Chapitre III. Histoire de l’hydrologie
p. 127-180
Texte intégral
1Un article de l’Encyclopedia Universalis est consacré à l’Hydrologie et commence par un historique très documenté. Il apparaît que la notion de « cycle de l’eau » est évoquée une première fois par Homère dans l’Iliade (ouvrage écrit à une date mal déterminée, d’après des « poèmes » plus ancien de plusieurs siècles). Au cours de la Grèce classique et hellénistique, des savants « reconnus comme tels » se sont intéressés au processus : Thalès de Milet (vers 625-vers 545 avant J.-C.), Platon (vers 428-vers 348 av. J.-C.), et Aristote (385-323 av. J.-C.). Les philosophes latins ont rapidement adopté et assimilé la pensée grecque et ont discuté sur le mécanisme du cycle de l’eau : Lucrèce (environ 94-54 av. J.-C.) l’évoque dans De rerum natura (De la nature des choses), Sénèque (né entre 4 av. et 1 ap. J.-C., décédé le 12 avril 65), et Pline l’Ancien (23-79 victime du Vésuve). Mais ces philosophes étaient aussi très influencés par la mythologie (surtout grecque) ce qui limita l’expression d’une pensée scientifique au sens moderne du terme. Seul Vitruve (81-15 av. J.-C.) parvint à écarter les explications mythologiques et fut, probablement, le premier à concevoir que les précipitations chues sur les versants s’infiltraient dans le sol pour alimenter une circulation souterraine qui ensuite émergeait par les sources et les fontaines.
2Mais il faut aussi prendre en compte les « travaux » des praticiens, des hommes de terrain (puisatiers, fontainiers). On sait que la médecine enseignée dans les universités ne cherchait pas à soigner ; on laissait ce soin aux barbiers-chirurgiens, lesquels avaient acquis une technologie empirique mais très pointue. Les maîtres d’œuvre en travaux hydrauliques avaient également acquis une forte connaissance empirique de l’écoulement des eaux. Il y a des milliers d’années, les « ingénieurs » avaient maîtrisé les crues du Nil, de l’Euphrate et du Tigre à des fins d’irrigation d’un environnement aride. La réalisation des Qanâts (Iran) et des Foggaras (Maghreb), des « galeries drainantes » creusées dans le sol afin d’en canaliser les réserves hydriques, implique la connaissance de l’existence de réserves souterraines. Chaque fois que la Chine fut unifiée autour d’une « dynastie » solide, des travaux de drainage des sols, d’irrigation et de protections contre les crues étaient réalisés
3Il faudra attendre des siècles, avant que ces pratiques millénaires soient analysées scientifiquement. Or, au moins pour ce qui concerne l’Europe occidentale, ces travaux scientifiques ne sont apparus qu’à la renaissance, pour se poursuivre pendant le « Grand Siècle » et se concrétiser au « Siècle des Lumières ». Mais il fallut du temps pour que les « chercheurs » se débarrassent des reliquats de la Pensée d’Aristote, « incontournable » pendant tout le Moyen Âge. Même si un Léonard de Vinci (1452-1519) « s’insurgeait », sans succès, contre les affirmations d’Aristote encore soutenues à la Sorbonne, L’université condamna les travaux des astronomes, et Galilée dut se rétracter en 1610. Pour ce qui concerne la circulation de l’eau, le premier à se débarrasser des « contraintes de ce passé » fut Bernard Palissy (1510-1589) par son Discours admirable de la nature des eaux et fontaines tant naturelles qu’artificielles (il est vrai que Palissy était protestant). Il donna une explication scientifique et rationnelle au cycle de l’eau, et fut le premier à concevoir que les pluies et la fonte des neiges alimentaient les sources après avoir circulé à l’intérieur du « sol » (sol et sous-sol).
4Les premières mesures effectuées sur le terrain (hauteur des précipitations, volume d’eau écoulé) ont commencé au xviie siècle. Pierre Perrault (1611-1680) fut incontestablement un de ces précurseurs sur le bassin-versant de la Seine Quand il publia ses travaux et ses spéculations scientifiques dans la première édition de son ouvrage, il ignorait les travaux engagés par l’Abbé Edmée Mariotte –, en France, père fondateur de la « mécanique des fluides », comme ceux d’Edmund Halley, en Angleterre, autre père fondateur de la connaissance de la circulation atmosphérique générale. Mais ces travaux seront publiés moins de 10 ans après les siens. À l’inverse, il avait eu en main les ouvrages de Bernard Palissy (1580), de Denis Papin, de Jean François, de Jacques W. Dobrzenzki De Nigro Ponte, de Jean-Baptiste du Hamel et de Gaspard Schottus (il ne manqua pas d’épingler les quatre derniers).
5Mais, avant de réaliser une analyse critique de celles des auteurs qu’il présente dans sa première partie, il faut présenter ce dont on parle : le « cycle de l’eau ». Nous avons retenu les valeurs émises par Sokolov (en 1975) et Tardy (en 1986).
Le cycle de l’eau tel qu’il est…
6Le document 2 résume les connaissances actuelles concernant le cycle de l’eau. Le fond du croquis utilise la variation de l’altitude de la surface de la croûte terrestre, du sommet de l’Everest au plus creux de la fosse des Mariannes, en fonction du niveau général des mers. L’essentiel de cette superficie (70 %) est en dessous du niveau de la mer, et, si cette surface était uniformément lisse, elle serait aussi uniformément recouverte d’environ 3 000 m d’eau. Mais, comme une part de cette croûte émerge, il se réalise un échange entre l’océan mondial (les cinq océans et leurs mers bordières) et les cinq continents.
Document 2. – Le cycle planétaire de l’eau.

7On estime à 1,4.109 ou 1,404.106 km3, la quantité d’eau contenue par notre planète.
Il apparaît très vite que 95,3 % se tiennent dans l’océan mondial (1,404.106 km3), 3,4 % sur les continents (48.106 km3), et 1,4 % dans l’atmosphère (18.106 km3). L’abondance de l’eau est une caractéristique de notre planète.
L’atmosphère terrestre est assez pauvre en eau, et heureusement, car la vapeur d’eau exerce un très important effet de serre, et trop de vapeur provoquerait une surchauffe. L’eau atmosphérique est constituée par de la vapeur d’eau et de l’eau liquide sous forme de fins cristaux de glace à haute altitude, et de gouttelettes en équilibre, aux moyennes et basses altitudes. Il s’agit des différents nuages.
Entre les deux, les continents contiennent de l’eau. La plus grande partie est constituée par deux réservoirs quasi équivalents : 24,1.106 km3 de glaces, surtout en Antarctique et au Grœnland (50,2 % des eaux continentales) et 23,7.106 km3 au sein des bassins sédimentaires (49,4 % des eaux continentales). Le solde est contenu dans les lacs (0,2.106 km3) et retourne à l’océan au travers de l’écoulement continental (47 000 km3) divisé en 42 500 km3 directement par le réseau hydrographique, 23 km3 par la fonte des icebergs et 22 km3 par les sources dont l’ouverture est située en dessous du niveau de la mer.
8C’est Edmund Halley qui comprit que l’eau des océans s’évaporait et était conduite vers les continents par le vent.
L’évaporation moyenne globale est estimée à 0,624.106 km3 en direction de l’atmosphère, où elle y constitue des nuages, dont les gouttelettes finissent par se regrouper et donner des pluies d’un même volume (0,624.106 km3). Mais, du fait de l’étendue des océans, 0,505.106 km3, ou 80,5 % concernent les océans et 119.106 km3 les continents (dont une partie du fait de la respiration des végétaux)
Comme la terre est un monde clos, la totalité de ces eaux évaporées est condensée sous la forme de 0,624.106 km3 de précipitations, dont 0,119.106 km3 sur les continents et 0,458.106 km3 sur les océans.
9Si on calcule le bilan, l’apport pluviométrique est excédentaire de 0,047.106 km3 d’eau par rapport aux océans. Cette différence constitue l’écoulement et c’est ce que Pierre Perrault avait pressenti (un Bernard Palissy avant lui) et était parvenu à quantifier pour le bassin de la Seine.
10C’est à partir de ces calculs qu’il pouvait critiquer les écrits des anciens et des modernes (ses contemporains), dans la première partie de son ouvrage.
Histoire de l’hydrologie des origines au xviie siècle
11En « Honnête Homme » du xviie siècle, Pierre Perrault utilisa les sources écrites connues de son temps. Aussi commença-t-il son discours par la critique des « Auteurs Antiques » que la renaissance avait remis au goût du jour, même si on rejetait la « dictature » qu’Aristote avait fait subir à la Science dans la seconde moitié du Moyen Âge. Il s’attache donc aux « Anciens » ayant plus ou moins traité des fontaines, des fleuves, donc du cycle de l’eau.
