L'eau

Pendant longtemps, l'eau a été considérée comme un élément ou corps simple; mais, vers la fin du XVIII^e siècle, Cavendish et Lavoisier (1783) démontrèrent qu'elle est composée de deux gaz, l'hydrogène et l'oxygène. Ce furent Gay-Lussac et de Humboldt  qui établirent que ces deux corps simples entrent dans la composition de l'eau dans le rapport de 1 volume d'oxygène et 2 volumes d'hydrogène, ou en poids d'une proportion (8) d'oxygène avec une proportion (1) d'hydrogène (H₂O). Cette vérification s'obtient soit en brûlant directement de l'hydrogène par de l'oxygène dans l'endomètre, soit en décomposant de l'oxyde de cuivre par de l'hydrogène, qui lui prend son oxygène pour former de l'eau, soit en décomposant de l'eau par la pile. 

Les eaux naturelles ne sont jamais pures : suivant la nature des terrains qu'elles ont traversés, elles contiennent en dissolution des quantités appréciables de diverses matières salines, carbonate ou sulfate de chaux, chlorure de sodium, etc., de produits organiques provenant de la décomposition de substances végétales ou animales; de gaz, air, acide carbonique, hydrogène carboné, etc. Les eaux pluviales elles-mêmes, quoique beaucoup plus pores généralement que les eaux de source ou de puits, out cependant, en traversant l'air, dissous une partie des gaz qui entrent dans sa composition et des matières qui y sont tenues en suspension. Pour avoir de l'eau chimiquement pure, il faut la distiller. 

L'eau est indécomposable par la chaleur seule; mais un grand nombre de substances, telles que le charbon et la plupart des métaux peuvent, à une température plus ou moins élevée, lui enlever son oxygène avec lequel ils se combinent, et mettre son hydrogène en liberté. Quelques-uns même, tels que le platine incandescence peuvent séparer ses éléments sans en retenir aucun, et donner ainsi lieu à la formation d'un mélange de 2 volumes d'hydrogène et de 1 volume d'oxygène, fait d'autant plus remarquable, que le même platine à froid plongé dans ce mélange en déterminerait la recombinaison avec explosion. 

L'eau n'est ni acide ni basique, elle est neutre; elle jouit toulefois de la propriété de se combiner et aux acides et aux bases pour former des acides hydratés et des hydrates d'oxyde; elle peut même décomposer partiellement ou en totalité certains sels dont l'un des principes immédiats, acide ou base, est très faible. Elle peut donc, suivant les cas, se comporter ou comme un acide ou comme une base.

L'eau dissout un très grand nombre de substances, et, sous ce rapport, son importance chimique, industrielle et physiologique est extrême.

Les phases de l'eau

Les transitions de phase.
Les transitions entre ces phases (qu'elles concernent l'eau ou d'autres substances)  sont réversibles et portent des noms précis (fusion, solidification, vaporisation, condensation, sublimation et condensation solide). Dans le cas de l'eau :

• La fusion transforme la glace en eau liquide

• La solidification fait l'inverse. 

• La vaporisation transforme l'eau liquide en vapeur.

• La condensation liquéfie la vapeur, par exemple sous forme de rosée ou de buée. 

• La sublimation transforme directement la glace en vapeur.

• La condensation solide, parfois appelée déposition ou givrage, transforme directement la vapeur en glace, comme dans la formation du givre ou des cristaux de neige à partir de la vapeur atmosphérique. 

Phase solide.
Dans la phase solide (glace) les molécules d'eau sont organisées selon une structure cristalline hexagonale relativement rigide. Chaque molécule est reliée à ses voisines par des liaisons hydrogène, des interactions électrostatiques directionnelles mais plus faibles que les liaisons covalentes. Ces liaisons figent les molécules dans des positions fixes autour desquelles elles ne peuvent que vibrer. La glace est moins dense que l'eau liquide, car la structure hexagonale laisse des espaces vides plus grands entre les molécules. C'est pour cette raison que la glace flotte sur l'eau. La température de fusion de l'eau pure sous pression atmosphérique normale est de 0 °C. En dessous de cette température, l'agitation thermique n'est plus suffisante pour rompre l'ordre cristallin; au-dessus, elle permet aux molécules de se libérer partiellement. La phase solide peut néanmoins se sublimer, par exemple lorsque de la neige ou de la glace sèche à l'air libre par temps très froid et sec, sous l'effet du rayonnement solaire ou d'un vent sec. Ce phénomène est moins fréquent que la fusion, mais il joue un rôle dans le cycle de l'eau, notamment dans les régions polaires et en haute montagne.

