Lac

C'est un système dynamique qui évolue lentement avec le temps et le climat, et sous l'effet des activités humaines du bassin versant[11].

Plus le lac est profond, plus l'inertie thermique et physico-chimique de la masse d'eau est importante[12]. Inversement, de vastes plans d’eau superficiels et très peu profonds (« shallow lakes » en anglais) sont très sensibles et immédiatement réactifs aux changements de l'environnement (climat, hydrologie, pollution, activités anthropiques). C'est le cas des lacs superficiels à fines lames d'eau[alpha 1] - [alpha 2]. Ceci vaut d'ailleurs pour les étangs et les mares, mais à d'autres échelles spatiotemporelles.

Certains volcans possèdent des lacs de cratère dont certains sont des lacs acides et très minéralisés (Remarque : on parle aussi de lacs de lave dans le cas de certains volcans de type basaltique à lave fluide).

Les lacs étant relativement fermés, ils sont vulnérables à certaines espèces invasives quand elles y ont été introduites (volontairement ou non). Ils sont également pour cette raison plus sensibles à certains micro-polluants (ETM, médicaments, antibiotiques, biocides, pesticides, perturbateurs endocriniens) qui peuvent s'y accumuler ou se dégrader à une vitesse différente de celle qu'ils auraient dans les cours d'eau[13].

Selon l'espèce considérée, la qualité de l'eau, la saison et le type de lac, les organismes lacustres ont une stratégie d'occupation spatiale du lac qu'ils adaptent aux variations des conditions environnementales. L'étude de réservoirs (de centrale nucléaire, par exemple) non soumis à un marnage ni aux fluctuations naturelles a permis d'étudier la manière dont les poissons et d'autres organismes se répartissent dans l'espace et le temps dans la masse d'eau dans ces conditions de faibles contraintes abiotiques[14]. Selon Holmgren & Appelberg (2000)[15], sept principaux facteurs (variables) environnementaux ont un effet significatif sur le nombre d'occurrences de chaque espèce de poisson dans les différentes couches d'un lac naturel, la conductivité, la température, la surface, la latitude et l’altitude du lac, sa transparence et sa profondeur maximale. La profondeur de vie d'un poisson semble résulter de choix combinant principalement des variables biogéographiques et de productivité du milieu, avec quelques variations interannuelles notamment liées aux variations météorologiques et de pluviométrie[16].

Tout lac est alimenté par des eaux de surface et/ou souterraines, et météoritiques plus ou moins dépendantes des conditions géologiques, météorologiques et climatiques. Le climat influe sur le cycle de l'eau du lac, mais aussi sur sa température.

Les sédiments lacustres comptent parmi les hot-spots potentiels d'émissions de gaz à effet de serre (méthane, dioxyde de carbone et oxydes nitreux), d'autant plus que leurs eaux d'alimentation sont eutrophisées ou dystrophes[17]. Là où elles ont été mesurées les émissions annuelles de CH₄ et de CO₂ passant des lacs à l'atmosphère sont proportionnelles aux stocks de matière organique sédimentée[18] et d'hydrates de méthane et/ou aux apports hydriques nets de Carbone (parfois principalement par les eaux souterraines comme dans deux lacs du bassin versant de la rivière Shingobec (Minnesota)[19]. Le réchauffement accélère la production de méthane, qui elle-même contribue au réchauffement global[18]. Les moyennes des émissions des lacs tropicaux seraient 58 % plus élevées que celles des lacs subarctiques, boréaux ou de zone tempérée voire jusqu'à 400 % plus élevé compte tenu des valeurs médianes[20] - [21] - [22] - [23] - [24] - [25]. en 2004, il a été évalué que le flux de CH₄ émis par les lacs dans le monde serait de 6 à 25 Tg de CH₄ par an[17].

La définition des lacs ou étangs, et plus encore celle des zones humides peut varier selon les époques, les pays et les acteurs et fait encore l'objet de débats. D'un point de vue commun (retrouvé dans la toponymie) un lac serait fait d'eau douce, à la différence des mers et des océans, quant à eux salés. Cette définition est incorrecte car la mer Baltique présente moins de 4 g/L de sel et le Grand Lac Salé environ 250 g/L.

