Des chercheurs de l’EPFL ont découvert que le renouvellement des eaux profondes du lac Léman en hiver n’est pas uniquement dû au mélange vertical. Les forts courants provenant du bassin du Petit Lac et des zones côtières du Grand Lac jouent un rôle essentiel.
Dans les lacs tempérés, un mélange vertical profond, appelé « renouvellement », se produit en hiver. À mesure que l’eau de surface se refroidit, elle devient plus dense et s’enfonce, se mélangeant à l’eau plus profonde. Ce processus est important car la santé du lac souffre lorsque l’oxygène dissous et les nutriments ne sont pas bien répartis.
Normalement, dans le lac Léman, l’eau de surface riche en oxygène n’atteint pas le fond du lac, qui peut devenir pauvre en oxygène. Mais, lors des hivers très froids, un mélange complet se produit, ce qui fait que les niveaux d’oxygène et la température sont identiques du haut vers le bas. Jusqu’à présent, ce mélange vertical était considéré comme le seul moyen de rafraîchir les eaux profondes du lac Léman.
En raison du changement climatique, le mélange vertical complet devient de plus en plus rare. « Les températures augmentent depuis 2012 et le taux d’oxygène au fond du lac Léman a chuté de 90% en 10 ans », explique Naifu Peng, chercheur au Laboratoire d’ingénierie écologique (ECOL) de l’EPFL.
Peng, spécialiste des modèles de simulation, se concentre sur les impacts du changement climatique. Récemment, lui et ses collègues de l’ECOL ont examiné la dynamique impliquée dans le renouvellement hivernal des eaux profondes du lac Léman. résultats ont été publiés récemment dans Recherche sur les ressources en eau.
Hydrodynamique hivernale
Selon la Commission internationale pour la protection des eaux du Léman (CIPEL), le dernier débordement complet du lac Léman s’est produit lors de l’hiver exceptionnellement froid de 2012.
Pour cette étude importante, l’équipe de l’EPFL a étudié les mécanismes fondamentaux à l’origine de ce renversement complet. Plutôt que le seul mélange vertical, l’équipe de recherche a déterminé que le renouvellement des eaux profondes du lac Léman en 2012 était dû à des processus de mélange tridimensionnels beaucoup plus complexes.
Le lac Léman est composé de deux bassins, le Grand Lac, vaste et profond (309 m de profondeur, 85 km3 de volume) à l’est, et le Petit Lac, plus petit et moins profond (75 m de profondeur, 4 km3 de volume) à l’ouest, qui se renverse chaque année. Il est remarquable que la structure à deux bassins du lac Léman soit fondamentale pour le renouvellement des couches les plus profondes du Grand Lac.
Les scientifiques de l’ECOL ont utilisé des observations de terrain approfondies et une modélisation numérique pour étudier l’hydrodynamique dans l’ensemble du lac Léman pendant l’hiver 2012. Leur approche combinée a révélé la limite du mélange vertical dans le Grand Lac.
« En analysant la température de l’eau et la concentration en oxygène, nous avons découvert qu’un retournement complet dû au mélange vertical n’avait finalement pas eu lieu en 2012 », explique Peng. « Grâce à une modélisation numérique à haute résolution, nous avons pu obtenir des informations détaillées sur la manière dont ce processus s’est déroulé sur l’ensemble du lac.
« En particulier, ce sont les eaux s’écoulant latéralement du Petit Lac et des zones littorales peu profondes du Grand Lac qui ont renouvelé les couches les plus profondes du lac. »
L’eau des régions peu profondes du lac se refroidit plus rapidement que celle des régions profondes, ce qui entraîne des écoulements dus aux contrastes latéraux de densité de l’eau, aboutissant à un renouvellement de l’eau dans les couches les plus profondes du Grand Lac. « Ainsi, le refroidissement de surface en hiver entraîne des écoulements entraînés par des gradients de densité à la fois verticaux et horizontaux, ce qui a conduit en 2012 au retournement complet du lac. »
Le réchauffement climatique se poursuivant, le mélange vertical sur toute la profondeur du lac Léman en hiver ne se produira que lors d’hivers occasionnels et très froids. Cependant, les processus de mélange latéral continueront de contribuer au renouvellement des couches les plus profondes du lac. « Le lac Léman n’est pas inhabituel dans sa structure à deux bassins, donc le même type de mélange hivernal est attendu dans d’autres lacs tempérés. »
Plus d’information:
N. Peng et al., Renouvellement des eaux profondes dans un grand lac profond (lac Léman) : identification et quantification des processus de refroidissement hivernal à l’aide de la décomposition du bilan thermique, Recherche sur les ressources en eau (2024). DOI: 10.1029/2023WR034936