L'eau présente une propriété remarquable qu'elle ne partage qu'avec un très petit nombre de substances; elle se dilate en se congelant; aussi de l'eau renfermée dans un vase clos, qu'elle remplit exactement finit-elle toujours par le briser quand elle est exposée à un froid assez vif; elle brise même les vases largement ouverts à l'air, lorsque, sa congélation commençant par la surface, la croûte solide ainsi formée enserre au-dessous d'elle une certaine quantité d'eau liquide, L'effet devient alors le même que si le vase était clos. C'est à cette cause qu'il faut attribuer le fendillement des pierres dites gélives, la rupture des grands arbres pendant les hivers rigoureux, etc. Cette même cause contribue aussi pour sa part à la mort des plantes par la gelée, bien qu'elle n'intervienne pas généralement seule dans la production de cet accident.

Phase gazeuse.
La phase gazeuse (vapeur d'eau) correspond à un état où les molécules sont largement séparées les unes des autres, se déplaçant de manière rapide et désordonnée, avec très peu d'interactions entre elles. La vapeur d'eau est invisible à l'oeil nu; ce que l'on appelle communément vapeur dans la vie quotidienne, comme la buée au-dessus d'une casserole, est en réalité un aérosol de fines gouttelettes d'eau liquide en suspension dans l'air, formées par condensation de la vapeur au contact de l'air plus froid. Pour passer de l'état liquide à l'état gazeux, il faut fournir de l'énergie, appelée chaleur latente de vaporisation, qui rompt les liaisons hydrogène restantes. L'ébullition se produit lorsque la pression de vapeur saturante de l'eau devient égale à la pression ambiante. À 100 °C (sous un pression égale à une atmosphère), les bulles de vapeur se forment au sein même du liquide, pas seulement à la surface. L'évaporation, en revanche, se produit à toute température à l'interface entre l'eau liquide et l'air, tant que l'air n'est pas saturé en vapeur d'eau. C'est un processus plus lent, qui dépend de la température, de l'humidité relative, du vent et de la surface exposée. La vapeur d'eau est un gaz à effet de serre important dans l'atmosphère terrestre, jouant un rôle majeur dans la régulation du climat, bien que sa concentration varie fortement dans le temps et l'espace.

L'eau et les organismes vivants

Sur le plan thermodynamique, l'eau agit comme un tampon thermique planétaire et local. Sa chaleur massique et sa chaleur latente de vaporisation élevées, dues à la cohésion de son réseau de liaisons hydrogène, permettent de maintenir une stabilité thermique indispensable à la survie des systèmes moléculaires fragiles. Dans le contexte de la chimie prébiotique, l'océan primitif a offert un milieu de réaction continu, bien que la polymérisation des monomères en macromolécules (protéines, acides nucléiques) y pose un défi thermodynamique majeur en raison de la prédominance des réactions d'hydrolyse en milieu aqueux. Ce paradoxe a été résolu par des dynamiques locales, telles que les cycles d'humidification et de dessiccation dans les mares peu profondes, ou par les gradients géochimiques des sources hydrothermales alcalines. Ces dernières, en particulier, fournissent des microcompartiments minéraux et des gradients de pH et d'oxydoréduction continus, mimant les mécanismes de chimiosmose qui sont aujourd'hui au coeur du métabolisme énergétique cellulaire.

Au-delà de son rôle de solvant et de milieu réactionnel, l'eau dicte activement l'architecture même du vivant par le biais de l'effet hydrophobe. L'incapacité de l'eau à former des liaisons hydrogène avec les chaînes carbonées apolaires entraîne une réorganisation entropique de son propre réseau, forçant les molécules amphiphiles, comme les lipides, à s'auto-assembler en bicouches membranaires pour minimiser la perturbation du solvant. Cette ségrégation physico-chimique est l'événement fondateur de la compartimentation cellulaire, permettant l'établissement d'un milieu intérieur distinct et la création de gradients électrochimiques. De la même manière, l'effet hydrophobe est la force motrice principale du repliement tridimensionnel des protéines et de l'empilement des bases dans la double hélice des acides nucléiques, garantissant ainsi leur fonctionnalité biologique. L'eau est ainsi un acteur thermodynamique direct de l'organisation structurale de la matière vivante.