Classer un plan d'eau en lac ou étang selon son appellation locale dans la toponymie n'est en outre pas possible : un même plan d'eau est parfois indifféremment nommé étang ou lac, ou lac et mer. Le critère parfois retenu d'une zonation verticale exclut les lacs plats et très plats (dont les couches sont constamment mélangées par le vent).

Le limnologue Laurent Touchart[26] le définit comme « plan d’eau continental (séparé de la mer, dominé par son bassin d’alimentation et développant son caractère propre), dont la superficie, la profondeur ou le volume sont suffisants pour provoquer une zonation, un étagement ou une régionalisation des processus limnologiques[27]. » La dimension verticale et le mélange des couches tendent à prendre de l'importance pour la classification des lacs et étangs, de même que les interactions entre le lac et son bassin d'alimentation[28]. Pour l’auteur, celles-ci sont déterminantes quand elles sont suffisamment importantes, et ce de manière conjointe ou indépendante. « Or, un plan d’eau que nous qualifions de superficiel ou pelliculaire doit a priori ne posséder qu’une dimension verticale réduite. Par conséquent, les plans d’eau que nous étudions ne peuvent être qualifiés de lacs que lorsqu’ils possèdent, outre les autres caractères de la définition, des dimensions horizontales suffisantes pour provoquer une zonation ou une régionalisation des processus limnologiques. » On parle aussi de lacs souterrains et depuis peu de lacs sous-marins (accumulation d'eau hypersalée dans les grands fonds marins, souvent près d'un suintement froid). La frontière entre les concepts de lac et d'étang est floue ; par exemple le Lac Balaton a été présenté comme un Lac-étang[29].

C'est la profondeur mesurée (en mètres) au point le plus profond du lac. Plus un lac est profond et petit, moins les couches d'eau s'y mélangent.

Quand Goldman et Horne en 1983 ont cherché des critères pour bien différencier les mares des étangs)[alpha 3]. Constatant que la profondeur ne pouvait à elle seule différencier une mare d'un étang, et un étang d'un lac, en prenant les exemples du lac Tchad et du lac Winnipeg, ils ont réutilisé un autre concept : la profondeur relative, calculée d'après la profondeur, pondérée par le critère de superficie (plusieurs modes différents de calcul de cet indice existent). À l'époque, Goldman et Horne ne différenciaient toujours pas par une définition claire les plans d’eau profonds des plans d'eau superficiels. Il est depuis admis que « la plupart des lacs ont une profondeur relative de 2 % et que les plans d’eau très creux dépassent les 4 % »[30].

Indice pour décrire la profondeur relative d'un lac, en mettant en rapport sa profondeur et sa superficie. Il a été proposé par Delebecque en 1898[31]. Cet indice de creux (sans unité) correspond au quotient de la profondeur maximale (Zm, mesurée en mètres) et de la racine carrée de la superficie (Ao, mesurée en hectares) :

C'est un autre concept, dérivé de l'indice de creux, promu par Meybeck en 1995 pour classer les plans d’eau selon un indice de profondeur pondéré. Il se calcule à partir de l’indice de creux préalablement proposé par Delebecque, mais en utilisant la profondeur moyenne (plus difficile à calculer). Meybeck classe ainsi tous les lacs en 5 classes de plans d’eau suivant leur indice de creux. Quand la profondeur moyenne est inférieure à un indice de 0,1, il parle de lac très plat, puis de lac plat (de 0,1 à 0,5), lacs normaux (0,5 à 2,5), lacs creux (2,5 à 12,5), et enfin de lac très creux (12,5 et plus). Le seuil qui sépare chaque catégorie reste néanmoins arbitraire.

