Une démarche empirique pour éprouver l’hypothèse

Comme dans le cas des analogies avec l’atmosphère, il n’est pas question d’entrer dans les détails, dans les mécanismes qui facilitent ou restreignent les transferts d’eau (pente, sol, érosion, végétation etc.), mais d’envisager la dynamique dans sa globalité. L’angle est donc large, et la méthode empirique. Les chercheurs ont récolté et comparé les valeurs moyennes de répartition des pluies (évaporation, ruissellement, infiltration) de bassins versants du monde entier (d’Amérique, d’Afrique, de données plus locales aussi, comme celles de l’Ourthe), pour chercher à vérifier si ces répartitions correspondaient ou non à ce maximum. Une méthode secondée par un travail de laboratoire. « Le principe se veut universel, justifie Benjamin Dewals. Qu’il soit vérifié sur de grands espaces, c’est une chose, mais il doit aussi pouvoir s’observer à de très petites échelles. Nous avons donc expérimenté l’écoulement des eaux sur de petits échantillons d’un demi-mètre cube de sol. » Une telle démarche a permis d’observer de manière très détaillée la répartition des flux, en cherchant à vérifier une fois de plus si oui ou non cette répartition s’opère de sorte que la puissance soit maximisée.

Une énigme non résolue depuis un demi-siècle

A la fin des années 1960, un climatologue russe du nom de Mikhail Budyko a observé les évaporations d’une grande série de bassins versants pour les replacer sur un graphique selon deux unités de mesure. L’évaporation divisée par le total des précipitations sur l’axe vertical, et le potentiel d’évaporation maximum sur l’axe horizontal. En d’autres mots, si l’eau était disponible à l’infini, cet axe représenterait ce qui pourrait être évaporé selon la radiation solaire. « Le champ des possibles est contraint par deux asymptotes. D’un côté, l’évaporation peut se rapprocher à un niveau infinitésimal de la quantité totale de précipitation, mais ne pourra jamais la dépasser. Il ne peut pas y avoir plus d’évaporation qu’il n’y a d’eau. Sur l’autre axe, l’évaporation ne pourra être plus importante que ce que permet l’énergie thermique du soleil. »

Mikhail Budyko a donc représenté par des points la moyenne des données de chacun des bassins versants étudiés. Ces points placés sur le graphique ont progressivement dessiné une courbe, qui porte aujourd’hui le nom du chercheur. Ce qu’il y a d’étonnant, c’est que ces points s’agrègent autour de cette courbe, qui en outre se situe relativement proche des deux asymptotes. Comme expliqué ci-dessus, il est normal qu’aucun point ne se retrouve au-delà des deux asymptotes. « Mais la grande question qui se pose, intervient Martijn Westhoff, c’est pourquoi il n’y a aucun point présent dans l’espace situé entre la courbe et l’axe horizontal. Théoriquement, c’est tout à fait possible. On pourrait observer des bassins versants de tous types, qui rencontrent des propriétés d’évaporation très hétérogènes, et qui ne se retrouveraient pas sur cette courbe. »

Aujourd’hui, personne n’est encore parvenu à expliquer pourquoi les propriétés d’évaporation des bassins versants s’alignent aussi nettement. C’est précisément la raison pour laquelle le jeune ingénieur civil a avancé le principe de puissance maximum comme élément de réponse. « Et en imposant mathématiquement les contraintes liées aux asymptotes et en appliquant ce principe d’optimalité, on a retrouvé pour nos bassins versants la courbe de Budyko, se réjouissent les deux chercheurs. Il y a donc a priori une cohérence entre ce principe et nos observations, que l’on doit continuer d’éprouver. »

En s’attardant sur le graphique de Budyko, l’observateur remarque toutefois assez rapidement que les points constituent davantage une nébuleuse plutôt qu’un alignement selon une courbe unique. Les hypothèses avancées s’orientaient jusqu’ici vers la couverture du sol. La présence plus ou moins importante de forêts, par exemple, devait avoir une incidence sur le taux d’évaporation. Mais ces hypothèses n’ont jusqu’ici jamais été concluantes. « Dans notre modèle mathématique, nous avons exploré d’autres pistes. Dans un premier temps, nous avons testé d’imposer les asymptotes dans une situation de pluie constante. Une schématisation de la réalité pour simplifier nos calculs et déjà vérifier si nous allions dans la bonne direction. Mais une région où il pleut de manière continue n’existe pas. Nous avons donc introduit une dynamique saisonnière de pluie et de température pour simuler des périodes pluvieuses et des périodes plus ensoleillées, où l’évaporation variait en fonction. » Sitôt cette dynamique intégrée dans le modèle, les résultats se sont sensiblement rapprochés de cette nébuleuse. Ce qui pourrait signifier que les légères variations autour de la courbe de Budyko peuvent être expliquées par les modifications de précipitations et de températures, conformément aux corrélations entre la couverture du sol et les variables climatiques.