Lac

Étymologie

Le terme lac est issu du latin lacus (« bassin, citerne »), lui-même rattaché à une racine nord-ouest indo-européenne *loku- désignant une étendue d'eau stagnante, que l'on retrouve dans l'ancien irlandais loch, le vieil anglais lagu (« eau, lac, rivière »), le vieux slave loky (« mare ») et le grec ancien λάκκος (lákkos, « étang, citerne »)^[5]. Cette étymologie révèle que le terme désigne à l'origine une dépression naturelle remplie d'eau, à la différence d'étang, issu du latin stagnum via le vieux français estanc, déverbal de estanchier (« arrêter l'eau »), qui renvoie à l'idée d'une retenue^[6],[7].

Histoire de la définition scientifique

En 1892, le Suisse François-Alphonse Forel, fondateur de la limnologie, fut le premier scientifique à définir clairement un lac^[8] comme « une masse d'eau stagnante sans communication directe avec la mer, située dans une dépression du sol fermée de tous côtés^[9]. » Plusieurs auteurs proposèrent ensuite des classifications de l'origine des lacs. Albrecht Penck (1894) les regroupait par régions lacustres (« Seenländer »), Wilhelm Halbfass (1923) insistait sur leur distribution géographique^[10], et William Morris Davis (1933) distinguait déjà les processus formateurs sans recourir à une catégorie générique de lacs de barrage^[11]. En 1957, George Evelyn Hutchinson synthétisa ces travaux ^[12] dans une classification en onze familles et soixante-seize types, qui s'imposa durablement dans la littérature limnologique^[13]

Distinction avec les notions voisines

Dans le langage courant, le terme « lac » est assez flou et ne repose sur aucun critère officiel permettant de distinguer rigoureusement les différents types de plans d'eau. Les frontières avec les notions voisines sont autant d'ordre pratique que scientifique.

Critères morphométriques

Face à l'absence de critère qualitatif net, les limnologues ont élaboré plusieurs indices quantitatifs destinés à classer les plans d'eau et à prédire leur comportement écologique. Ces indices reposent sur la mise en rapport de la profondeur et de la superficie du lac.

Types d'origine

Répartition mondiale

Les lacs naturels sont inégalement répartis à la surface du globe. Leur contexte hydro-géomorphologique les rend bien plus nombreux dans les anciennes zones glaciaires. Le Dernier maximum glaciaire a ainsi creusé des millions de dépressions ensuite comblées d'eau, ce qui explique que la majorité des lacs se trouvent dans l'hémisphère Nord, là où les glaciers ont recouvert les grandes masses continentales de l'Amérique du Nord et de l'Eurasie — zones arctique, subarctique et tempérée septentrionale^[19]. En Europe, on recense environ 500 000 lacs de plus de 1 ha, dont près de 50 % en Suède et en Finlande, et 16 000 dépassant 1 km^2[21].

Dans le monde, hormis les zones glaciaires arctiques et antarctiques, le nombre de lacs d'une superficie supérieure à 0,002 km² est d'environ 117 millions, couvrant au total environ 5 millions de km², soit 3,7 % de la surface terrestre. Leur géographie varie aussi selon que les sociétés humaines les ont vidés, drainés, ou au contraire aménagés en établissant des digues et des barrages.

Cartographie et estimation des volumes

Bien que les très grands lacs constituent une ressource majeure en eau douce, la plupart sont de dimensions modestes et leur inventaire reste à ce jour incomplet. Grâce à l'imagerie satellitaire, environ 100 millions de lacs de surface supérieure à un hectare ont été repérés, couvrant plus de 300 millions d'hectares. Des lacs temporaires, gelés, couverts de végétation flottante ou cachés sous la canopée peuvent cependant avoir échappé à la cartographie^[16],[22].

Le nombre de petits lacs a longtemps été sous-estimé. En 2006, un modèle fondé sur la loi de Pareto a conduit à doubler l'estimation précédente, portant à 304 millions le nombre de lacs dans le monde pour une superficie totale de 4,2 millions de km²^[22]. Des travaux ultérieurs ont montré que la distribution des lacs répond à une loi de puissance : plus les lacs sont petits, plus ils sont nombreux et regroupés en grappe ; plus ils sont grands, plus ils sont rares et isolés.