D'un point de vue métabolique, l'eau est omniprésente en tant que réactif, produit et vecteur. L'auto-ionisation de l'eau en ions hydronium et hydroxyde est à la base des gradients de protons à travers les membranes biologiques, mécanisme universel de conversion de l'énergie libre en ATP via l'ATP synthase. De plus, l'intervention de l'eau comme donneur d'électrons lors de la photolyse, au cours de la photosynthèse oxygénique, a non seulement permis la synthèse de matière organique à grande échelle, mais a également provoqué la Grande oxydation du Protérozoïque. Cet afflux de dioxygène dans l'atmosphère et les océans a radicalement modifié les trajectoires évolutives, favorisant l'émergence du métabolisme aérobie, beaucoup plus efficace énergétiquement, et ouvrant la voie au développement d'organismes pluricellulaires complexes et énergivores.

L'architecture évolutive des organismes a également été profondément modelée par les contraintes et les opportunités offertes par le milieu aquatique. La densité anormale de la glace, qui flotte sur l'eau liquide, a empêché la congélation intégrale des masses d'eau, préservant ainsi des refuges écologiques continus lors des glaciations globales et assurant la pérennité des lignées biologiques. Par la suite, la colonisation des milieux terrestres a imposé la pression sélective de la désiccation et de la pesanteur, conduisant à l'innovation de systèmes vasculaires complexes chez les plantes et de mécanismes osmorégulateurs sophistiqués chez les animaux. L'eau, initialement berceau protecteur contre les rayonnements ultraviolets de la Terre primitive, est ainsi devenue le fil conducteur des cycles biogéochimiques et le moteur de la diversification morphologique et physiologique du vivant.

L'émergence et le développement d'organismes vivants sur Terre sont ainsi inextricablement liés aux propriétés physico-chimiques singulières de l'eau. En tant que solvant, tampon thermique, directeur structural par l'effet hydrophobe, et vecteur métabolique, l'eau a imposé ses lois thermodynamiques à la matière organique. Un organisme vivant peut être conceptualisé comme un système thermodynamique hors équilibre, hautement organisé, qui a su exploiter les gradients énergétiques du milieu aqueux pour maintenir sa propre néguentropie, faisant des molécules d'eau les piliers absolus et indépassables de la biosphère.

De l'eau partout

La genèse de l'eau remonte aux étoiles massives, dont les processus de fusion nucléaire ont synthétisé l'oxygène, tandis que l'hydrogène est un vestige du big bang. Ces atomes se combinent dans l'espace interstellaire, notamment à la surface des grains de poussière froide où se forment des manteaux de glace. C'est au sein de ces nuages moléculaires, véritables pouponnières stellaires, que se trouve le réservoir originel d'eau, prête à être intégrée dans les disques protoplanétaires qui entourent les jeunes étoiles. La question centrale est alors de savoir si cette eau "héritée" survit à la formation du système planétaire ou si elle est entièrement détruite puis recomposée lors des phases énergétiques de l'accrétion. L'étude de rapports isotopiques, comme celui entre l'eau semi-lourde (HDO) et l'eau normale (H2O), permet de trancher. Des observations récentes du disque protoplanétaire de l'étoile V883 Ori suggèrent que l'eau originelle des nuages interstellaires peut être préservée, établissant ainsi un lien direct entre l'eau des comètes et des planétésimaux et celle qui a finalement alimenté les planètes terrestres comme la Terre, bien que des apports multiples soient envisagés.

Dans notre Système solaire, l'eau est un constituant majeur, même si sa répartition est très inégale. La ligne de glace, située dans le disque protoplanétaire là où les températures sont suffisamment basses pour que la glace d'eau condense, a joué un rôle fondamental dans la formation des planètes. À l'intérieur de cette ligne, les planètes telluriques comme la Terre, Vénus et Mars se sont formées relativement pauvres en eau, tandis qu'au-delà, les noyaux des planètes géantes ont pu grossir rapidement en accrétant de grandes quantités de glace. Notre planète, la "planète bleue", est unique par la présence d'eau liquide en abondance à sa surface, un océan global qui couvre 71% de celle-ci. L'origine de cette eau, un débat scientifique majeur, fait intervenir plusieurs mécanismes. Les scénarios principaux évoquent un apport tardif par des bombardements de comètes et d'astéroïdes riches en eau, dont les trajectoires ont été perturbées par les planètes géantes. Cependant, l'analyse des isotopes de l'hydrogène dans les océans terrestres et leur comparaison avec ceux des différentes familles de météorites (notamment les chondrites carbonées) et des comètes tend à montrer que la majorité de l'eau terrestre proviendrait d'astéroïdes, avec une contribution cométaire plus limitée. Une part non négligeable de l'eau aurait également pu être piégée dans les minéraux lors de l'accrétion même de la Terre, ou stockée en profondeur dans le manteau et libérée progressivement par le volcanisme. La quantité totale d'eau sur Terre est considérable, avec environ 1,4.10²¹ kg dans les seuls océans, mais le manteau terrestre pourrait en contenir l'équivalent de plusieurs fois cette masse sous forme de traces d'hydrogène dans les silicates, influençant la tectonique des plaques et la convection mantellique.