Ils ont été mieux définis par deux manuels de limnologie, de Wetzel (1983) puis de Burgis et Morris (1987). Leur fonctionnement écologique est original[32]. Leurs processus morphologiques sont différents de ceux des eaux profondes[33]. En particulier ; à cause du brassage par convection des couches d'eau par les courants superficiels et secondaires induits par le vent[34], on n'y constate pas de stratification thermique (homothermie) ou elle ne dure pas plus de quelques jours et on les dits polymictiques, c’est-à-dire avec un rythme de brassage plus rapide que le rythme saisonnier[35] Ils sont nombreux autour de l'arctique (reliques glaciaires)[36]. Ils sont également nombreux dans certaines grandes plaines alluviales inondées par de grands fleuves (ex. : Yang Tsé Kiang ou Amazone). Leur écologie particulière[32] est liée à des variations plus intenses et rapides des températures et de la salinité, à la pénétration de la lumière dans toute la couche d'eau, ce qui permet une présence relative potentiellement plus importante des macrophytes, et parfois à une turbidité pouvant devenir importante, liée aux remise en suspension de sédiments en période très venteuses[37] - [38] - [39], à leur redistribution par les vagues[40] ou à cause de blooms planctoniques. Dans ces lacs, les cycles biogéochimiques (du phosphore, de l’azote et du carbone notamment) peuvent être accélérés, notamment en zone tropicale[41] et tempérée. Les vaguelettes induites par le vent érodent les berges et transportent les sédiments avec un bilan sédimentaire différent de ce qu'il serait dans un lac profond[42]. Ils sont sensibles aux pollutions et à l'eutrophisation.
« L’intensité de la réponse du lac au forçage dépend de deux paramètres : le rapport entre le volume du lac et sa superficie (profondeur moyenne) et le rapport entre le volume du lac et l’apport par les rivières (temps de séjour de l’eau)[43]. »

Les courants de convection sont dits « libres » ou « mécaniques ». La convection libre (ou passive) résulte de l'enfoncement naturel d'une couche superficielle rendue plus dense (plus salée le jour avec l'évaporation, plus rapidement refroidie la nuit…)[44], ce qui dans une faible couche d'eau contribue significativement au brassage de toute la colonne d’eau. La convection mécanique est le brassage des couches d'eaux forcées par le vent[45], l'arrivée d'un courant d'eau, des sources sur le fond du lac, etc. Les mouvements du plancton (daphnies, copépodes notamment) peuvent aussi contribuer aux micromélanges de couches d'eau qui sans cela se stratifieraient plus facilement. La présence active de nombreux poissons ou de gros animaux (crocodiles ou caïmans, lamantins, hippopotames, etc.) contribue aussi au brassage de l'eau.

Le temps de résidence hydraulique est le temps moyen durant lequel l'eau séjourne dans le lac. Il se mesure souvent en année à décennies dans les grands lacs.

Lacs dimictiques et polymictiques.

Les lacs sont classés selon leur régime de convection thermique, ce qui permet de distinguer les lacs amictiques, monomictiques, dimictiques, polymictiques, holomictiques et méromictiques. Les lacs amictiques, monomictiques, dimictiques et polymictiques se différencient par la fréquence des brassages et leurs types.

• Les lacs amictiques ne subissent pas de convection et leurs eaux ne sont jamais brassées. Il s'agit de lacs dont la surface est gelée en permanence, ce qui les isole des aléas climatiques et de l'ensoleillement, sources de convection dans les autres lacs.
• Les lacs monomictiques ont une stratification thermique stable, mais avec un brassage annuel, lors de la saison froide ou chaude. Pour les lacs monomictiques froids, le brassage convectif a lieu lors de la saison chaude. Le moteur de la convection est le réchauffement des eaux de surface par le soleil. Pour les lacs monomictiques chauds, le brassage convectif a lieu lors de la saison froide, à la suite du refroidissement des eaux de surface.
• Les lacs dimictiques et polymictiques subissent des mélanges fréquents, qui entraînent une commutation entre stratification thermique normale (eaux chaudes au sommet, eaux froides au fond) et stratification thermique inverse. Pour les lacs dimictiques, la stratification thermique normale a lieu en saison chaude, quand les eaux de surface sont chauffées par le soleil, et la stratification thermique inverse est présente dans la saison froide, à la suite du refroidissement de la surface du lac et éventuellement du gel de sa surface. Pour les lacs polymictiques, le cycle est journalier, avec une stratification normale le jour et une stratification inverse la nuit.