Les profondeurs demeurent encore plus mal connues que les superficies, variant considérablement selon le contexte hydrogéologique et parfois selon les saisons. Une estimation récente fondée sur un modèle topographique à symétrie fractale donne un volume total des lacs terrestres de 199 000 ± 3 000 km³ (intervalle de confiance à 95 %) pour une profondeur moyenne de 41,8 ± 0,6 m^[23], soit des valeurs nettement inférieures aux estimations antérieures. Si les lacs sont réellement moins profonds que ce que l'on pensait, ils sont potentiellement plus chauds, moins stratifiés, et pourraient émettre davantage de méthane que prévu, ce qui aurait des implications directes pour la compréhension de leur rôle dans le cycle du carbone^[16].

Les surfaces en eau d'origine artificielle ajoutent une part significative à ce total : la superficie des grandes retenues a été évaluée à 0,26 million de km², portant la surface totale en eau continentale à environ 4,6 millions de km², soit 3 % de la surface terrestre^[22].

Équilibre hydrique

Les lacs sont généralement alimentés en eau par plusieurs sources. Les précipitations constituent une première source, bien que leur bilan soit relativement faible. Un lac peut également être alimenté par un ou plusieurs cours d'eau en amont, par des résurgences, ou par des glaciers. L'eau s'évacue naturellement par un cours d'eau émissaire, mais aussi par évaporation, mécanisme particulièrement important en été ou sous certains climats. Certains lacs sont dits endoréiques et ne possèdent pas de cours d'eau émissaire : leurs eaux ne s'évacuent que par évaporation, ce qui favorise une concentration progressive des sels dissous. Plus rarement, l'eau peut s'infiltrer dans le sol situé sous le lac si celui-ci est perméable. Certains lacs sont ainsi temporaires et disparaissent en été. 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.

Stratification thermique

Les lacs sont plus ou moins stratifiés thermiquement, en termes de pH, d'oxygénation et écologiquement. Cette stratification peut faire l'objet d'importantes variations saisonnières et peut être enregistrée dans les sédiments.

En hiver, l'ensemble des eaux du lac présente une température relativement faible, constante mais supérieure à zéro, qui augmente avec la profondeur. Les eaux sont protégées de la froideur extérieure par la couche de glace, qui les isole également de l'atmosphère, les rendant pauvres en oxygène. En été, les eaux sont chargées en oxygène au contact de l'atmosphère et recouvertes par une couche superficielle chauffée par le soleil. Cette couche chaude surmonte une couche d'eaux froides et peu oxygénées, entre lesquelles la température et le taux d'oxygénation varient rapidement avec la profondeur. Au printemps et en automne, les eaux du lac se mélangent à la suite de phénomènes de convection thermique liés à une inversion thermique.

Régimes de mélange

Les lacs sont classés selon leur régime de convection thermique, ce qui permet de distinguer plusieurs types selon la fréquence et la nature des brassages. Les courants de convection sont dits « libres » ou « mécaniques » : la convection libre résulte de l'enfoncement naturel d'une couche superficielle rendue plus dense, tandis que la convection mécanique est le brassage forcé par le vent, par l'arrivée d'un courant d'eau ou par des sources situées sur le fond^[26]. Les mouvements du plancton (daphnies, copépodes) peuvent également contribuer aux micromélanges de couches d'eau, tout comme la présence active de grands animaux aquatiques (crocodiles, hippopotames).

Lacs holomictiques et méromictiques

La distinction entre lacs holomictiques et méromictiques tient à la profondeur de la convection. Dans les lacs holomictiques, la convection brasse l'ensemble du lac sur toute sa profondeur, oxygénant suffisamment les eaux pour permettre une vie développée jusqu'au fond. À l'opposé, les lacs méromictiques se caractérisent par une convection limitée à la surface : les eaux profondes stagnent au fond, restent peu oxygénées et très réductrices, la dégradation de la matière organique accentuant encore le potentiel redox de ces eaux.

Courants et mouvements internes

Bien que l'eau des lacs soit souvent qualifiée de stagnante, elle connaît de nombreux mouvements internes. Outre les courants créés par les cours d'eau en amont ou en aval et par 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. Les grands lacs sont en outre sujets à de véritables déplacements périodiques d'eau d'un côté à l'autre du bassin, observables comme de réelles dénivellations d'une rive à l'autre : dans le lac de Bolsena, malgré sa taille relativement limitée, on a ainsi enregistré des variations de niveau allant jusqu'à 50 cm. Les différentes couches d'eau se déplacent également en profondeur en raison des différences de température selon la profondeur, l'heure et la saison. Selon 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^[28]. » L'eau des courants lacustres change ainsi souvent de direction sous l'effet des variations du vent, des obstacles rencontrés (côtes, îles) et des différences de température entre zones. Le temps de résidence hydraulique, c'est-à-dire le temps moyen durant lequel l'eau séjourne dans le lac, se mesure souvent en années à décennies dans les grands lacs.