12Dans la première partie de son ouvrage, Pierre Perrault expose leurs idées en suivant l’ordre chronologique, réservant la fin à ceux qui pensaient comme lui. On peut diviser son raisonnement en deux parties : les philosophes grecs et latins et les penseurs du Moyen Âge, d’une part, puis ceux de la renaissance et de son temps, d’autre part. Cependant, nous avons préféré suivre un autre plan. Beaucoup de ces philosophes sont partis d’une idée fausse, celle de la remontée des eaux de la mer vers le sommet des montagnes. Puis, émergeant des fontaines, cette eau regagnait la mer par les réseaux hydrographiques. Nous avons traité à part les rares savants ayant conçu un apport pluvial avec la constitution d’un réservoir souterrain indépendant de la mer.
13Pierre Perrault attribue à Platon la première allusion à l’origine des fontaines. C’est le parfait exemple de l’explication mythologique. Si Perrault la présente, c’est par respect pour l’œuvre générale de ce « père de la philosophie grecque ».
L’explication mythologique de Platon
14Platon naquit à Athènes vers 428-427 av. J.-C. et y mourut vers 348-347 av. J.-C. Contemporain de la démocratie athénienne, ce philosophe influença la pensée de l’antiquité grecque et romaine, puis celle du Moyen Âge. La doctrine platonicienne est exprimée dans les Dialogues avec Socrate, dont la « République ». L’univers se divise en deux « mondes » : le « monde sensible » que nous voyons, et le « monde intelligible » qui est celui des « Idées », c’est-à-dire de la réflexion.
15Pour lui, le « monde » se divise en deux : une « terre haute » où vivent les âmes et les Dieux et une « terre basse » que les hommes habitent et aménagent (pour utiliser des termes actuels).
16Si l’on suit la pensée du philosophe, et sa transcription par Perrault, cette « terre basse » serait creusée de « concavités ». Or, dans la langue usuelle du xviie siècle, une concavité est synonyme de « creux », et quand Platon évoque des « concavités qui vont en rond les unes plus grandes et plus profondes, les autres moins », il faut le transcrire par un ensemble de « grottes », de « caves », de « gouffres », des formations géomorphologiques fréquentes dans les terrains calcaires, abondants en Grèce. Ces concavités auraient contenu « une très grande quantité d’eau, soit froide, soit chaude, pour fournir aux fontaines et aux rivières ».
17L’assimilation à « un vase suspendu en équilibre comme une balance qui s’élèverait et s’abaisserait tantôt d’un côté tantôt de l’autre alternativement », ne relève pas de l’observation directe, mais répond à la nature du mécanisme destiné à la vidange ou au remplissage de ces différentes concavités. Pour un penseur antique, alors que les fleuves coulaient dans le même sens, d’une part, sans que le niveau de la mer (ici la Méditerranée) ne s’élève, d’autre part, sans connaissance d’un transfert par évaporation et condensation, on « imaginait » un juste retour de l’eau par un voyage souterrain : « une grande ouverture qui traverse toute la terre ». C’est une hypothèse qui sera évoquée jusqu’aux temps modernes.
18Platon recourt aussi à la mythologie, chère à Homère, et rappelle que cette ouverture est « le Tartare, dans lequel tous les fleuves viennent se rendre et d’où ils sortent » (c’était aussi le lieu où l’on expie ses fautes, et où l’on enfermait les criminels). Le Tartare avait quatre issues :
L’océan, soit à l’époque, la mer Méditerranée limitée par l’Hellespont, le Delta du Nil et les Colonnes d’Hercule. C’était l’espace où voyagea Ulysse.
L’Achéron était la branche du Styx, qui s’échappait des enfers, pour couler dans le « Palus Acheruse » où se rendaient les âmes des morts Mais c’était aussi un fleuve côtier d’Épire vers la mer Ionienne.
Le Pyriphlegeton (Phlégéthon de feu) était un fleuve de feu coulant dans les enfers ou en venant. Affluent de l’Achéron, il circulait du royaume d’Hadès au Tartare et « son feu liquide maintient les damnés suffisamment en vie pour subir les supplices des Champs du Châtiment ».
Le Cocyte était un autre affluent de l’Achéron « alimenté par les larmes de ceux qui étaient dans la démesure, ou qui s’étaient mal conduits ».
19Mais on est en pleine mythologie ! Comme le soupçonne P. Perrault, Platon a-t-il voulu écarter cette accusation d’impiété, qui frappa son contemporain Socrate ? Il avait néanmoins établi la notion d’écoulement, et abordé la question du renouvellement de cet écoulement selon un processus qui restait à déterminer.
Les concavités des montagnes et la condensation de l’air en eau
20Cette hypothèse peut nous apparaître aberrante, mais elle eut ses partisans pendant des millénaires.
Aristote
21Aristote est né à Stagire en 385 av. J.-C. et mourut à Chalcis en 323 av. J.-C. C’était un disciple de Platon dont il s’éloigna peu à peu. Dans sa propre école, le « Lycée », ce précepteur d’Alexandre le Grand, fut un initiateur de « nouvelles disciplines » : logique, éthique, politique, et surtout physique pour ce qui nous concerne. Son livre la Métaphysique, soit ce qui n’est pas accessible à nos sens, eut une influence considérable, sur la pensée du monde occidental, surtout car cette pensée fut reconnue par l’Église catholique. Au xviie siècle, Aristote jouissait encore d’un renom peu contesté.
22Il se dégagea de la mythologie, mais il récusa « l’hypothèse pluviale, avec des pluies d’hiver amassées et élevées par les rayons du soleil jusqu’au haut des montagnes, où des ouvertures constituent les sources et des rivières ». Il estime, d’ailleurs sans démonstration, que le cumul de tous les écoulements des sources serait supérieur à celui des précipitations. Cependant, il évoque le principe de l’évaporation de l’eau (des océans) en se référant aux connaissances de l’époque.
Aristote avait reconnu que « des vapeurs (générées par le soleil) se convertissent en humidité dans les lieux frais, donnant des gouttes qui tombent en pluie » (ce qui est vrai). Mais il pensait plutôt que les fleuves « sont engendrés par de l’air chaud, condensé et résolu en eau dans les cavernes de la terre, par le froid qui y est toujours… ».
Avec ce grand penseur, se développait une idée qui aura la vie dure : dans les montagnes, existent des cavernes où les « vapeurs se condensent en eau… ». Pour Aristote, les sources sont alimentées par un double cycle. La pluie s’amasse dans des cavités souterraines, mais de l’eau venant du sous-sol « se convertit en air par la chaleur », et cet air, parvenu à la voûte des cavités souterraines, « se condense en eau, par un processus qui répond à la formation de la pluie ».
Mais il récuse le principe de réserves souterraines : « il ne faut pas croire que les rivières viennent d’eaux retenues en réserve » l’espace souterrain serait insuffisant pour les contenir, et les pluies (nuées) seraient aussi insuffisantes à les alimenter. Pour lui, il existe des « cavernes » (les concavités de Platon) avec des lacs alimentés par cette condensation de l’air réchauffé (on peut lui pardonner et analyser son hypothèse comme la condensation de la vapeur) dans la fraîcheur du sous-sol. Ces « cavernes » seraient plus nombreuses dans les montagnes, le débordement des lacs y alimentant les sources à leur pied. Mais il assure que l’eau condensée serait peu abondante, expliquant le modeste débit des fontaines.
23Rendons-lui raison sur quelques points. Les cavernes existent dans le milieu très karstifié du pourtour de la mer Égée et de l’Asie mineure. Les Grecs de l’antiquité ont pu les observer (dans leur mythologie, l’enfer est toujours souterrain). Les lacs sans exutoires extérieurs apparents sont très fréquents dans les Balkans, l’eau entrant par les fleuves semblant y rester. Souvent, ces eaux se rencontrent dans un Poljé, ou plaine fermée, issue de la tectonique et de la dissolution des calcaires. L’eau s’en échappe par une conduite souterraine, le « ponor ». Un poljé légendaire était le lac Stymphale, au nord du Péloponnèse, siège du cinquième des travaux d’Hercule.
24Mais, comme l’exprime P. Perrault, Aristote « n’est pas bien assuré dans sa pensée ». Les lacs souterrains relèvent plus d’une hypothèse théorique que d’une observation scientifique. Perrault a raison qu’il est certain qu’il y a peu de ces lacs (s’il est vrai qu’il y en ait) et que ces lacs ne peuvent faire qu’une très petite portion de la terre. Le secours qu’ils donneraient aux fontaines et aux fleuves serait de nulle considération. Il souligne que pour fonctionner ainsi, ces lacs devraient être à une altitude plus élevée que les sources. Enfin, on relève une contradiction. Aristote ne croyait pas au rôle de la pluie dans l’écoulement, mais il écrivait aussi que « la terre est sèche, l’humidité qu’elle rend en vapeurs quand elle est échauffée pour produire ces eaux, lui vient des eaux de la pluie qu’elle boit ».
25Cependant, la pensée aristotélicienne sera incontestée durant tout le Moyen Âge. P. Perrault, qui avait déjà comparé l’alimentation pluviale de la Seine et la quantité d’eau débitée par le fleuve en une année, savait que l’origine pluviale était la plus vraisemblable. Restait à démontrer le mécanisme. Depuis le xviiie siècle, on sait que l’eau existe sous trois états : gazeux, liquide et solide. L’évaporation des océans et la condensation en pluie ne font plus de doutes. Mais dans l’antiquité, on ne connaissait que quatre éléments : terre, air, eau et feu. Aristote imagina une « humidification de l’air » par la chaleur du soleil, et une condensation par le froid, mais il ne donnait pas d’explication. Jusqu’à la fin du xviiie siècle, on concevait mal le passage progressif de l’état liquide à l’état gazeux, tout comme l’inverse. Il faudra attendre les travaux de John Dalton, au début du xixe siècle, pour en avoir la démonstration.
