Dans un désert où il ne pleut presque jamais, où les êtres vivants trouvent-ils de l'eau ?
― Ils filtrent l'eau dans une « rivière d'air » qui coule à travers le brouillard
Il existe dans le monde des déserts où il tombe moins d'un millimètre de pluie par an. Pourtant, des insectes et des plantes y vivent. L'eau ne vient pas de la pluie qui tombe du ciel. Elle vient du brouillard qui arrive horizontalement depuis la mer. Les gouttelettes de brouillard sont trop petites pour tomber vraiment. Alors les êtres vivants exposent leur corps au vent pour « filtrer » les gouttelettes qui défilent.
Par un matin de brouillard épais, en marchant dehors, il ne pleut pas, et pourtant vos cheveux et la surface de votre manteau sont humides. Même sous un parapluie, votre visage et votre frange se mouillent.
Parfois, une toile d'araignée brille le matin comme un collier de perles. De nombreuses gouttelettes de brouillard se sont accrochées à ses fils fins.
Ce mécanisme qui « mouille juste en marchant », certains êtres vivants l'utilisent pour survivre. La scène se déroule dans le désert d'Atacama en Amérique du Sud, ou dans le désert du Namib au sud-ouest de l'Afrique.
Seulement deux raisons permettent de tirer de l'eau du brouillard
Les gouttelettes de brouillard sont bien plus petites que les gouttes de pluie et restent presque en suspension dans l'air. Attendre en dessous ne sert à rien. En revanche, elles sont transportées sans cesse de côté, portées par le vent.
L'air contourne les objets épais, et les gouttelettes le suivent en les évitant aussi. Mais sur un fil fin ou une épine, les gouttelettes n'arrivent pas à l'éviter et le heurtent. Le corps des êtres vivants du désert est façonné selon cette propriété.
Voyons d'abord à quel point le brouillard « ne tombe pas ».
Le brouillard n'est pas une eau qui tombe du ciel, mais une eau qui arrive de côté
Dans certaines villes côtières du désert d'Atacama, la pluviométrie annuelle moyenne ne dépasserait pas 1 millimètre environ. Dans de nombreuses régions du Japon, elle est d'environ 1500 millimètres par an, soit un écart de plus de mille fois. Si les êtres vivants ne comptaient que sur la pluie, ils ne pourraient tout simplement pas survivre.
Pourtant, sur le littoral de ces déserts, un brouillard né au-dessus de la mer froide s'infiltre fréquemment de la nuit au matin. Dans les régions du Namib proches de la mer, on rapporte des jours de brouillard allant de plusieurs dizaines à plus d'une centaine par an.
Le diamètre des gouttelettes de brouillard est le plus souvent compris entre 1/100 et 1/50 de millimètre. Cela ne fait qu'environ un centième de la taille d'une goutte de pluie. Étant aussi petites, elles sont freinées par la résistance de l'air, et leur vitesse de chute n'atteindrait qu'environ 1 centimètre par seconde. Au moindre souffle de vent, la distance parcourue latéralement devient bien plus longue que la distance de chute.
En somme, le brouillard n'est pas une eau qui « tombe » au sol. C'est une eau qui « coule » horizontalement avec l'air. Un jour de brouillard épais, c'est comme si une rivière invisible s'écoulait au ras du sol, de la mer vers la terre. Pour tirer de l'eau de cette rivière, il faut exposer quelque chose dans le courant pour que les gouttelettes le heurtent.
Plus une épine ou un fil est fin, mieux les gouttelettes de brouillard le heurtent
Regardez la figure 1. Quand le vent rencontre un objet, l'air change de direction en amont pour le contourner. Les gouttelettes de brouillard, légères, suivent la plupart du temps l'air et l'évitent aussi.
Ce qui compte ici, c'est l'épaisseur de l'objet. Avec un pilier épais comme celui de gauche, l'air commence à se courber bien en amont. Les gouttelettes ont alors beaucoup de « temps » entre le début de la courbe et l'arrivée au pilier, et elles réussissent à suivre le flux d'air. Avec un fil fin comme celui de droite, l'air se courbe brusquement juste avant le fil. Les gouttelettes, portées par leur élan, n'arrivent pas à tourner à temps et heurtent directement le fil, où elles sont capturées.