L'écosystème lacustre

Les lacs sont plus ou moins stratifiés thermiquement, en termes de pH, d'oxygénation et écologiquement. Cette stratification 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^[31]. Les sédiments lacustres comptent parmi les points chauds 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^[32]. 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 conditions météorologiques et à la pluviométrie^[33].

Cas particulier des lacs peu profonds

Les plans d'eau superficiels ou pelliculaires, définis par Wetzel (1983) puis par Burgis et Morris (1987)^[34], présentent un fonctionnement écologique original^[35]. En raison du brassage par convection forcée par le vent, on n'y constate pas de stratification thermique durable : on les dit polymictiques, c'est-à-dire avec un rythme de brassage plus rapide que le rythme saisonnier. Leurs processus morphologiques diffèrent de ceux des eaux profondes^[36] : les vaguelettes induites par le vent érodent les berges et transportent les sédiments avec un bilan sédimentaire différent de celui d'un lac profond, et une turbidité parfois importante peut résulter de la remise en suspension des sédiments par les vagues en période venteuse. La pénétration de la lumière dans toute la colonne d'eau permet une présence relative potentiellement plus importante des macrophytes. Les variations de température et de salinité y sont plus intenses et plus rapides qu'en eau profonde. Dans ces lacs, les cycles biogéochimiques du phosphore, de l'azote et du carbone peuvent être accélérés, notamment en zone tropicale^[37] et tempérée. Ces plans d'eau sont particulièrement sensibles aux pollutions et à l'eutrophisation.

Lacs acides et lacs salés

Certains volcans possèdent des lacs de cratère qui comptent parmi les milieux aquatiques les plus extrêmes : leur eau, fortement influencée par les apports en gaz et en fluides volcaniques, peut être très acide et très minéralisée. On parle alors de lacs acides. À l'autre extrémité du spectre, les lacs salés résultent le plus souvent de l'évolution d'un lac endoréique dont les sels s'accumulent faute d'exutoire, la salinité pouvant dépasser celle de l'eau de mer^[3]. Ces deux catégories accueillent des communautés biologiques spécialisées, souvent réduites en diversité mais parfois abondantes, adaptées à des conditions physicochimiques extrêmes.

Espèces invasives et micropolluants

Les lacs étant des milieux relativement fermés, ils sont particulièrement vulnérables aux espèces invasives lorsqu'elles y ont été introduites, volontairement ou non. Cette fermeture relative les rend également plus sensibles à certains micropolluants — éléments-traces métalliques, 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^[38]. La salinisation de nombreux lacs semble progresser depuis les années 1940, notamment en Amérique du Nord, en lien avec l'imperméabilisation des sols périphériques et le salage des routes : une étude portant sur 284 lacs continentaux du Midwest et du nord-est des États-Unis a montré que la salinité de 99 d'entre eux augmente régulièrement, et que le fait d'avoir seulement 1 % des terres proches couvertes de surfaces imperméables augmente considérablement la probabilité d'une telle salinisation^[39].

Lacs et cycle du carbone

Les sédiments lacustres comptent parmi les points chauds potentiels d'émissions de gaz à effet de serre. Les émissions annuelles de méthane (CH₄) et de CO₂ passant des lacs à l'atmosphère sont proportionnelles aux stocks de matière organique sédimentée^[40] et aux apports hydriques nets de carbone. En 2004, le flux de CH₄ émis par les lacs dans le monde a été évalué à 6 à 25 Tg par an^[32]. 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 élevées selon les valeurs médianes^[41]. Le réchauffement accélère la production de méthane, qui contribue elle-même au réchauffement global^[40], constituant ainsi une rétroaction positive. Si les lacs sont réellement moins profonds que ce que l'on pensait, ils sont potentiellement plus chauds et moins stratifiés, ce qui pourrait conduire à revoir à la hausse les estimations d'émissions de méthane et à réévaluer à la baisse leur rôle de puits de carbone^[16].

Eutrophisation et pollutions

Les lacs sont vulnérables à l'eutrophisation induite par les apports excessifs en engrais lessivés sur les sols agricoles, qui provoquent des blooms alguaux de cyanophycées écotoxiques. S'y ajoutent les pollutions par les métaux lourds, les métalloïdes et les polluants organiques, qui peuvent être stockés durablement dans les sédiments et dans certains organismes lacustres, ainsi que la pollution routière. Les apports en matière organique accrus par l'eutrophisation et l'érosion entraînées par les activités humaines — notamment agricoles^[42] — contribuent à augmenter les émissions de gaz à effet de serre et pourraient encore s'amplifier sous l'effet du réchauffement climatique.