26On comprend mieux que, de l’antiquité à la renaissance, les « philosophes » aient tenté de trouver une explication par une circulation dans le sol et le sous-sol. La difficulté à pouvoir contredire Aristote fit le reste.
Pline l’Ancien
27Pline l’Ancien était né à Côme en 23 ap. J.-C. et mourut en 79, à Stabies, alors qu’il cherchait à porter secours aux habitants d’Herculanum, victimes de l’éruption du Vésuve. Philosophe naturaliste, il s’intéressa aux processus naturels et transcrivit sa pensée dans les 37 volumes de son Historia Naturalisa ou Histoire naturelle. Il fut conduit à traiter des questions d’hydrologie.
28Comme ses prédécesseurs, il avait constaté et admis que la plupart des fontaines se situaient au pied des montagnes. Alors comment expliquer que l’eau « revienne » près des sommets, pour alimenter ces sources (implicitement, il y reconnaît l’existence des « cavernes » de Platon et Aristote). Il évoqua plusieurs systèmes, dont le rôle du vent qui conduit l’air vers ces lieux froids, où il se condense en eau. P. Perrault, lui-même, donne une critique scientifique à ce processus :
« Il se pourrait faire que le vent étant enfermé dans les concavités de la terre où il y a de l’eau, et venant à s’augmenter, pousserait l’eau en telle sorte qu’il la ferait monter jusqu’au haut des montagnes. »
29Pour cela, il se réfère aux machines hydrauliques : « de l’eau étant mise, et de l’air y étant poussé… l’eau en sort avec violence… Mais cela ne dure qu’autant que l’air que l’on y a poussé demeure pressé… car aussitôt qu’il est sorti assez d’eau pour faire que l’air puisse reprendre sa place et se tirer de contrainte, l’eau ne sort plus. Et ainsi il faut toujours renouveler l’eau afin de remettre l’air en contrainte, et l’obliger à pousser l’eau pour ravoir sa liberté » (C’est la description d’un bélier hydraulique).
30Il est donc question, ici, « de savoir comment après que la première impulsion de l’air aura chassé l’eau en haut, il pourra y en revenir d’autre ». En effet, quel processus serait assez puissant pour justifier l’hypothèse ?
Sénèque
31Sénèque, juriste et politicien latin, naquit à Cordoue, entre 4 et 1 av. J.-C. et mourut à Rome le 12 avril 65 ap. J.-C. C’était un « politicien », conseiller de Caligula. Il fut exilé par Claude mais rappelé pour être le précepteur de Néron, il joua un rôle important près de ce dernier, mais il fut discrédité et acculé au suicide le 12 avril 65. Nous retiendrons que ce philosophe appartenait à l’école stoïcienne dominée par un « système logique » et un « intérêt pour le monde naturel ».
32Il avait été surpris par le volume d’eau écoulé par les rivières et les fleuves, et il s’interrogea sur l’origine de cette eau.
Mais il n’était pas « de l’avis de ceux qui croient que l’eau des pluies et des neiges soit le principe et l’origine des fontaines ». Dans l’exposé de ces thèses, il est facile de retrouver les hypothèses émises par Aristote : présence de « cavités » riches en air, mais sombres et froides. Cet air, stable, est refroidi et se condense en eau et la terre elle-même se changerait en eau. Cette eau alimente les fontaines, puits les rivières
Ces explications peuvent étonner, mais rappelons qu’Aristote avait défini quatre éléments primordiaux : la terre, l’air, l’eau et le feu. Ces éléments pouvaient interférer, et que « l’air se fait de l’eau et le feu de l’air » était alors recevable. Le feu (du soleil) se ferait « air » et l’air se ferait « eau ».
Reprenons ce que Sénèque aurait écrit : « La Nature… tient comme une balance… elle tâche de conserver l’équilibre, de crainte que s’il venait à s’altérer, le monde ne perdît aussi son équilibre… Toutes choses… sont dans toutes choses, l’air ne se change pas seulement en feu, mais il n’est jamais sans feu, si on lui ôte la chaleur, il durcit et demeure sans mouvement. L’air ne se change pas seulement en eau, mais il n’est jamais sans eau. La terre fait de l’eau et de l’air, et n’est jamais sans eau et sans air, et ce passage de l’un à l’autre est d’autant plus facile qu’elle est déjà mêlée avec celui auquel elle doit passer ».
Saint Thomas d’Aquin
33Saint Thomas d’Aquin est né à Aquino (Royaume de Sicile) le 28 janvier 1225, et mourut le 7 mars 1274 à l’abbaye de Fossanova. Ce père dominicain s’efforça de rapprocher la « foi catholique » et la « raison philosophique », c’est-à-dire d’accorder les « concepts chrétiens » avec « l’Aristotélisme ».
Il distinguait ainsi la « Matière » qu’on peut résumer par les potentialités offertes par la nature (aujourd’hui on dirait l’environnement) et la « Forme » manière dont la matière est constituée (son essence), organisée et a été créée.
Selon saint Thomas, Dieu (créateur de toute chose) est à l’origine de l’existence et l’essence qui relèvent de la « Foi » inaccessible à la raison. Cependant, il admettait que le pouvoir de discussion de la « raison » pouvait « conforter la Foi ».
Dans les universités, on enseignait les « Arts », dont la « physique » : on pouvait disserter sur les phénomènes naturels, sous réserve de ne pas s’écarter des « Écritures ».
34Ces considérations ont « empoisonné la recherche » jusqu’au début du xviie siècle, et Galilée dut faire amende honorable en 1610. Dans sa « Première Partie », Pierre Perrault resta très circonspect dès qu’il s’agissait des « Saintes Écritures ». Dans la relation des sources « modernes » (pour lui contemporaines) il conserve une distribution chronologique, tout en séparant les idées qu’il rejette de celles qui vont en son sens.
35Il avait innové en enseignant que : « l’eau de la mer, dont toute la terre est pénétrée par le moyen des ouvertures qui y sont, est attirée au sommet des montagnes par la force et vertu des astres ». Mais il suivait aussi les idées autrefois émises par Platon : le monde se divise en des « corps inférieurs » (la terre) et des « corps supérieurs » (le ciel et les astres). Les corps supérieurs (assimilés à Dieu) influent sur les corps inférieurs. Les principes de saint Thomas furent largement développés et entretenus par les professeurs de l’université de Coimbra au Portugal :
La terre (corps inférieur) est sèche, et elle attire l’eau.
Mais, ce que saint Thomas nommait « la faculté attractive de la terre » aurait attiré l’eau vers les sommets des montagnes « par des voies obliques, tortueuses et recourbées ».
Le mécanisme de cette attraction serait à trouver dans les « astres » (corps supérieurs) et leur « attraction ».
36En analysant de près cette théorie, on reconnaît que saint Thomas était conscient du phénomène des marées, qu’il semble (à juste titre) attribuer aux astres (la concordance de marées de vives et mortes-eaux avec les phases de la lune était connue des marins, mais le « principe des Marées » sera expliqué par Newton, bien plus tard). Or la gravité ne permet qu’une déformation de la surface des océans, elle est faible en soi, et insuffisante à compenser la « capillarité ». Or la « faculté attractive de la terre » ou « force capillaire » ne sera découverte qu’en 1717 par le médecin anglais James Jurin. De toute façon, elle aussi serait incapable à faire « monter l’eau vers le sommet des montagnes ».
37En cette fin du Moyen Âge, alors que le retour à l’étude de l’antiquité revenait au goût du jour, par l’intermédiaire des Italiens, on peut dessiner un bilan. De Platon à saint Thomas, une observation a été unanime : comment se fait-il que l’abondance de l’écoulement des fleuves vers la mer n’entraîne ni le débordement de celle-ci, ni l’assèchement de ceux-là. Un cycle est pressenti, mais son mécanisme n’a pas été discerné du fait des limites de la physique et de la persistance de réflexions métaphysiques accompagnées d’idées reçues véhiculées depuis deux mille ans. Deux hypothèses contradictoires étaient en concurrence pour expliquer le « retour des eaux écoulées » vers leur site original. Le terme de Montagnes, largement utilisé, ne doit peut-être pas être retenu dans son sens littéraire, mais comme équivalent de la notion de « terres émergées ».
On conserve l’hypothèse soutenue par Platon et Aristote : ces « montagnes » sont creusées de « concavités » ou cavernes où « l’air se convertit en eau », pour faire simple. Mais personne n’a établi une relation directe entre l’eau des mers et océans, et cet air qui se condense en eau dans les « concavités ». On évoque le rôle du vent et/ou des astres, sans trouver un processus scientifique convenable, une expression comme la « faculté attractive de la terre » tient plus de la métaphysique que de la réalité (comme la « nature a horreur du vide »). La notion de cycle apparaît, mais le mécanisme reste « métaphysique ».
