Pourquoi les agriculteurs arrosent-ils leurs champs les nuits de gelée ?
― Pas pour empêcher le gel, mais pour le provoquer
Au début du printemps, les nuits où le gel est annoncé, les asperseurs tournent parfois toute la nuit dans les vergers et les plantations de thé. On pourrait croire qu'arroser par une nuit froide ne fait qu'aggraver le gel. Pourtant, cette eau protège les bourgeons. Et c'est justement parce qu'elle gèle qu'elle les protège.
Une nuit de début de printemps, claire et sans vent. La météo du soir annonce : « Refroidissement demain matin, risque de gelée tardive. »
Cette nuit-là, les asperseurs se mettent en marche dans le verger. Le lendemain matin, branches et bourgeons naissants sont entièrement enveloppés dans une glace transparente.
À première vue, ce sont les branches qui semblent les plus abîmées par le gel. Pourtant, une fois la glace fondue, le bourgeon est bien vivant. Dans le champ voisin, resté sans arrosage, les bourgeons sont bruns et desséchés.
Pourquoi « faire geler » protège-t-il ? Deux raisons
Quand l'eau se transforme en glace, elle libère de la chaleur autour d'elle. Tant que l'eau arrosée continue de geler à la surface du bourgeon, cette chaleur continue d'être produite. Elle réchauffe le bourgeon qui, sinon, continuerait de se refroidir.
Tant que de la glace non fondue et de l'eau encore liquide coexistent, la température ne peut pas descendre en dessous de 0°C. Le bourgeon reste fixé à 0°C. Même si l'air descend à −4°C, le bourgeon, à l'intérieur de la glace, reste à 0°C.
Ce qui détermine si un bourgeon meurt n'est pas « a-t-il gelé ? » mais « jusqu'à quelle température est-il descendu ? ». Pour de nombreux arbres fruitiers, un bourgeon qui a commencé à gonfler serait endommagé entre −2°C et −3°C environ. En le bloquant à 0°C, on évite de franchir ce seuil. Voyons cela en détail.
Que signifie « libérer de la chaleur en gelant » ?
Quand on refroidit de l'eau, elle gèle à 0°C, mais pendant ce temps, le thermomètre reste bloqué sur 0°C un moment. Il y a un intervalle où l'on continue de refroidir sans que la température ne baisse. Ce « pouvoir refroidissant disparu » correspond en réalité à la chaleur que l'eau relâche en devenant glace.
En quantité, la chaleur libérée par 1 gramme d'eau qui gèle est d'environ 334 joules. C'est équivalent à la chaleur nécessaire pour réchauffer ce même gramme d'eau d'environ 80°C : ce n'est pas rien. En arrosant tout le champ sans interruption, cette chaleur continue d'être produite sur toute la surface. Regardez la figure 1 : elle montre la différence entre les deux situations, au cours de la même nuit.
Comment la température reste bloquée à 0°C
Si l'eau ne faisait que libérer de la chaleur, on pourrait croire que cette chaleur finirait par s'épuiser. Mais un mélange de glace et d'eau a une propriété particulière : sa température ne bouge pas. C'est le même phénomène qu'une boisson avec des glaçons : tant qu'il reste des glaçons, elle reste froide.
À la surface du bourgeon, de l'eau fraîche tombe et gèle sans cesse. Tant qu'il reste de l'eau non gelée, la température ne peut pas descendre sous 0°C. Que l'air soit à −4°C ou −5°C, seul l'intérieur de la coque de glace reste à 0°C. Pour le bourgeon, c'est comme se trouver dans une petite pièce isolée du froid extérieur.
Le point le plus important de cette méthode est de ne pas arrêter l'arrosage avant que toute la glace n'ait fondu au matin. Si l'on arrête, plus d'eau fraîche ne gèle, et la production de chaleur s'arrête. Pire, quand la glace restante fond, elle absorbe au contraire de la chaleur aux alentours. Arrêter à mi-chemin peut donc provoquer un refroidissement plus important que si l'on n'avait rien fait.