Les êtres vivants du désert exploitent cette propriété — « plus c'est fin, mieux ça capture » — grâce à la forme de leur corps.
Dans le désert du Namib, il existe un coléoptère qui, par un matin de brouillard, grimpe sur la crête d'une dune, baisse la tête face au vent et dresse son arrière-train vers le ciel. Les gouttelettes de brouillard qui frappent son dos et ses pattes se rassemblent en gouttes d'eau, qui coulent le long de la pente de son dos jusqu'à sa bouche. Ce comportement de « bain de brouillard » a été signalé dans les années 1970.
Dans le désert d'Atacama, il existe aussi des plantes qui, presque sans racines, roulent à la surface du sable. La surface de leurs feuilles est couverte de fines écailles en forme de poils, qui capteraient et absorberaient les gouttelettes de brouillard. Les épines de cactus et les herbes à feuilles fines joueraient elles aussi le rôle d'un « peigne » qui capture les gouttelettes de brouillard.
Les humains imitent ce procédé. Au pied des montagnes désertiques du Chili ou du Pérou, on a mis en place de grands filets tissés de fils fins, dressés face au vent, pour recueillir l'eau potable du brouillard. Il est rapporté que quelques litres d'eau par jour peuvent être recueillis sur un mètre carré de filet.
La quantité d'eau recueillie par le filet varie fortement selon la force du vent. Essayez vous-même avec la figure 2.
Si le vent double, le brouillard qui traverse le filet double aussi, et l'eau recueillie double également. Mais en réalité, si le vent est trop fort, les gouttelettes peuvent traverser le filet sans être capturées, ou le filet peut s'endommager. Notez que les chiffres de la figure sont des ordres de grandeur, calculés en supposant une densité de brouillard et une performance de filet constantes.
La rosée du matin sur l'herbe est de la vapeur d'eau de l'air qui se condense fraîchement en gouttelettes sur la surface refroidie des feuilles. L'eau recueillie du brouillard, elle, est faite de gouttelettes déjà formées dans l'air, capturées par collision. On pense que les êtres vivants du désert exploitent les deux mécanismes selon les besoins.
Une étude publiée en 2001 a montré que le dos du coléoptère du désert du Namib porte de petites bosses qui attirent l'eau, alternant avec des sillons qui la repoussent. Les bosses rassemblent les gouttelettes pour les faire grossir, et les zones hydrofuges les font rouler pour les transporter. Cette idée est aussi utilisée dans le développement de matériaux captant l'eau du brouillard.
En résumé
Les gouttelettes de brouillard sont trop petites pour tomber au sol comme la pluie. Elles arrivent au contraire sans cesse de côté, portées par le vent. Les êtres vivants du désert exposent au vent leurs pattes fines, leurs épines ou leurs feuilles poilues, pour que ces gouttelettes les heurtent et s'y capturent. Plus un objet est fin, plus les gouttelettes, incapables de l'éviter comme l'air, le heurtent directement.
L'eau du désert ne tombe pas du ciel.
Elle filtre, avec un corps fin, le brouillard qui coule horizontalement dans le vent.
Le mécanisme par lequel le refroidissement nocturne produit de l'eau est traité dans Pourquoi la rosée du matin se forme-t-elle ?, et les écarts extrêmes de température du désert dans Pourquoi le désert est-il chaud le jour et froid la nuit ?. Pour les stratégies de stockage d'eau dans le corps, voir aussi l'article sur le cactus et l'article sur le chameau.
- Par un matin de brouillard, placez côte à côte un fil fin (plus fin qu'un fil de laine, comme du fil à cerf-volant ou du fil de pêche) et un bâton épais (comme un tube de film plastique), là où le vent passe, pendant environ 10 minutes.
- Passez le doigt sur la surface du fil et du bâton, et comparez lequel porte le plus d'eau. Le fil devrait être bien plus humide, par rapport à la surface qu'il offre.
- S'il n'y a pas de brouillard, créez de fines gouttelettes avec un vaporisateur et envoyez un vent latéral avec un éventail pour refaire la même comparaison.