Pourtant, le rôle des « précipitations » avait été évoqué par Vitruve (voir ci-dessous). Il n’en donnait aucune explication, mais il avait raison.
Malgré la renaissance, les idées fausses ont persisté
38Les auteurs des xvie et xviie siècles sont pour beaucoup restés des adeptes de ces théories erronées. Pierre Perrault s’en plaignait, et n’hésita pas à vilipender leurs défenseurs. Reprenons ces sources en comparaison de nos connaissances actuelles.
Jules César Scaliger
39Jules César Scaliger (Vérone 1484-Agen 1558) prit à partie les écrits des savants de son temps. Mais il souhaitait devenir un « homme universel », et, comme il avait acquis des connaissances dans beaucoup de disciplines, la publication de ses propres travaux classiques lui donna une solide réputation. Parmi les ouvrages de cet auteur, P. Perrault a sans doute retenu De subtilitate, ad Cardanum, Paris, 1557, où il contredit le De subtilitate de Jérôme Cardan.
40Dans la première moitié du xvie siècle, il fut un des premiers philosophes de la renaissance à aborder et à déterminer l’origine de l’eau s’écoulant des sources et des fontaines. Mais son explication ne relève en rien d’un cheminement scientifique. C’est suivant une pure spéculation métaphysique qu’il décrit à propos de la planète terre en cours de création par Dieu…
Cette terre était constituée d’une sphère parfaite de « terre ferme » recouverte d’une hydrosphère et d’une atmosphère. Puis Dieu aurait édifié les montagnes en empruntant une partie des roches de la terre ferme.
Mais, selon lui, la terre ferme agrémentée de montagnes, occupait plus de place qu’auparavant, car, en reprenant une hypothèse chère à Platon et Aristote, les montagnes étaient creusées de « concavités ».
L’hydrosphère originelle se serait retirée dans les océans et les mers, mais comme son volume restait le même, elle se serait élevée du fait de la réduction de la surface lui restant réservée. Elle se serait alors engagée dans les « concavités » des montagnes, jusqu’à atteindre des ouvertures qu’il désigne comme les fontaines.
De là, l’eau retourne aux mers et océans par les rivières et les fleuves.
41Le cycle est effectivement bouclé, mais l’explication ne résistait pas à la critique de Pierre Perrault. Comment expliquer les variations du débit de fontaines et de leurs émissaires, les rivières ? Pourquoi l’eau, salée en quittant les océans pour les « concavités », ressort-elle douce aux fontaines ? Surtout, Perrault souleva combien il est impossible que l’eau des océans puisse gravir les chenaux souterrains des montagnes pour en atteindre les sommets. Le raisonnement de Perrault est que l’explication de Scaliger est tout bonnement contraire à la loi des vases communicants. Pourtant cette explication eut longtemps ses défenseurs.
Jérôme Cardan
42Jérôme Cardan (1501-1576) est surtout connu pour son De Subtilitate publié dès 1550, et qui connut quinze éditions de 1550 à 1642. Il y affirma, le premier, « l’existence d’une transformation des espèces ». Il traita donc de Géologie et d’Hydrologie. Certains (l’historien des sciences Pierre Duhem) pensent qu’il avait adopté certaines thèses de Léonard de Vinci notamment en Géologie, dont la notion du « temps long » (la Bible évoquait un « temps court » pour la création du monde).
43Cardan était un contemporain du précédent, il se pencha aussi sur la question du cycle de l’eau. Pierre Perrault reconnaît qu’il donna « plus d’une cause à un effet aussi grand qu’est l’écoulement continuel des sources et des rivières », ce qu’il faut traduire par la recherche de plusieurs causes entraînant le même effet. Il réfuta aussi un certain nombre d’explications.
Il reconnut que les marées étaient incapables « à chasser les eaux jusqu’au haut des montagnes ». En effet, quand il écrivait (selon Perrault) « qu’il n’y a point de raison pourquoi ces eaux, avant que de parvenir en ces hauts lieux, ne puissent pas s’échapper d’un côté ou d’un autre par tant d’ouvertures qui sont dans la terre », en fait il réfutait le cheminement (et le dessalement) des eaux océaniques vers les sources, via des concavités et des cavernes situées sous les montagnes.
Mais il réfutait aussi le rôle des précipitations : « il n’y a pas d’apparence que les pluies et les neiges puissent produire une aussi grande quantité d’eau que l’on en voit couler » des sources et des fontaines. « il est pareillement incroyable qu’il se puisse faire continuellement une si grande génération d’eau ».
44Cette dernière affirmation est importante. Cardan n’a pas pressenti que l’eau puisse s’évaporer (sur les océans) et se condenser en pluies (sur les continents).
Il revient à une idée soutenue par Aristote : « que la principale origine de l’eau des fontaines vient de l’air qui se change facilement en eau… ». Il revient aussi aux « concavités » des montagnes en affirmant : « les eaux, au-dedans des montagnes, s’engendrent par la fraîcheur des pierres, et au-dehors par celle de la nuit… elles viennent à couler insensiblement, et s’amassant deçà et delà en petits ruisseaux… ».
Il fut alors conduit à une réflexion métaphysique, en contradiction avec ce qu’il avait déjà écrit : « l’impétuosité du reflux de la mer pousse des eaux dans la terre, qui sont des sources d’eau douce en les faisant passer à travers plusieurs sortes de terres, et, que quand elles perdent leur salure et leur amertume, c’est moins par cette percolation que par la rencontre avec des eaux douces de la pluie… »
Pour justifier le « dessalement » de l’eau de mer, il évoquait la « pesanteur du sel » (une proposition insoutenable), « l’écoulement paisible de l’eau parmi plusieurs espèces de terres » (une sorte de filtrage) et un adoucissement réalisé par leur mélange avec les eaux de pluies et de fonte des neiges.
45Cardan se perdit dans des croyances encore tenaces :
La condensation de l’air en eau était une théorie déjà controversée, mais le principe d’évaporation et de condensation ne sera démontré qu’en 1830 par John Dalton. Aussi, avait-elle encore cours des xvie au xviiie siècles.
Le rôle des pluies (dont l’origine reste donc inexpliquée) restait très secondaire.
Les marées joueraient un rôle dans le cycle de l’eau en « forçant » la pénétration des eaux marines vers les montagnes : une affirmation déjà apportée au Moyen Âge. Il est alors conduit à expliquer le dessalement de l’eau de mer, au cours de ce transfert. Mais, déjà au xviie siècle, du vivant de Pierre Perrault, la percolation de l’eau avait été reconnue comme s’opérant de haut en bas, et non par l’inverse.
46Notons aussi que l’hypothèse d’une eau engendrée par la terre était universellement admise, de même qu’on reconnaissait la génération spontanée comme une hypothèse scientifique.
Jacques W. Dobrzenzki de Nigro Ponte
47Jacques W. Dobrzenzki de Nigro Ponte fut professeur de philosophie à Prague. Il s’intéressa à la médecine et publia de nombreux ouvrages dans ce domaine. P. Perrault a surtout retenu de lui des notes relevées lors d’un voyage en Sicile. Il vivait un siècle après Cardan, mais il publia une Nouvelle Philosophie touchant le génie des fontaines en 1657, soit trente ans avant l’ouvrage de Pierre Perrault.
48Il restait un adepte de la « condensation de l’air en eau » et du « rôle des marées » dans l’origine de l’eau des sources. Mais il avait aussi observé des « pertes » en direction des entrailles de la terre, dans le détroit de Messine. Pour lui, cette observation justifiait que de l’eau de la mer puisse, un autre jour et dans un autre lieu, retrouver le jour à la faveur d’une fontaine. Il attribuait aux marées, la remontée des eaux vers les montagnes, tandis que le dessalement était « emprunté » à Cardan. En un siècle, la « pensée » n’avait fait aucun progrès.
Thomas Lydiat
49Thomas Lydiat (1572-1646) suggéra, dès 1605, que l’orbite des astres n’était pas circulaire mais elliptique. Il anticipait les travaux de Johannes Kepler. Mais Pierre Perrault retint surtout de lui ses travaux sur les fontaines dans Disquisitio Physiologica d’origine fontium apparemment publié en 1605. Il n’innovait guère en reprenant les vieilles théories de montagnes creusées de cavernes et de « concavités ».
50En s’appuyant sur le texte biblique : « Que les fleuves viennent de la mer et y retournent », il reconnaît que l’eau qui provient de sources et alimente les cours d’eau est issue du réservoir océanique. Mais, il continuait de croire en un cheminement souterrain : l’eau salée pénètre dans les continents en suivant d’hypothétiques canaux, traversant les cavernes et concavités des montagnes pour ressurgir au pied de celles-ci sous forme de fontaines. Il comprit la nécessité de « trouver un moteur » qui fût assez puissant pour élever l’eau du niveau de la mer au sommet des montagnes.
