains usages comme la toilette du corps et les WC consomment beaucoup par rapport aux besoins réels. Il faut prendre conscience aussi que des utilisations non essentielles comme l’arrosage des jardins ou le lavage des voitures pourraient être effectuées avec de l’eau non potable… Il faut donc rechercher des moyens de consommer moins et plus intelligemment. Pour aller plus loin : La loi permet de bénéficier de crédits d’impôt pour les particuliers qui installeront un système de récupération d’eau de pluie avant l’année 2012. Ainsi, récupérer l’eau de pluie permet à la fois d’économiser de l’eau, des produits de traitement, mais aussi de l’argent (sur la facture et sur les impôts).

Question 8 : Comment fait-on pour nettoyer les eaux usées ? - avec du savon - avec des robots - avec des produits chimiques - avec des bactéries Réponse : Les eaux usées sont nettoyées avec l’association de produits chimiques et de bactéries. Il ne

faut donc pas qu’elles soient rejetées directement dans la nature ! Objectif : Mettre en avant l’importance du traitement des eaux usées.

Les eaux usées sont des eaux qui ont été utilisées dans le cadre d’activités humaines. Elles ont été salies par une utilisation domestique ou industrielle ou agricole. Elles sont impropres à la consommation et nécessitent un traitement dépolluant avant d’être réintroduites dans le milieu naturel afin de ne pas le contaminer. En ce qui concerne les eaux usées par une utilisation domestique, il existe plusieurs techniques pour nettoyer l’eau en fonction du lieu de résidence.

A la campagne, où les habitations ne sont généralement pas connectées à un réseau de collecte, les eaux sales d’une maison sont emmenées dans une fosse septique enfouie dans le sol. C’est une installation autonome d’assainissement, elle a la même fonction que les stations d’épuration des villes. Elle reçoit soit les eaux vannes (provenant des sanitaires), soit l’ensemble des eaux vannes et ménagères (cuisine et lavage). Elle utilise les bactéries présentes naturellement dans les eaux usées pour dégrader les matières polluantes. Il faut bien calculer la capacité de la cuve en fonction de la taille de l’habitation et prévoir une aération pour aspirer les gaz de fermentation. Ce processus ne constitue qu’un pré-traitement et la fosse ne détruit que 30% de la pollution carbonée. L’eau s’écoule alors dans des tuyaux percés qui la déversent dans le sol qui retient et dégrade la pollution résiduelle. Il faut donc que le sol ait une perméabilité suffisante mais pas excessive pour éviter un transfert trop rapide vers la nappe phréatique, et donc permettre l’achèvement préalable de la dépollution de l’eau. A la ville, toutes les eaux usées des maisons sont mélangées et conduites dans une usine à dépolluer par les égouts (Les égouts, inventés par les romains durant l’antiquité, ont une histoire ainsi que leur musée et de nombreux sites Internet leur sont consacrés). Différentes techniques sont alors associées pour traiter les eaux usées. Dans certaines villes, les eaux sales sont mélangées avec des eaux de pluie pouvant entraîner sables, cailloux, feuilles, branches et autres résidus. La première étape est alors le dégrillage : l’eau traverse une grille qui retient les éléments les plus grossiers, les éléments les plus fins étant dissous ou en suspension dans l’eau. Une succession de traitements, consistant à séparer l’eau des polluants en les attirant vers le fond ou la surface de l’eau, sont mis en œuvre après le dégrillage. Pour faire tomber les polluants, il faut ajouter des produits chimiques qui s’accrochent à la pollution et la rendent plus lourde. Les boues formées peuvent alors être raclées avec un râteau. Pour faire remonter la pollution à la surface, des appareils font des bulles d’air ou d’oxygène. Ces bulles s’accrochent aux polluants et les entraînent vers la surface. Les polluants peuvent ainsi être ramassés avec une raclette. A ce stade, beaucoup de polluants sont encore présents dans l’eau. Le dernier traitement consiste à injecter dans l’eau des bactéries et d’autres organismes microscopiques qui se nourrissent de la pollution. Ces bactéries sont très sensibles aux produits toxiques (peintures, vernis, solvants, détergents…), il faut donc en rejeter le moins possible dans les éviers ou WC pour permettre un traitement des eaux usées efficace.

Pour aller plus loin : L’eau est rare et la population mondiale de plus en plus importante. Il est indispensable de l’économiser et de la traiter au mieux pour limiter les pénuries. De grandes réflexions sont menées sur le thème de l’eau et notamment, depuis 1993, la journée mondiale de l’eau a lieu, chaque année, le 22 mars. En 2007 le thème fut « Faire face à la pénurie d’eau » sous l'égide de l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO). On peut proposer aux élèves de réaliser un exposé en vue de la prochaine journée mondiale de l’eau (thème pour 2008 : les installations sanitaires)