Salinisation

La salinisation de nombreux lacs semble progresser de façon inéluctable depuis les années 1940, notamment en Amérique du Nord, au point qu'elle devrait, au rythme actuel, devenir mortelle pour de nombreuses espèces lacustres avant 2050^[39]. Une étude pilotée par Hilary Dugan (Université du Wisconsin-Madison), basée sur des données accumulées sur plus de 70 ans portant sur 284 lacs continentaux du Midwest et du nord-est des États-Unis, a montré que la salinité de 99 de ces lacs augmente régulièrement, en raison notamment du salage des routes. Le taux d'imperméabilisation des sols périphériques constitue un prédicteur du risque : le fait d'avoir seulement 1 % des terres proches couvertes de surfaces imperméables de type asphalte augmente considérablement la probabilité d'une telle salinisation^[39]. Sur les lacs affectés, 26 présentaient déjà des taux de chlorure supérieurs à 100 mg/L, seuil à partir duquel les effets écologiques commencent à se manifester, et 14 devraient dépasser avant 2050 le seuil de 230 mg/L considéré par l'EPA comme limite recommandée pour la vie aquatique. En 2015, plus du quart des grands lacs du nord des États-Unis étaient déjà entourés de sols imperméabilisés sur plus de 1 % de leur surface^[39].

Recul de l'englacement hivernal

Le nombre de jours d'englacement des lacs diminue dans le monde : en 2019, certains ne gèlent plus du tout et environ 15 000 lacs gèlent déjà moins qu'auparavant^[43]. Environ la moitié des 117 millions de lacs du monde gèlent chaque hiver, moment important pour l'écologie lacustre et pour les populations riveraines. Une étude publiée début 2019 dans Nature Climate Change, fondée sur le suivi de 513 lacs de l'hémisphère Nord, montre que les schémas gel/dégel ont changé depuis 1970 : lorsque la température annuelle moyenne de l'air autour d'un lac autrefois gelé tout l'hiver dépasse 8 °C, celui-ci ne gèle plus entièrement. Selon cette étude, environ 14 800 lacs présentent actuellement une couverture de glace hivernale intermittente ; ce nombre s'élèverait à 35 300 pour un réchauffement moyen de 2 °C, et à 230 400 pour 8 °C, affectant respectivement jusqu'à 394 et 656 millions de personnes^[44]. Les lacs dont l'albédo augmentera verront leur évaporation s'accroître, diminuant de volume et perdant de leur inertie thermique, ce qui les rendra encore plus vulnérables au réchauffement et modifiera probablement leur écologie de façon significative avant 2100. Cette évolution menace par ailleurs le patrimoine culturel et économique hivernal local : patinage, pêche sur glace, transports par voie gelée et circulation en motoneige^[45].

Disparition progressive des lacs

Tous les lacs sont temporaires à l'échelle des temps géologiques. Au fil de milliers, voire de millions d'années, les sédiments s'accumulent au fond des lacs sur des mètres ou des dizaines de mètres. Dans le même temps, les tourbières ou les ceintures de végétation arborée peuvent coloniser la partie centrale d'un lac peu profond. Un lac peut ainsi évoluer vers un réseau d'étangs, puis une zone de marais, puis une tourbière et une forêt alluviale humide, avant d'être totalement comblé. La plaine d'Oisans, dans les Alpes françaises, offre un exemple bien documenté de ce processus : elle accueillait encore au Moyen Âge un lac peu profond, le lac Saint-Laurent, issu de vestiges de lacs paléolithiques, et repose aujourd'hui sur une couche de sédiments dont l'épaisseur est estimée à 500 m en son point maximal^[46]. Le recul historique des populations de castor fiber, dont les barrages entretenaient jusqu'au haut Moyen Âge un grand nombre d'étendues d'eau, a également contribué à la disparition de nombreux plans d'eau. Le développement de l'irrigation, les pompages et la création de nombreux lacs de barrages sont aussi à prendre en compte dans l'évaluation des transformations récentes du patrimoine lacustre mondial.

Usages humains

Eau potable et irrigation

Les lacs représentent l'essentiel des réserves mondiales d'eau douce de surface et sont, à ce titre, exploités pour le pompage d'eau potable ou d'eau à potabiliser, ainsi que pour l'irrigation des cultures. En revanche, certains lacs de retenue sont responsables de l'assèchement de la partie aval de leur bassin, en interceptant les flux hydrologiques naturels. La baignade peut être interdite dans les lacs non aménagés, plus dangereux que les côtes maritimes : l'eau y est parfois glacée dans les lacs de montagne, moins salée et donc moins dense, ce qui explique qu'elle porte moins le corps ; des courants ou tourbillons inattendus peuvent en outre survenir localement, et ces plans d'eau sont souvent dépourvus de surveillance et d'équipements de sauvetage.