Lacs holomictiques et méromictiques.

La distinction entre lacs holomictiques et méromictiques tient dans la profondeur de la convection lacustre. Dans les lacs holomictiques, la convection brasse l'ensemble du lac, sur toute sa profondeur. Le mélange est eaux est alors suffisamment efficace pour brasser l'ensemble du lac. Ce faisant, les eaux du lac sont suffisamment oxygénées par le brassage, permettant l'existence d'une vie développée au fond du lac. À l'opposé, les lacs méromictiques se caractérisent par une convection limitée à la surface du lac. Les eaux profondes ne sont pas brassées par la convection et stagnent au fond du lac. Le lac se divise en deux couches : une couche de surface soumise à la convection, et une couche profonde non-brassée. Les eaux de la couche profonde sont très réductrices : elles sont peu oxygénées, sans compter que la dégradation de la matière organique accentue le potentiel redox des eaux.

En droit international, un lac est entièrement administré par son ou ses États riverains, et ce quelle que soit la distance par rapport au rivage. Dans certains pays, les berges et une bande de terre riveraine ne peuvent pas devenir propriété privée. La libre-circulation sur les rives reste ainsi permise pour tous. En France le Conservatoire du littoral a également compétence sur les « rivages lacustres ». Dans le droit européen de l'environnement, les lacs peuvent être intégrés dans le réseau Natura 2000, et le bon état écologique est une cible pour 2015 (sauf dérogation), imposée par la Directive cadre sur l'eau. Certains auteurs ont proposé une typologie paneuropéenne de critères d'appréciation de leur qualité[46].

Une classification des lacs peut se faire sur le type d'événement géologique qui a présidé à leur formation :

• océaniques, c'est-à-dire des restes d'anciens océans séparés des autres mers, par exemple la mer Caspienne, voire la mer Noire pendant les périodes glaciaires ;
• tectoniques, dus à l'effondrement de portions de la croûte terrestre, comme le lac Tanganyika, le lac Malawi et le lac Victoria ;
• volcaniques, formés dans une caldeira ou un volcan actif (lac acide) :
  • lacs de cratère comme le lac d'Albano, le lac Pavin, le lac de Nemi ou le lac Barombi Mbo,
  • lacs polycratères ou intercratères, comme le lac de Bolsena ou le lac de Bracciano ;
• alluvionnaires, quand un cours d'eau, par exemple le Brenta en Vénétie (Italie), rencontre des dépôts alluvionnaires sur son cours, formant ainsi le lac de Levico et le lac de Caldonazzo ;
• lacs glaciaires, dus à l'érosion glaciaire, comme les lacs des régions préalpines ; c'est l'exemple des Cent lacs en Italie ;
• lacs sous-glaciaires, situés sous des glaciers, comme le lac subglaciaire de Vostok[47] ;
• lacs pro-glaciaires, quand le lac est situé devant et alimenté par un glacier ;
• morainiques, quand les matériaux transportés et déposés par les glaciers forment un barrage ;
• karstiques, dus à des phénomènes d'érosion en milieu calcaire et souvent très petits ;
• de déflation, dus à l'érosion par les vents, tels ceux du Languedoc (en France) ;
• lacs artificiels, créés par des ouvrages construits par l'homme, souvent des lacs de barrage pour la production hydroélectrique, par exemple le lac de Serre-Ponçon (en France) ou les lacs de l'Eau d'Heure (en Belgique).

Les lacs naturels sont inégalement répartis. Le contexte hydro-géomorphologique les rend bien plus nombreux dans les anciennes zones glaciaires. Leur géographie varie aussi selon que les hommes les ont vidés ou drainés ou au contraire artificiellement aménagés, construits ou agrandis en établissant des digues et barrages.

En Europe, il y a environ 500 000 lacs de plus de 1 ha (dont près de 50 % en Suède et Finlande), 16 000 dépassant 1 km²[48].