Cette méthode fonctionne les nuits claires et sans vent. Par vent fort, l'eau arrosée est projetée et s'évapore plus facilement. Or l'évaporation de l'eau absorbe de la chaleur, ce qui peut inverser le bilan : la chaleur perdue dépasse alors la chaleur produite. C'est pour cette raison que, sur le terrain, on dit de ne pas arroser les nuits venteuses.
En résumé
L'arrosage des nuits de gelée n'est pas une technique pour empêcher le gel. C'est une technique qui fait geler l'eau à la place du bourgeon, et qui exploite pleinement la chaleur libérée à ce moment-là, ainsi que la propriété du mélange glace-eau de rester bloqué à 0°C. Ce qui ressemblait à une cause de refroidissement était en réalité un protecteur.
En gelant, l'eau laisse derrière elle de la chaleur.
Cette chaleur maintient le bourgeon à 0°C.
Pour voir le phénomène de « congélation » sous un autre angle, lisez aussi Pourquoi les colonnes de givre poussent-elles depuis le sol ? ou Pourquoi les stalactites de glace se forment-elles non pas les jours les plus froids, mais les jours "un peu plus doux" ?. La raison pour laquelle le sol se refroidit par nuit claire est détaillée dans Pourquoi l'herbe du matin est-elle mouillée alors qu'il n'a pas plu ?
- Remplissez un verre de glaçons, puis versez de l'eau jusqu'à couvrir la moitié des glaçons. Plantez-y un thermomètre en remuant de temps en temps.
- Laissez le verre dans une pièce chauffée, relevez la température toutes les 10 minutes et notez-la sur papier. Vérifiez que le chiffre bouge à peine tant qu'il reste des glaçons.
- Dès que le dernier morceau de glace a fondu, la température commence à monter. C'est le moment où la « coexistence glace-eau » prend fin. Dans les champs, les bourgeons restent dans cet intervalle figé jusqu'au matin.
Sans thermomètre, il suffit de plonger un doigt dans l'eau glacée pour sentir la différence entre le moment où il reste de la glace et celui où il n'y en a plus. Ne laissez pas votre doigt trop longtemps dans l'eau.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique-chimie » du lycée (tronc commun)
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou encadré dans les manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière universitaire spécialisée (thermodynamique, physiologie végétale)
- RecherchePas encore enseigné comme un « fait établi », même à l'université : sujet en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Protection antigel par aspersion : méthode consistant à arroser continuellement les cultures les nuits où le gel est prévu, pour maintenir la température à 0°C grâce à la chaleur libérée par la congélation. Utilisée dans les vergers et les plantations de thé.
- Chaleur de solidification (chaleur latente) : chaleur libérée vers l'extérieur quand un liquide se transforme en solide. Comme elle est échangée sans changer la température, on l'appelle aussi « chaleur cachée ».
- Refroidissement radiatif : phénomène par lequel, les nuits claires et sans vent, le sol et les feuilles émettent continuellement de la chaleur (rayonnement) vers le ciel et se refroidissent en dessous de la température de l'air. C'est généralement ce qui se produit les nuits de gelée.
CollègeLycéeVérification par le calcul : l'arrosage équivaut à combien de watts de chauffage ?
Supposons qu'on arrose 3 millimètres d'eau par heure et par mètre carré de champ. Si toute cette eau gèle, convertissons la chaleur libérée en puissance par seconde. L'unité est le watt, symbole qui représente la quantité de chaleur libérée par seconde.
| Symbole : chaleur libérée par 1 gramme d'eau qui gèle | 334 joules, selon les estimations |
| Eau arrosée par mètre carré en 1 heure | 3 litres |
| Poids de 1 litre d'eau | 1000 grammes |
| Nombre de secondes dans 1 heure | 3600 secondes |
| Poids d'eau arrosée en 1 heure | 3 × 1000 ＝ 3000 |
| Chaleur libérée correspondante (joules) | 3000 × 334 ＝ 1002000 |
| Conversion par seconde (watts) | 1002000 ÷ 3600 ≒ 278 |
Soit environ 278 watts par mètre carré. La chaleur que le sol perd vers le ciel les nuits claires est estimée entre quelques dizaines de watts et 100 watts environ par mètre carré : l'arrosage fournit donc un chauffage qui dépasse cette perte. C'est comme si l'on installait un petit radiateur électrique sur l'ensemble du champ.