Le fait qu'une toile d'araignée ne brille que le matin suit le même mécanisme. Si vous en trouvez une, observez où les gouttelettes s'alignent sur le fil.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules, et liens avec les manuels scolairesOn précise à chaque fois le niveau concerné, du collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées
- Collègeniveau du programme de sciences au collège
- Lycéeniveau des matières « Physique fondamentale », « Biologie », « Sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+contenu avancé du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- Universitécontenu non abordé au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (mécanique des fluides, science des aérosols, écologie)
- Recherchecontenu qui n'est même pas enseigné à l'université comme un « fait établi », mais fait actuellement l'objet de recherches
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Brouillard : état où de fines gouttelettes d'eau flottent dans l'air près du sol, réduisant la visibilité à moins d'un kilomètre.
- Brouillard d'advection (brouillard marin) : brouillard formé quand de l'air chaud et humide passe au-dessus d'une mer froide et se refroidit. Le brouillard d'Atacama et du Namib est de ce type.
- Bain de brouillard : comportement par lequel un coléoptère, dans le brouillard, oriente son corps face au vent et boit comme eau les gouttelettes de brouillard qui le frappent.
CollègeLycéeVérification par la formule : combien d'eau un filet à brouillard recueille-t-il en une nuit ?
L'eau recueillie par le filet est la part, parmi « l'eau contenue dans l'air qui traverse le filet », qui a été capturée. On reprend ici les mêmes valeurs que la figure 2, pour calculer la quantité d'eau accumulée en une nuit sur un filet de 1 mètre carré.
| En symboles | W = L × v × A × η × t |
| En mots | Eau recueillie = eau du brouillard par mètre cube d'air × vitesse du vent × surface du filet × taux de capture × temps |
| D'où vient cette formule | C'est le volume d'air traversant le filet (vitesse du vent × surface × temps), multiplié par la quantité d'eau que contient cet air. C'est l'idée de base de l'écoulement d'une matière (la formule du débit) : « quantité qui arrive = concentration × vitesse du flux × section ». |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| W | quantité d'eau recueillie (en grammes) |
| L | teneur en eau du brouillard. Poids des gouttelettes contenues dans 1 mètre cube d'air (grammes par mètre cube) |
| v | vitesse du vent (mètres par seconde) |
| A | surface du filet (mètres carrés) |
| η | taux de capture des gouttelettes par le filet (entre 0 et 1, sans unité) |
| t | durée du brouillard (en secondes) |
| Teneur en eau du brouillard L (ordre de grandeur pour un brouillard dense, estimé entre 0,05 et 0,5) | 0,2 g/m³ |
| Vitesse du vent v | 3 m/s |
| Surface du filet A | 1 m² |
| Taux de capture η (environ 20 % pour un filet à fils fins) | 0,2 |
| Durée du brouillard t | 6 heures (1 heure = 3600 secondes) |
| Pluie de comparaison (ordre de grandeur de la pluviométrie annuelle du littoral d'Atacama) | environ 0,8 mm par an (soit environ 800 g par mètre carré) |
| Eau de brouillard traversant 1 m² de filet en 1 seconde (L × v × A) | 0,2 × 3 = 0,6 g |
| Eau traversant en 1 heure | 0,6 × 3600 = 2160 g |
| Part capturée (× η) | 2160 × 0,2 = 432 g |
| Eau W pour 6 heures de brouillard | 432 × 6 = 2592 g |
| Comparaison avec la pluie annuelle | 2592 ÷ 800 ≈ 3,2 fois |
En une seule nuit de brouillard, environ 2,6 litres d'eau s'accumulent sur un filet de 1 mètre carré. C'est environ 3 fois la pluie qui tombe en un an sur la même surface au sol. Toutefois, le filet est une surface dressée face au vent, tandis que la pluie tombe sur une surface au sol : la comparaison n'est donc pas strictement équivalente. Cela montre néanmoins qu'il existe des déserts où « l'eau qui coule » est bien plus abondante que « l'eau qui tombe ».
LycéeLycée+Pourquoi les gouttelettes de brouillard ne tombent-elles pas
LycéeUn objet qui tombe est soumis à la gravité et à la résistance de l'air ; quand les deux s'équilibrent, la vitesse devient constante (vitesse limite). Plus une gouttelette est petite, plus la résistance de l'air est grande par rapport à son poids, donc plus sa vitesse limite est faible.