Dans le monde, hormis les zones glaciaires Arctique et Antarctique, le nombre de lacs d'une superficie supérieure à 0,002 km² est d'environ 117 millions. Leur surface totale couvre environ 5 millions de km², soit 3,7 % de la surface terrestre[49]. Le volume total des lacs terrestres est de 199 000 ± 3 000 km³ (intervalle de confiance à 95 %), et leur profondeur moyenne de 41,8 ± 0,6 m[50].

Le classement des lacs par leur localisation géographique ou altimétrique est fait par certains : ces classements comportent ainsi les lacs polaires[51], les lacs de montagne (en France, ils correspondent aux lacs situés à plus de 700 m d'altitude, 600 m dans les Vosges[52]), etc. Les lacs polaires et lacs de montagne ont un fonctionnement marqué par la température de l'eau, influençant leur cycle trophique[51].

Ce schéma montre les possibles apports en eaux et pertes qui font varier la quantité d'eau présente dans un lac.

Les lacs sont généralement alimentés en eaux par plusieurs sources. Les précipitations sont les premières sources, mais leur bilan est relativement faible. Un lac peut aussi être alimenté par un ou plusieurs cours d'eau en amont, par des résurgences, ou par des glaciers. L'eau peut s'évacuer naturellement, principalement par un cours d'eau appelé émissaire, mais aussi par évaporation. Cependant, certains lacs sont dits endoréiques et n'ont pas de cours d'eau émissaires. Le lac peut aussi perdre de l'eau par évaporation, ce mécanisme étant important en été ou sous certains climats. Certains lacs sont ainsi des lacs temporaires, qui ne survivent que lors de certaines saisons et disparaissent en été. Plus rarement, l'eau peut s'infiltrer dans le sol situé sous le lac, si celui-ci est perméable.

Retenue du barrage de Carbonne.

Les lacs constituent une importante réserve d'eau douce utilisée par l'homme pour l'irrigation des cultures, comme source d'eau potable et dans certains cas pour produire de l'énergie électrique. En revanche, certains lacs de retenue sont responsables de l'assèchement de la partie aval de leur bassin.

Ce schéma montre comment les vents peuvent former des vagues à la surface d'un lac, et comment le vent pousse les eaux sur les berges.

Bien que stagnante, l'eau des lacs connaît de nombreux mouvements internes. Outre les courants créés par les cours d'eau, en amont ou en aval, et les sources souterraines, il peut se produire des tourbillons ou des ondes dus à diverses causes, parmi lesquelles l'action du vent à la surface de l'eau. En outre, les lacs sont sujets à une série de mouvements, véritables déplacements périodiques d'eau d'un côté à l'autre du bassin, observables comme de réelles dénivellations d'une partie à l'autre de la côte. Dans le lac de Bolsena, malgré sa taille relativement limitée, on a ainsi enregistré des variations de niveau allant jusqu'à 50 cm.

De plus, les grands lacs dans les villes métropolitaines sont des lacs artificiels (cf. lac du parc des Buttes-Chaumont) dont l'eau ne va pas au sol (source Bodo Groening, 2004, Madrid).

Enfin, les différentes couches d'eau se déplacent en profondeur en raison des différences de température en fonction de la profondeur, de la journée et des saisons.

D'après François-Alphonse Forel, « en opposition avec les fleuves, rivières et autres eaux courantes, les lacs sont formés d'eaux stagnantes ; ces eaux ne sont pas entraînées dans une direction toujours la même »[53]. L'eau des courants lacustres change souvent de direction, à cause des changements de direction du vent, des obstacles rencontrés (côte, île, etc.) et des variations de températures entre différentes zones.

De nos jours, il est proposé d'employer à la place de « masse d'eau » le terme de plan d'eau, ou nappe d'eau, du fait que de grands mouvements existent mais ne suivent pas une pente comme un cours d'eau.

Les lacs sont plus ou moins stratifiés thermiquement, en termes de pH, d'oxygénation et écologiquement. Cette stratification, qui peut faire l'objet d'importantes variations saisonnières, peut être enregistrée dans les sédiments, de même que les teneurs en certains polluants. Certains mollusques (limnées et bivalves tels que les pisidies), selon qu'ils colonisent ou non la zone profonde des lacs, peuvent être des indicateurs de phénomènes d'anoxie ou de toxicité des fonds[54].