51Il envisagea un feu souterrain, une hypothèse pouvant relever de l’observation des éruptions volcaniques et, il est vrai, matérialisée par l’abondance de fontaines naturellement chaudes. Selon sa théorie, ce feu souterrain serait assez puissant pour « vaporiser » l’eau des océans, notamment à la base des caves et concavité situées à l’intérieur des montagnes. L’observation des cavernes naturelles, et sans doute des mines, lui avait montré que plus on s’enfonce dans le sous-sol, plus il fait chaud dans les mines, mais, que dans les cavernes naturelles, la fraîcheur règne.
Il subodora donc un mécanisme proche de celui de l’alambic (dont l’usage se généralisait), ou des simples marmites posées sur un foyer.
À la base de la marmite, de l’alambic et donc des « concavités » naturelles, le feu provoquait la vaporisation de l’eau. Cette vapeur, plus légère, s’élevait par les « veines » et « canaux » souterrains jusqu’au sommet des concavités. Dans l’alambic, elle s’élève effectivement dans un tube situé au sommet de la chaudière.
Dans l’alambic, quand cette vapeur pénètre dans le serpentin qui traverse l’eau froide, elle se condense. De même, l’eau évaporée dans une marmite se condense à la base du couvercle. Il pouvait évoquer un même mécanisme à l’intérieur des montagnes : la vapeur qui y parvenait était alors condensée par la fraîcheur naturelle du lieu, pour gagner l’extérieur et les fontaines.
Quoiqu’erronée, cette explication suivait une certaine logique, elle décrivait un « cycle de l’eau ». Surtout elle éliminait les hypothèses « alambiquées » utilisées pour expliquer le dessalement de l’eau de mer.
52Mais, comment expliquer l’origine de « cette chaleur propre à la terre » ? Lydiat excluait une origine solaire, trop modeste pour pénétrer à l’intérieur du sous-sol. Il envisageait l’existence d’un « feu souterrain », dont la science de son temps était bien incapable de donner l’origine, mais qu’il associait au fonctionnement des volcans, dont l’Etna (qu’il cite).
53Pierre Perrault ne conteste pas l’existence d’un feu souterrain, à l’origine des volcans. À l’inverse, il réfute sa généralisation : elle donnerait naissance à bien plus de volcans, et malgré la présence de fontaines d’eau chaude (les eaux thermales sont connues et exploitées depuis l’antiquité), on n’observe aucun feu souterrain proche. Les explications qu’il donne sont intéressantes, et nous ne pouvons qu’être en admiration devant les mesures qu’il effectua (avec un thermomètre à alcool), afin de démontrer la très faible variation saisonnière des températures dans les caves de l’observatoire, comme celle de l’eau des puits. Perrault cherchait (à juste titre) à minimiser le rôle du feu souterrain, afin de justifier le rôle de l’évaporation, qu’il soutenait (il avait d’ailleurs raison).
54À cet effet, on notera aussi que le mécanisme de Lydiat aurait fini par dessaler la mer : le feu souterrain aurait fixé le sel dans le sous-sol, le ruissellement et l’écoulement fluvial auraient fini par remplacer l’eau salée par de l’eau douce.
Pierre Davity
55Pierre Davity, sieur de Montmartin (1573-1635), est surtout connu pour son Encyclopédie sur l’histoire et la géographie de la France, puis du monde ce qui le conduisit à disserter sur les cours d’eau et les fontaines. Lui aussi se référait au même passage de la Bible que Lydiat. Il adopta l’hypothèse d’un cycle de l’eau, par le constat que l’abondance des fleuves aurait tôt-fait de faire déborder les océans, et l’hypothèse d’une circulation cyclique et fermée s’impose. Une partie des eaux marines doit gagner les fontaines. Mais le processus qu’il propose conserve le principe d’un retour par le sous-sol.
La terre (entendons la croûte terrestre) serait percée de plusieurs canaux, conduits et autres « concavités » permettant à l’eau de mer surnuméraire, de remonter vers le sommet des montagnes et les fontaines situées à leur pied.
Mais quel en est le moteur ? Pour lui, le « poids » des océans, qui tendent à déborder par l’afflux d’eau fluviale, s’accroît, et cette pression refoule l’excédent d’eau vers les montagnes en suivant ces canaux, conduits et autres « concavités » dont la terre est percée.
56Cette hypothèse était contraire au principe des vases communicants, à moins que ces canaux, conduits et autres « concavités » aient fonctionné comme des béliers hydrauliques… !
René Descartes
57René Descartes était né à La Haye (aujourd’hui Descartes en Indre et Loire) vers 1596 et il mourut à Stockholm, à la cour de la reine Christine de Suède, en 1650. Nous ne présenterons pas ce « père de la pensée scientifique rationnelle », même s’il nous étonne par son manque de discernement. Quand il aborda le cycle de l’eau, il se fourvoya dans une explication « d’un autre âge ». Certes, pour lui, les océans sont à l’origine des fontaines du fait de l’évaporation, et, pour cette affirmation, il serait un précurseur, Cependant, il croyait :
En l’existence de « plusieurs canaux, conduits et autres concavités » formés au moment de la « création du monde ».
Que l’eau de la mer les emprunte pour gagner le pied des montagnes.
Qu’en chemin, l’eau de mer se dessale par gravité du fait de sa température plus faible, et que seule l’eau douce « percole » vers les montagnes.
Que cette eau douce est seule vaporisée pour se condenser selon un processus proche de celui de Lydiat.
58P. Perrault critiqua abondamment ces hypothèses, notamment le processus de dessalement que Descartes décrit. Nous remarquons surtout que si Descartes repéra l’évaporation de l’eau des océans, il conserva, à tort, l’hypothèse d’une circulation interne, ignorant le rôle de l’atmosphère et des pluies. Il ne pouvait que se fourvoyer.
Nicolas Papin
59Nicolas Papin était le cousin de Denis Papin, il exerçait la médecine à Blois au début du xviie siècle. En 1647, il publia un ouvrage Raisonnemens philosophiques touchant la salure, flux & reflux de la mer, & l’origine des sources, tant des fleuves que des fontaines, lequel fut imprimé à Blois cette année-là. Ce livre de 156 pages fut étudié par Pierre Perrault.
60Papin suit là l’hypothèse des Lydiat, Cardan, Descartes en reconnaissant que la mer est à la source de l’écoulement des fontaines tout en continuant de soutenir que l’eau des océans gagnait les montagnes en suivant des canaux souterrains. C’était encore une idée forte du temps, soutenue par Descartes. Mais, en le lisant on croit rêver :
Au milieu du Grand Siècle, il en attribuait le principe à un « esprit concrétif » dont la qualité serait « d’unir les choses auxquelles il est mêlé, de les resserrer de telle sorte, et principalement les liquides, qu’elles prennent une forme sphérique… ! ».
Selon ce principe, la salinité des eaux de la mer donnerait une « rondeur » faisant qu’en certains endroits, les océans « deviendraient plus hauts que les montagnes ». Le poids de cette eau « surélevée » serait capable, par le principe des vases communicants, de pousser l’eau située en dessous, vers le sommet des montagnes, en empruntant les conduits souterrains…
Mais il attribuait aussi un rôle aux douze signes du Zodiaque, quant à la température, l’humidité et la sécheresse du milieu naturel. Associées à son « esprit concrétif », les phases zodiacales expliqueraient le flux et le reflux de la marée et les variations du débit des fontaines…
61Reprendre ici la critique qu’en fit P. Perrault serait insulter ce père de l’hydrologie. Par contre, on voit que le Grand Siècle était une charnière dans l’évolution de la pensée scientifique. L’hypothèse de Papin est encore un raisonnement qui relève de la métaphysique, voire de l’alchimie, très éloigné des travaux de Perrault, et autres savants de son époque. Mais la médecine évoquait encore les « humeurs » de Gallien, alors que William Harvey découvrait la circulation sanguine !
Pierre Gassendi
62Pierre Gassendi (1592-1655) fut un bon exemple de l’honnête homme et de l’humaniste du xviie siècle, car il laissa une œuvre éclectique concernant la théologie, la philosophie, les mathématiques et l’astronomie. Nommé professeur de mathématiques au Collège royal en 1645, nous retiendrons ces Commentaires sur la Météorologie d’Épicure, dans la traduction de Diogène Laerce effectuée au début du iiie siècle.
63Il adopta quelques hypothèses déjà émises, mais, dans le même temps, il restait plus proche des réalités.
De Lydiat, il conservait l’idée que « les fontaines et par conséquent les fleuves, dont il dit qu’elles sont les causes, sont produites par les vapeurs que les eaux et la chaleur qui sont dans la terre excitent et font monter jusqu’à la voûte des cavernes et concavités, où elles s’arrêtent et se convertissent en eau ».
Il n’y aurait rien de nouveau s’il n’avait aussi raisonné ainsi : « les eaux de la pluie et des neiges fondues sont la matière principale des fontaines, que ces eaux et ces neiges pénètrent la terre, et descendent par des ouvertures qui sont sur les montagnes, et principalement sur celles qui sont pierreuses et pleines de cavernes, et dans lesquelles il y a de grands réceptacles où elles s’assemblent, et sortent en fontaines avec plus ou moins de force et de durée, selon que l’ouverture est plus ou moins grande, et les réservoirs plus ou moins spacieux. ».