Lycée+Pour des gouttelettes aussi petites que celles du brouillard, la résistance suit la « loi de Stokes », proportionnelle à la vitesse. Dans ce cas, la vitesse limite est proportionnelle au carré du diamètre. Pour une gouttelette de 0,02 mm de diamètre, elle serait d'environ 1 cm/s, soit plusieurs centaines de fois moins que pour une goutte de pluie de 2 mm de diamètre (6 à 7 m/s).
UniversitéLe nombre qui décide si une gouttelette heurte l'obstacle : le nombre de Stokes
Le phénomène par lequel une gouttelette heurte un obstacle dans un flux est appelé « impaction inertielle ». La capacité d'une gouttelette à suivre la courbure du flux est exprimée par un nombre sans dimension, le « nombre de Stokes ». C'est le rapport entre le temps nécessaire à la gouttelette pour changer de vitesse (temps de relaxation) et le temps que met le flux à se courber pour éviter l'obstacle. Plus la gouttelette est grosse, plus le vent est rapide, et plus l'obstacle est fin, plus le nombre de Stokes est grand, et plus la gouttelette heurte l'obstacle sans pouvoir tourner à temps. L'idée du texte — « plus c'est fin, mieux ça capture » — vient du fait que l'épaisseur de l'obstacle apparaît au dénominateur du nombre de Stokes. L'efficacité de capture réelle d'un filet s'estime en multipliant cette efficacité de collision par la part des gouttelettes qui adhèrent sans rebondir après le choc, et par la part de l'air qui est bloquée par le filet et s'échappe sur les côtés.
📖 Pour la dérivation de la formule et pour aller plus loin : nombre de Stokes (Wikipédia japonais) ／ le mécanisme du dos du coléoptère du désert (Parker & Lawrence 2001)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Le dos du coléoptère sert-il vraiment à capter le brouillard ? Certains chercheurs font remarquer que les espèces au dos bosselé et sillonné n'adopteraient en réalité pas la posture du bain de brouillard. Quelle espèce capte l'eau avec quelle partie de son corps reste un sujet débattu.
- Sur quelle part les êtres vivants du désert dépendent-ils du brouillard ? On pense que la part jouée par le brouillard, la rosée du matin et l'eau contenue dans la nourriture varie fortement selon l'espèce et le lieu.
- Le brouillard marin continuera-t-il d'arriver de la même façon ? Des changements dans la température de la mer ou dans les vents en altitude pourraient modifier la fréquence du brouillard côtier. L'impact sur les écosystèmes dépendants du brouillard reste mal connu.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'« une explication dans l'état actuel des connaissances ». La façon dont chaque espèce recueille l'eau, en particulier, a été réécrite à chaque avancée des observations.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 4e, « Le temps et ses changements » (brouillard, point de rosée) | La nature du brouillard, sa différence avec la rosée du matin |
| Lycée | Physique fondamentale « résistance de l'air et vitesse limite », Sciences de la Terre « atmosphère et océan » | Pourquoi les gouttelettes de brouillard ne tombent pas, formation du brouillard marin |
| Lycée+ | Physique avancée « loi de Stokes » | La vitesse limite proportionnelle au carré du diamètre |
| Université | Mécanique des fluides, science des aérosols (impaction inertielle, nombre de Stokes) | Pourquoi un objet fin capte mieux les gouttelettes |
| Recherche | Écologie désertique, recherche sur les matériaux biomimétiques | Le rôle du dos du coléoptère, l'évolution future du brouillard |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi les vêtements se mouillent un matin de brouillard, les gouttelettes sur la toile d'araignée, la production d'eau potable dans les villages du désert |
- Parker, A. R. & Lawrence, C. R. (2001) Water capture by a desert beetle. Nature 414
- Hamilton, W. J. & Seely, M. K. (1976) Fog basking by the Namib Desert beetle, Onymacris unguicularis. Nature 262
- Schemenauer, R. S. & Cereceda, P. (1994) A proposed standard fog collector for use in high-elevation regions. Journal of Applied Meteorology 33
- Wikipédia japonais « Brouillard » (霧)
- Wikipédia japonais « Nombre de Stokes » (ストークス数)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Pour boire de l'eau recueillie à partir du brouillard, un traitement sanitaire séparé est nécessaire.