LycéeLycée+Le bras de fer entre chaleur produite et chaleur absorbée
LycéeEn physique-chimie de tronc commun, on apprend que pendant un changement d'état, la chaleur ajoutée ne sert pas à augmenter la température. La protection antigel par aspersion exploite cette « chaleur non utilisée » du côté où elle est libérée. Vu dans l'autre sens, on apprend aussi que la fonte de la glace absorbe la même quantité de chaleur.
Lycée+Dans un champ réel, pendant que la chaleur de solidification entre, la chaleur latente d'évaporation sort. La chaleur absorbée par l'évaporation de 1 gramme d'eau serait environ 7 fois supérieure à la chaleur libérée par sa congélation. Si ne serait-ce qu'une petite partie de l'eau arrosée s'évapore, le bilan peut facilement s'inverser. C'est à cause de cet écart que l'arrosage est jugé dangereux par nuit de vent sec.
UniversitéSurfusion et formation des germes de glace
L'eau pure peut rester liquide en dessous de 0°C sans geler. C'est ce qu'on appelle la surfusion ; pour que la congélation commence, il faut un germe de glace. La sève des plantes peut aussi être en surfusion, mais lorsque de la glace commence à se former à l'extérieur des cellules, l'eau intracellulaire est attirée vers l'extérieur, ce qui déshydrate la cellule : on pense que c'est la principale cause des dégâts du gel. Ce que protège précisément la méthode d'aspersion, ce n'est pas « empêcher le gel » mais « éviter de descendre à une température assez basse pour que de la glace se forme hors des cellules ». Chez certaines plantes, la présence ou non, à la surface des feuilles, de bactéries favorisant la formation de germes de glace, est connue pour influencer la sensibilité aux dégâts du gel.
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- La quantité d'eau optimale. La quantité nécessaire varie selon la combinaison de température, vitesse du vent et humidité. Sur le terrain, on s'appuie encore largement sur l'expérience, et des recherches se poursuivent pour établir des repères chiffrés selon les conditions.
- Le mécanisme exact des dégâts cellulaires. La part respective de la déshydratation et de la destruction des membranes par les cristaux de glace varie selon les plantes et les conditions, et fait encore débat.
- Des méthodes alternatives sans eau. Ventilation, couverture, produits chimiques : d'autres méthodes antigel sont testées, mais aucune n'est aussi fiable que l'aspersion, ce qui reste un problème dans les régions manquant d'eau.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on sait dans l'état actuel des connaissances ». Pour la pratique sur le terrain, suivez les conseils des organismes de vulgarisation agricole locaux.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Changements d'état et température | Le blocage à 0°C lors du mélange glace-eau |
| Lycée | Physique-chimie・Chaleur et température／Changements d'état | Le calcul de la chaleur de solidification et l'estimation à 278 watts |
| Lycée+ | Physique・Bilan thermique | Le bras de fer avec la chaleur absorbée par l'évaporation |
| Université | Thermodynamique・Physiologie végétale | La surfusion et la formation de glace hors des cellules |
| Recherche | Agrométéorologie | La quantité d'eau optimale et le mécanisme des dégâts du gel |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Pourquoi l'eau glacée reste froide, comment lire les actualités sur les gelées tardives du printemps |
- Agence météorologique japonaise, « Recherche de données météorologiques passées » (気象庁「過去の気象データ検索」) (relevés de températures minimales et de gelées)
- Ministère de l'Agriculture, des Forêts et de la Pêche du Japon, « Production agricole, environnement et technologie » (農林水産省「農業生産と環境・技術」) (documents sur les mesures contre les aléas météorologiques)
- Société japonaise d'agrométéorologie (dir.), 『農業気産の科学』 (« La science de l'agrométéorologie », chapitre sur les méthodes antigel et le bilan thermique)
- Levitt, J. "Responses of Plants to Environmental Stresses" (chapitre sur le stress dû au froid et les dégâts du gel)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des estimations données à titre indicatif pour comprendre le mécanisme. La pertinence des méthodes antigel réelles dépend des équipements et des conditions locales. Pour leur mise en œuvre, suivez les conseils des collectivités locales et des organismes de vulgarisation agricole.