64Gassendi, et Pierre Perrault le souligne, fut un des premiers à soutenir le rôle des pluies (avec Vitruve et Bernard Palissy). Il constitue une étape charnière dans la pensée hydrologique, car il raisonnait selon deux hypothèses concurrentes : la montée et le dessalement des eaux de mer au cours d’un cheminement souterrain, d’une part, et l’évaporation de l’océan, suivie de la condensation en pluies d’autre part. Mais n’oublions pas qu’au cours du xxe siècle, la Dérive des continents évoquée par Wegener en 1912, ne fut reconnue par la communauté scientifique qu’en 1968, avec la tectonique des plaques. À Poitiers, en 1967, un de mes professeurs dont je tairai le nom enseignait que la croûte terrestre constituait un ensemble continu et que « la dérive des continents était une vue de l’esprit » !
L’abbé Jean-Baptiste du Hamel
65L’abbé Jean-Baptiste du Hamel (1624-1706) fut un des premiers physiciens français du xviie siècle, mais cet humaniste traita aussi de philosophie, de théologie, de mathématiques, de physique et d’anatomie. Il exerça au Collège royal, puis au Collège de France à partir de 1682. Mais c’est dans son livre De meteoris et fossilibus (Des Météores et des choses fossiles) qu’il exprima sa pensée sur le cycle de l’eau.
66Jean Baptiste du Hamel n’innova pas vraiment, mais il avait envisagé le rôle des précipitations. Selon lui, on rencontrait deux sortes de fontaines :
Les sources pérennes ne s’assèchent jamais, et, à l’image de ses prédécesseurs, il pensait que leur alimentation venait de la mer au travers des conduits souterrains.
À l’inverse, il existe des sources qui cessent de couler en été. Il attribua cette particularité à une alimentation locale, neiges fondantes et pluies, rejoignant rapidement la surface après une brève infiltration.
67On notera qu’il est aujourd’hui admis que les précipitations empruntent un double itinéraire. Une part s’infiltre en direction des nappes phréatiques dont l’émergence conduit à un « écoulement souterrain » appelé aussi « écoulement de base ». L’autre partie s’infiltre dans les macroporosités des sols et régolites, voire ruisselle à la surface du sol. C’est l’écoulement rapide de « crue » des hydrologues ou le « ruissellement » des géomorphologues.
68Mais du Hamel prétendait encore asseoir sa démonstration sur les saintes Écritures : « tous les fleuves entrent dans la mer sans qu’elle en soit plus remplie ; et ils y retournent pareillement pour recommencer à couler de nouveau », puis il évoque « des bénédictions du ciel, qui viennent d’en haut » (ce sont les pluies) et « des bénédictions de l’abîme qui viennent d’en bas » (l’eau de la mer qui remonte vers les sommets après un parcours souterrain).
69Sa théorie restait encore très influencée par les philosophes de l’antiquité.
Les pluies et l’eau de fonte nivale ne peuvent s’infiltrer de plus de 10 pieds (3 m) selon Sénèque (qui le tenait d’on ne sait qui ?). Cette eau, d’un volume modeste, est surtout « efficace » en hiver et cesse de jouer un rôle en été, aussi les fontaines s’assèchent-elles…
Puis, d’Aristote, il reprend l’hypothèse de l’air qui aurait le pouvoir de s’épaissir dans les cavernes. Mais il convient de préciser qu’il ne s’agit pas de l’air au sens propre, mais d’une eau marine qui se serait évaporée sous terre (le feu souterrain de Lydiat). Cette vapeur emprunterait les conduits souterrains, pour se condenser en eau alimentant les fontaines.
70On reconnaît une interprétation voisine du cheminement intellectuel de Lydiat et, avant lui, de Cardan. On remarquera aussi le recours au texte biblique qui « interdisait » toute critique. Surtout, ces penseurs tournent en rond. Ils commencent à admettre que les pluies jouent un rôle dans l’écoulement. Ils reconnaissent que l’eau de la mer pouvait s’évaporer. Mais ils sont prisonniers de croyances erronées, dont un transfert souterrain tant de l’eau de mer (qui alors se dessale) que de la vapeur de cette eau causée par le feu souterrain.
71La relation entre l’évaporation, la condensation et la pluie est entrevue, mais l’espace qui contient ce processus restait à déterminer.
Le père jésuite Gaspard Schottus
72Le père jésuite Gaspard Schottus (1608-1666) était un philosophe allemand connu pour ses écrits concernant la physique et les mathématiques. De ses œuvres consacrées au cycle de l’eau nous citerons Magia universalis naturæ et artis (4 vol. Würzburg, 1657-1659), et Anatomia physico-hydrostatica fontium et fluminum (Würzburg, 1663). Schottus fut surtout un compilateur d’ouvrages écrits par d’autres, et il a fait peu ou pas de recherches originales. Pourtant, Pierre Perrault consacra plusieurs pages à cette production (surtout pour la démonter).
73Cependant, son ouvrage sur les fontaines et les rivières, publié en 1663, n’apportait rien de nouveau, si ce n’est une réflexion qui le conduit à « imaginer » cinq modèles de fontaines (!).
Un premier modèle de fontaine vient de la mer par le moyen des conduits souterrains (Aristote, Cardan, Lydiat, du Hamel, et d’autres). Il attribue cette percolation de l’océan vers le sommet des Montagnes aux mouvements de la mer, entendons par là les marées, et surtout à « la vertu attractive de la terre quand elle est sèche et graveleuse ». Il s’appuie sur une expérience montrant l’eau qui prend un chemin ascendant dans un tube de verre rempli de sable sec. Nous y reconnaissons la capillarité dont les principes seront émis au début du xviiie siècle. Mais on sait que ce processus serait incapable de lever l’eau jusqu’au sommet de montagnes.
Son second modèle repose sur l’évaporation, et il a raison. Mais il confine encore celle-ci dans les entrailles du sous-sol, par le truchement d’un feu souterrain (comme le suggéraient Lydiat et du Hamel).
Il attribue son troisième modèle au vent, dont aujourd’hui on connaît le rôle dans l’évaporation. Mais le vent décrit par Schottus soufflerait de la mer vers les sommets… dans les conduits souterrains !
Il envisage les marées comme quatrième modèle : la violence du flux pousserait l’eau au travers des conduits souterrains en direction des montagnes !
Son cinquième modèle reprend le modèle de Papin. Le niveau des océans serait plus élevé en certains lieux (on sait que c’est vrai, mais on l’attribue aux variations géographiques de la pression atmosphérique). Mais il explique cette variation de niveau par « un miracle que Dieu fait continuellement pour le bien du monde, afin de donner de l’eau en des lieux éloignés »… !
74Ces explications ne pouvant être soutenues par la science, il recourut (comme d’autres) au texte de la Bible, dont le passage de l’Ecclésiaste déjà adopté à la lettre par Lydiat. Même sur cette interprétation des Écritures, il eut droit aux critiques parfois acerbes, de Pierre Perrault. Gaspard Schottus n’a rien démontré, mais il a seulement repris différemment des théories courantes de son temps, théories acceptant l’idée que l’eau des fontaines venait de la mer, en suivant un parcours souterrain. Cette hypothèse erronée ne pouvait conduire qu’à des explications fantaisistes.
Jacques Rohault
75Jacques Rohault (1618-1672), physicien français, est connu pour sa vulgarisation de la physique cartésienne grâce à l’utilisation d’expériences, ce qui contribua à l’effacement progressif de la pensée d’Aristote. Son œuvre majeure est sa Physique nouvelle publiée en 1667. Il essaya de se démarquer des hypothèses de ses contemporains. Après avoir constaté que les océans ne débordaient pas malgré l’apport des eaux d’origine fluviale, il évoque une vaporisation des eaux de la mer. Celles-ci pénètrent dans le sous-sol, et elles y sont chauffées par le feu central (cher à Lydiat). Cette vapeur ne peut donc que « monter » vers le sommet des montagnes (par les veines de la terre, sans aucun doute).
76Cependant, il ajoute une originalité : le mécanisme de la pluie. Il reconnaît la présence d’une évaporation, produisant une vapeur d’eau qui se refroidit en altitude. Elle se condense alors en gouttelettes que la gravité conduit vers le bas : la pluie et la neige. Il se constitue des « veines d’eau » qui s’infiltrent et ressortent sous forme de sources. Implicitement il reconnaît la distillation de l’eau de mer par évaporation, ce qui conduit à la condensation d’une eau douce.
77Malgré des affirmations improbables nées de son environnement intellectuel, Jacques Rohault se sépara des hypothèses de Lydiat. Comme lui, il pressentait un feu central, mais il donne une explication cohérente à l’origine des pluies, elles-mêmes à l’origine des sources, par infiltration. Il touchait la solution du doigt, sans y être parvenu.
Le père jésuite Jean François
78Le père jésuite Jean François (1582-1668) publia un ouvrage intitulé La Science de l’eau en 1655. Il y expliquait la formation, la communication, les mouvements, et les mélanges des eaux terrestres. Il proposa un fonctionnement original des fontaines en niant le fait que leurs eaux provenaient directement de la mer.