Énergie hydroélectrique

Les lacs artificiels ou réservoirs, résultant de barrages construits par les sociétés humaines, sont aménagés pour des usages industriels, agricoles, hydroélectriques ou pour l'alimentation en eau potable. La production d'énergie électrique constitue l'une des principales motivations de la construction de grands barrages, comme le lac de Serre-Ponçon en France ou les lacs de l'Eau d'Heure en Belgique. L'imagerie satellitaire et les nouvelles technologies de géolocalisation (GPS) ont facilité la connaissance et l'accès aux nombreux lacs qui existent sur la planète, dont nombre font aujourd'hui l'objet d'une surveillance de la qualité de l'eau, voire de plans de restauration.

Pêche et activités nautiques

Les lacs constituent également une ressource importante en matière de pêche, pratiquée tant par des professionnels que par des amateurs. Les activités de loisirs et sportives — canotage, voile, planche à voile, promenades en barque ou en bateau, plongée — se pratiquent principalement en été en zone tempérée. Dans les pays froids, le ski, la marche en raquettes et la pêche sur glace peuvent être pratiqués sur les lacs gelés. Dans certains pays, de nombreux lacs ou leurs berges appartiennent au domaine privé, où la pêche est régie par des règles spécifiques.

Symbolique et littérature

Le lac symbolise universellement l'œil de la terre, un passage par lequel les habitants d'un monde souterrain pourraient observer la surface^[47]. Quelles que soient les époques, les lacs sont attachés au domaine du symbolique et du spirituel^[48] : dans l'Antiquité gréco-latine déjà, les tempêtes lacustres étaient perçues comme la manifestation de la puissance des dieux, et Strabon rapporte l'existence de lacs sacrés en territoire celtique, notamment à Toulouse^[49]. Dans les traditions gauloises, les lacs étaient considérés comme des demeures des dieux ou des portes d'accès vers les Enfers^[49],[47]. L'eau y est à la fois ce qui sépare et dissimule, ce qui protège les secrets et les êtres d'élection du reste du monde^[50]. Cette dimension est au cœur de la légende arthurienne : dans le cycle du Graal, le Lac de Ninienne est un espace enchanté, séparé du monde des humains, où le jeune Lancelot est élevé à l'écart des regards — motif que l'on retrouve dans de nombreuses traditions associant l'eau à la genèse du héros, de Sargon d'Akkad à Moïse. La figure de la Dame du Lac en est l'héritière directe. Cette dimension symbolique a nourri une longue tradition littéraire : Lamartine leur a consacré son poème Le Lac (1820), tandis que les poètes lakistes anglais — Wordsworth, Coleridge et Southey — ont fait des paysages lacustres du Lake District le cadre et l'inspiration centrale de leur œuvre au tournant des XVIII^e siècle et XIX^e siècle^[49],[48].

Cadre juridique

Mars

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 l'une des images de la sonde une structure « qui ressemble à un lac situé au centre d'un cratère »^[52]. En 2005, la sonde Mars Express a détecté, à proximité du pôle nord, un lac de glace d'eau dans un cratère^[53]. Ces découvertes suggèrent que Mars a pu abriter des lacs liquides à des époques plus anciennes de son histoire géologique, lorsque son atmosphère était plus dense et ses températures plus élevées.

Titan

Sur Titan, satellite naturel de Saturne, la sonde Cassini a confirmé la présence de lacs et de mers d'hydrocarbures liquides, principalement du méthane et de l'éthane, en lieu et place de l'eau liquide impossible à l'état stable dans les conditions de température régnant à la surface (environ −179 °C). Ces étendues, concentrées principalement dans les régions polaires nord, constituent le seul exemple confirmé, en dehors de la Terre, d'un cycle hydrologique actif impliquant un liquide de surface stable, avec évaporation, précipitations et accumulation dans des bassins topographiques.

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

Pluton

Des structures observées à la surface de Pluton par la sonde New Horizons suggèrent l'existence d'anciens lacs sur cette planète naine^[54]. Ces structures, localisées au nord de la plaine Spoutnik, sont interprétées comme des bassins autrefois remplis d'azote liquide aujourd'hui gelé. Leur morphologie évoque celle de lacs terrestres en voie d'assèchement, avec des terrasses et des dépôts caractéristiques d'une ligne de rivage ancienne. Ces indices témoignent d'une activité géologique et climatique passée bien plus intense que ce que laissait supposer la taille réduite de Pluton.