Stratification des eaux d'un lac suivant la saison.

En hiver, l'ensemble des eaux du lac a une température relativement faible. La température des eaux est constante, mais supérieure à zéro, et augmente avec la profondeur. La raison est que les eaux sont protégées de la froideur de l'hiver par la couche de glace. L'ensemble de ces eaux est pauvre en oxygène, étant donné que la glace isole les eaux de l’atmosphère.

En été, les eaux du lac sont chargées en oxygène (car elles sont au contact de l’atmosphère) et sont recouvertes par une couche chauffée par le soleil. Cette couche d'eau chaude surmonte une couche d'eaux froides et peu oxygénées (l'oxygène et la chaleur se diffusent sur une faible profondeur dans le lac). Les deux couches sont relativement homogènes. Entre les deux couches, la zone de contact voit sa température et son taux d'oxygénation varier rapidement avec la profondeur.

Au printemps ou en automne, les eaux du lac se mélangent à la suite de phénomènes de convection thermique, liés à une inversion thermique.

Au fur et à mesure de milliers, voire de millions d'années, les sédiments se déposent au fond des lacs, s'accumulent sur des mètres ou dizaines de mètres. Dans le même temps, les tourbières ou ceintures de végétation arborée peuvent coloniser la partie centrale d'un lac peu profond. Un lac peut ainsi finir par évoluer vers un réseau d'étangs, puis une zone de marais, puis une tourbière et une forêt alluviale humide (dans les zones restant suffisamment humides) et, enfin, être totalement comblé. Un exemple d'évolution et de disparition d'un lac est fourni par les anciens lacs de la plaine d'Oisans, dans les Alpes françaises : cette plaine, qui accueillait encore au Moyen-Âge un lac peu profond, le lac Saint-Laurent, issu de vestiges de lacs paléolithiques, est assise sur une couche de sédiments dont l'épaisseur est estimée à son maximum à 500 m[55].

Le lac symbolise en général l'œil de la terre, un lieu par lequel les habitants d'un monde souterrain pourraient regarder la surface[56]. Pour les gaulois, les lacs étaient considérés comme des divinités, ou des demeures des Dieux[56].

• Le Lac, poème de Lamartine
• Poètes lakistes : Coleridge, Southey, Wordsworth
• Le Lac (légende arthurienne)

En 2004, l'équipe scientifique de THEMIS, l'instrument de Mars Odyssey prévu pour détecter la présence d'eau passée sur Mars, a découvert sur une des images de la sonde une « structure qui ressemble à un lac situé au centre du cratère »[66]. En 2005, la sonde Mars Express a détecté, à proximité du pôle nord, un lac de glace d'eau dans un cratère[67].

Sur Titan, satellite naturel de Saturne, la sonde Cassini a confirmé la présence de lacs d'hydrocarbures liquides.

• 
  Lacs de Titan, photographiés en fausses couleurs par la sonde Cassini.

Structure pouvant être un ancien lac d'azote gelé, localisée au Nord de la plaine Spoutnik.

Des structures à la surface de Pluton suggèrent l'existence d'anciens lacs sur la planète naine[68].

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• Ressource relative à la santé :
  • (en) Medical Subject Headings
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Britannica
  • CALS Encyclopedia of Arkansas
  • Enciclopedia italiana
  • Gran Enciclopèdia Catalana
  • Maine: An Encyclopedia
  • Mississippi Encyclopedia
  • South Carolina Encyclopedia
  • Store norske leksikon
  • Treccani
  • Universalis
  • The West Virginia Encyclopedia
• Notices d'autorité :

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  • Tchéquie
• (fr) Aspects physico-chimique et écologique d'un lac de montagne
• (ja) Site de l’International Lake Environment Commitee Foundation ONG créée au Japon en 1986, propose une base de données sur plusieurs centaines de lacs dans le monde entier.
• (en) Wetlands International ; ONGE dédiée à la conservation des zones humides. Comme sur le site de l’ILEC, une base de données est disponible en ligne.
• (en) L’organisation LakeNet, proche de l’ILEC ; avec base de données sur les lacs de la planète