En effet, le père François rejeta le principe que l’eau des fontaines venait de la mer après un cheminement défiant les lois de la pesanteur au travers des « concavités » des montagnes.
Il évoque des vapeurs humides : supposons qu’il s’agit du changement d’état de l’eau des mers en vapeur d’eau transportée par les vents.
Il imaginait que les vents (probablement chargés d’humidité) abandonnent leur eau quand ils entrent en contact avec les reliefs qui s’opposent à eux. C’est un phénomène parfaitement connu sous le nom de pluies de relief. Au contact des collines et montagnes, les vents prennent de l’altitude, se refroidissent et perdent de la pression, et leur vapeur d’eau se condense en pluies.
Il professait alors que ces pluies pénétraient dans la terre et, de là, circulaient à l’intérieur du versant, pour émerger au pied des reliefs sous forme de fontaines.
79Mais son raisonnement reste ambigu : prenons, par exemple, l’affirmation suivante : la « résolution des vapeurs en eau est faite par la chaleur du feu souterrain » : une hypothèse totalement incohérente. Toutefois, l’ensemble de son cheminement intellectuel se démarquait des autres « hydrologues », tels Cardan et Lydiat. Il renonçait aux « concavités » des montagnes, aux « veines de la terre », et aux explications alambiquées conduisant l’eau des mers, soit directement, soit sous forme de vapeur, vers le sommet des montagnes.
80Mais, dès l’antiquité, d’autres explications, étrangères aux concavités des montagnes et à la condensation de l’air en eau, avaient été avancées. Il s’agit de la présence d’une eau souterraine, séjournant dans le sous-sol, alimentée par l’infiltration des eaux de pluies.
Le concept des eaux souterraines
81Pour admettre l’hypothèse du rôle des pluies dans la naissance des fontaines, il avait fallu que le concept d’un réservoir souterrain soit admis. Les successeurs d’Aristote et les précurseurs de François avaient surtout évoqué la circulation de l’eau de mer, puis de sa vapeur vers le sommet des montagnes avec accumulation dans les « concavités » des montagnes et la condensation de vapeur dans ces concavités, selon ce processus parfois incohérent.
82Cependant, la présence d’eau à l’intérieur du sous-sol avait, de très longue date, été reconnue par les puisatiers. Des puits sont attestés dès le Néolithique, et dès le ve millénaire av. J.-C., les agriculteurs de la Culture du Rubané, en Europe orientale et centrale, creusèrent et aménagèrent de puits à caisson de bois. 2 000 ans plus tôt, et en Palestine, ceux du site archéologique de Atlit Yam, avaient construit des puits cylindriques et maçonnés. Les Grecs de l’antiquité généralisèrent cet usage. En grec ancien, puits se dit « phréas » mot à l’origine de « nappes phréatiques », c’est-à-dire d’eau accessible par des puits, pour désigner les eaux souterraines.
Épicure
83Épicure, né à Samos en 341 av. J.-C., décéda à Athènes en 270 av. J.-C. On le présente comme le « philosophe du bonheur » (épicurisme et épicurien) car le plaisir tient une grande place dans sa pensée. Mais il traite aussi de physique en reprenant le concept de l’atomisme émis par Démocrite (460-370 av. J.-C., mais que Pierre Perrault ne cite pas).
84Le premier, Épicure admit que les sources étaient les émissaires de « l’amas d’eaux souterraines » (nappes phréatiques ?) lesquelles en s’écoulant, alimentaient les rivières et les fleuves. Mais il ne fournit aucune explication sur l’origine de ces nappes.
Jean-Baptiste Van Helmont
85Jean-Baptiste Van Helmont (1579-1644) était un alchimiste néerlandais fervent défenseur de la génération spontanée. Mais il réfuta les quatre éléments d’Aristote. Pour ce qui nous concerne, il considéra que la « terre n’est pas un élément », elle résulte de la transformation de l’eau ! De là à faire de l’hydrologie, il n’y avait qu’un pas
86Selon Pierre Perrault, Van Helmont « avait une opinion bien différente de celle des autres ». Il émit une hypothèse qui reprenait le principe d’une eau séjournant dans les entrailles de la terre. Sa description est dans l’esprit de son époque. La surface du sol est constituée de terre, de sable et de pierres. Mais sous cet ensemble rocheux irrégulier, on trouverait un « sable pur et net » qu’il nommait « le dernier fond de la Nature » (il l’imaginait allant jusqu’au centre de la terre). Ce sable était imprégné d’une eau pure (douce ?) et abondante, car ce sable est « comme un crible ou un filtre par lequel la nature coule et passe les trésors inépuisables de ces claires et nettes eaux pour l’usage de l’univers ». C’est la définition d’un « aquifère ».
87Surtout, il compare les éventuels mouvements de l’eau dans ce sable à la circulation sanguine. Or, celle-ci venait d’être démontrée par William Harvey, dans son ouvrage Motu Cordis paru en 1628 (le principe avait été évoqué dès 1551 par le Portugais Amato Lusitano). Quand ces sables aquifères sont « excavés » et déversent leur eau à l’air libre, il se constitue une fontaine dont « l’eau n’a plus de repos jusqu’à ce qu’elle se soit rendue dans la mer où elle se rencontre toujours, comme au lieu le plus bas ». Les fontaines génèrent des ruisseaux dont la coalescence construit des rivières et fleuves qui se jettent dans la mer. Il avait saisi le circuit de retour des eaux souterraines vers la mer. Mais il ne donnait pas d’explication cohérente pour « l’aller ».
88En effet, son explication reste « métaphysique » et il avait eu recours à la Genèse : « tous les fleuves partent de la mer, et y retournent sans qu’elle en soit enflée… ». Selon Van Helmont, Dieu « sépara les eaux d’avec les eaux ». Il pensait que l’ensemble de l’hydrosphère (pour utiliser un terme moderne) était constitué d’une « mer visible », les océans, d’une part, et d’une « mer invisible », ce sable imprégné d’eau qu’il décrit, d’autre part.
89Par comparaison avec la circulation sanguine, l’eau des océans visibles passerait progressivement dans les « océans invisibles », les nappes souterraines du fait de la « vertu vivifiante » (d’origine divine) de ce sable, où elle perdrait sa salinité (une idée que nous avons entendu évoquer par bien d’autres). Cette « vertu vivifiante » lui permettrait de s’élever vers les fontaines par le flux des marées (autre hypothèse erronée, mais encore vivace). La recherche du moteur permettant la remontée de l’eau de la mer vers les sommets était difficile à expliquer avec les connaissances du temps. Mais il lui fallait trouver un mécanisme opposé à la pesanteur (la gravité de Newton). Évoquer une sorte de créationnisme, au travers d’une « vertu vivifiante » des choses inertes éludait le problème.
90Pierre Perrault ne s’y trompa pas, le recours aux saintes Écritures était un moyen d’écarter la contestation, car la Bible ne pouvait être contredite (Galilée en avait fait les frais). Mais il est inutile d’aller plus loin, Pierre Perrault ayant largement critiqué et contredit ces idées, au travers d’une autre interprétation de la Bible.
91Toutefois, il faut retenir que Van Helmont avait pris ses distances avec les « concavités » de Platon, et que son sable imprégné d’eau peut être retenu comme une vision novatrice de la présence d’eau dans le sous-sol.
Le rôle des pluies et la circulation atmosphérique
92Nous avons vu que des auteurs du xvie et du xviie siècle avaient envisagé la possibilité d’une évaporation des eaux marines, d’un flux de cette vapeur vers les continents sous l’effet du vent, et d’une condensation en pluies. Il s’agit du Hamel, de Gassendi, de Schottus, de Rohault, mais ils n’avaient pas franchi le pas d’un cycle atmosphérique de l’eau. Deux hommes seulement ont conçu l’importance des pluies, à des siècles de distance.
Vitruve
93Vitruve serait né vers 90 av. J.-C. il vécut jusqu’en 15 av. J.-C. environ. Ce n’était pas un philosophe, mais un architecte connu pour son traité De architectura qui compile les connaissances sur les techniques de construction de l’antiquité classique. Il avait donc été conduit à disserter sur les fleuves et les fontaines.
94Pierre Perrault présente Vitruve comme « un homme de bon sens » ayant acquis une longue expérience, notamment des problèmes hydrauliques (irrigation, alimentation des bains publics).
Pour nous, Vitruve fut un novateur car il est un des premiers à concevoir une relation entre l’écoulement des fontaines et les pluies. Cet écoulement serait « causé par les eaux de la pluie et de la neige de l’hiver, qui traversant la terre et s’arrêtant aux lieux solides et non spongieux, viennent à couler par les sources ».
Il ne prenait en compte que l’eau chue sur les montagnes. Il y avait noté que les « lieux creux » (vallons) y étaient occupés par une végétation plus dense, pouvant conserver une grande quantité de neige (et concentrer les eaux pluviales). Cette eau pénétrait dans le sous-sol pour atteindre les exutoires (sources, fontaines) en empruntant les « veines de la terre ».