Au-delà de la Terre, l'eau se manifeste sous des formes variées et dans des environnements extrêmes, faisant du Système solaire un jardin d'océans-mondes. Mars, bien que plus petite et plus froide que la Terre, possède d'importantes calottes polaires de glace d'eau et des traces de son passé hydrologique dans ses minéraux argileux, suggérant qu'elle a pu abriter des environnements plus chauds et humides. Plus loin, les lunes des planètes géantes sont devenues les cibles privilégiées de la recherche astroniologique. Europe, lune de Jupiter, et Encelade, lune de Saturne, abritent probablement des océans d'eau liquide sous leur croûte de glace, maintenus à l'état liquide par les forces de marée de leurs planètes mères. Les geysers d'Encelade, qui projettent dans l'espace des particules de glace et des composés organiques, offrent même un moyen d'étudier la chimie de cet océan interne sans avoir à forer sa surface glacée. Titan, la plus grande lune de Saturne, cache peut-être un océan salé sous sa surface, tandis que sa surface est parsemée de lacs et de mers d'hydrocarbures liquides, un cycle hydrologique exotique où le méthane remplace l'eau. Même Pluton, à la périphérie du Système solaire, pourrait receler un océan souterrain, témoignant de la présence ubiquitaire de l'eau sous ses formes solides ou liquides, bien au-delà de la ligne de glace traditionnelle. Cette diversité montre que l'eau, sous ses différentes formes, est un matériau de construction fondamental des mondes, même les plus froids et les plus éloignés du Soleil.

Cette quête de l'eau s'étend naturellement aux exoplanètes, ces mondes orbitant autour d'autres étoiles. La découverte de planètes dans la "zone habitable" de leurs étoiles, où la température permettrait l'existence d'eau liquide à la surface, est devenue un objectif populaire de l'astronomie. Le système L 98-59, à seulement 35 années-lumière, en est un exemple fascinant avec la confirmation d'une cinquième planète, une planète rocheuse située dans cette zone tempérée. De même, la découverte de GJ 251c, une exoplanète de masse terrestre dans la zone habitable d'une naine rouge proche, offre une cible prometteuse pour les futurs grands télescopes. L'étude de leurs atmosphères, notamment à l'aide du télescope spatial James Webb, est essentielle pour évaluer leur potentiel d'habitabilité. Par exemple, des observations de TRAPPIST-1e, une autre exoplanète potentiellement habitable, ont permis d'écarter des scénarios atmosphériques défavorables comme ceux de Vénus ou Mars, laissant la porte ouverte à la possibilité d'un océan superficiel. Ces découvertes, couplées à la compréhension de la "piste de l'eau" qui relie les nuages interstellaires aux disques protoplanétaires, renforcent l'idée que l'eau et les ingrédients du vivant pourraient être des composants communs de la formation planétaire dans la Galaxie, rendant l'existence d'autres mondes aquatiques et potentiellement habités plus prometteuse que jamais.

S. Salgado, L'Homme et l'Eau, Terre bleue, 2005. - Depuis plus de trente ans, pour Sebastião Salgado, la photo est une arme. Honnête et sans concession, l'écriture visuelle du plus célèbre des photojournalistes est unique. Question de regard : le sien respecte et célèbre la dignité humaine, dans ses tragédies comme dans ses joies. Son optimisme, tempéré de lucidité, et sa générosité militante nous obligent à nous interroger sur le devenir de notre planète. Alors que s'ouvre sous l'égide de l'ONU, une décennie internationale d'action consacrée à l'eau, le photographe nous démontre ici, avec toute la clarté de l'évidence, combien celle-ci, de toutes nos ressources, est la plus précieuse, et la plus menacée. (couv.).