95Vitruve « toucha du doigt » la notion d’évaporation et de condensation, qu’il faudra attendre pendant plusieurs siècles pour qu’elle soit mise au jour.
Bernard Palissy
96Bernard Palissy (vers 1510-1589 ou 1590) était un autodidacte, converti à la Réforme. S’il est surtout connu du grand public pour ses travaux sur la céramique, on lui doit aussi un remarquable Discours admirable de la nature des eaux et fontaines tant naturelles qu’artificielles. Cet ouvrage précurseur est reconnu pour sa pertinence concernant le cycle de l’eau, car il fut le premier à reconnaître que l’alimentation des sources et des fontaines prenait naissance dans l’abondance et la répartition des pluies, et non pas par une percolation des eaux marines vers le sommet des montagnes.
97Dès 1580, il avait écrit : « Quand j’ai eu bien longtemps et de près considéré la cause des sources des fontaines naturelles, et le lieu de là où elles pouvayent sortir, en fin j’ay connue directement qu’elles ne procédaient et n’estoyent engendrées sinon de pluyes ». Il écrivait aussi que « l’eau des puits constituait celle des égouts des pluies qui tombent alentour », aussi reconnaissait-il, implicitement, que l’eau de condensation atmosphérique, génératrice de pluies, pénétrait dans le sol, y constituait un réservoir hydrologique dont l’excédent ressortait par les sources. Il évoqua même la notion des « couches aquicludes » : « quelque terre argileuse, pierre, ardoise, ou minéral, qui retienne les eaux de pluies quand elles auront passé au travers des terres ». Pierre Perrault reconnaît la véracité des travaux de Palissy, et c’est bien le seul qu’il ne critique pas. En fait, Bernard Palissy soutenait une théorie qui lui convenait.
98Il avait fallu des siècles pour que la relation entre les pluies et l’écoulement fluvial soit reconnue. Certes, le choix des sources écrites proposées par Pierre Perrault est là pour montrer aussi le bien-fondé de l’explication qu’il entend proposer dans sa seconde partie. Il n’est pas toujours objectif, mais il est également vrai que les explications proposées pendant des siècles ne reposaient sur aucune observation scientifique. Que ce soit les « concavités » exposées par Platon, reprises par Aristote et encore soutenues par Cardan et autres Lydiat, le « feu souterrain » de Lydiat, ou l’« esprit concrétif » de Papin, il ne s’agissait que de spéculations purement métaphysiques. Toutes avaient en commun de vouloir faire remonter l’eau de la mer vers le sommet des montagnes par un cheminement dans le sous-sol.
99C’est tout le système philosophique passé qui était à remettre en cause. D’un côté il y avait les « intellectuels des universités » enfermés dans leurs spéculations, ignorants des choses de la nature, s’évertuant à démontrer l’indémontrable. De l’autre, il y avait les « praticiens », ces humbles et obscurs techniciens de l’alimentation des aqueducs urbains, de l’irrigation des champs et du creusement des puits, mais le plus souvent illettrés ; leurs découvertes restèrent inaperçues, à l’exclusion d’un Vitruve, qui avait couché ses idées par écrit.
100Mais il représentait l’exception.
Les innovations de Pierre Perrault
101La seconde partie confirme les critiques que Pierre Perrault avait faites sur les hypothèses et théories émises par ses prédécesseurs qu’il rejette implicitement dès l’introduction : « Je ne vois pas qu’il y ait de quoi en être beaucoup satisfait… ». Sans les citer il désigne ceux qui se sont succédé de Platon à Jacques Rohault, à l’exclusion de Vitruve, Pierre Gassendi, Bernard Palissy et du père Jean François. Il justifie alors cette distinction : « Je vois que chacun de ces philosophes (de Platon à Jean François), en son particulier, a rejeté l’opinion des autres quand elle ne s’est pas rapportée à la sienne… ». Il n’en retient que quatre du fait que leurs principes sont en accord avec ses conclusions (il ne le dit pas dans l’introduction, mais on le pressent).
102Nous pouvons résumer sa démarche au travers des deux parties qui divisent cette seconde partie : « l’Opinion de l’auteur », c’est-à-dire la sienne, et « l’opinion commune », c’est-à-dire celles de Vitruve, de Pierre Gassendi, de Bernard Palissy et de Jean François.
103Par définition, les opinions évoquées par tous les autres seront rejetées (et nous ne pouvons que lui donner raison).
Les opinions recevables
104Il s’agit de la sienne (opinion de l’auteur dans le texte original) et celles des autres penseurs qu’il a retenus. Son opinion, Opinion de l’auteur est exprimée très clairement : « Mon opinion est donc que les eaux des pluies et des neiges qui tombent sur la terre sont la cause et l’origine des fontaines. » Mais il précise que dans le développement de sa démarche scientifique et de l’analyse qu’il en tirera, il ne sera pas toujours en accord avec ce qu’il nomme « l’opinion commune », soit celle de Vitruve, Pierre Gassendi, Bernard Palissy et du père Jean François.
105Il critique assez ouvertement quelques points de cette « opinion commune » et reprenons, ici, ses arguments :
« Les fontaines sont plus fortes à la fin de l’hiver quand il a été pluvieux, qu’à la fin de l’été, quand l’été a été sec, et qu’elles sont plus ou moins fortes selon que les pluies ont été plus ou moins grandes. Mais d’expliquer par le menu et en détail les moyens par lesquels cela se fait, c’est ce que personne n’a pris soin de faire. Et c’est pourtant ce qu’il y a de principal à considérer ». Pour Perrault, c’est une observation recevable tombant d’ailleurs sous le sens, mais qu’il faut justifier.
« Ces quatre auteurs font voir qu’ils croient que les eaux de la pluie traversent la terre et y entrent par les ouvertures qui sont sur les montagnes pierreuses, s’arrêtent aux lieux solides et non spongieux ». Il leur reproche l’usage d’une idée ancienne, celle des eaux de pluies et de fonte pénétrant la terre par « les veines de la terre » jusqu’au pied des montagnes.
106Mais, implicitement, il semble admettre ce qui suit…
« Les terres horizontales laissent entrer en elles toutes les eaux des pluies, et que les penchantes n’en laissent entrer qu’une partie à proportion de leur pente ».
« Les eaux des fontaines et des puits sont seulement des égouts de la pluie qui tombe alentour et qui traverse la terre, jusqu’à ce qu’elles aient trouvé le fond, sans quoi (elles) s’en iraient toujours en bas jusqu’au centre de la terre, et ne se pourraient jamais arrêter ».
« Il n’y a ni puits ni fontaines où il n’y ait dessous quelque terre argileuse, pierre, ardoise ou minéral, qui retiennent les eaux des pluies quand elles ont passé au travers des terres ».
107Comme « les propres termes de ces auteurs » (et on pressent qu’il va le contester…).
Pierre Perrault et le cycle de l’eau
108Dans le très long paragraphe qu’il intitule Suite de l’opinion de l’auteur, il cherche à définitivement infirmer les hypothèses d’Aristote (encore présentes chez Cardan, Lydiat et d’autres) selon lesquelles la quantité d’eau écoulée par les réseaux hydrographiques est supérieure au total des précipitations. Il le démontrera avec le bilan hydrique de la Seine.
109Il faut aussi expliquer une « affirmation » ambiguë, mais souvent fréquente : « que les fontaines ne sont point la cause des rivières, mais que ce sont les rivières qui sont la cause des fontaines, et que s’il n’y avait point de rivières, il n’y aurait point de fontaines », ce qui apparaît en contradiction avec l’ensemble de ses propos. Nuançons. Pour Pierre Perrault, il est évident que les rivières naissent de la pluie et de la fonte des neiges par ruissellement et par infiltration. Nous verrons qu’il a découvert plusieurs notions fondamentales : le ruissellement (à la surface du sol et au travers des interstices non-capillaires et des macroporosités présentes dans le sol au sens pédologique du terme), l’infiltration au travers des couches géologiques, vers les nappes souterraines, la circulation dans des galeries karstiques, la constitution de nappes souterraines alimentant les sources. Si on « considère plus le raisonnement que la lettre », Perrault avait deviné que l’écoulement des fontaines trouvait son origine dans une circulation souterraine engendrée par les précipitations. Mais il ne faisait pas toujours de différence entre l’écoulement superficiel des rivières et l’écoulement souterrain.
110Il faut cependant reconnaître que cette Suite de l’opinion de l’auteur est souvent confuse. Il évoque d’abord quelques expériences qu’il réalisa. Puis, d’emblée il propose le calcul du « bilan hydrique de la Seine ». Ce n’est que par la suite qu’il évoque la succession des phases du processus, suivant une analyse quelque peu désordonnée. Il commence par évoquer les nappes souterraines (il est vrai qu’il fallait évacuer les erreurs de ses prédécesseurs). Puis il explique comment l’écoulement est soutenu. Perrault envisage alors un écoulement souterrain (au travers des systèmes karstiques) avant d’admettre l’origine atmosphérique de ces eaux (il est vrai qu’il lui fallait se débarrasser des hypothèses « fantaisistes » de Cardans, Lydiat, Schottus et d’autres). Ce n’est qu’à la fin de ce long développement qu’il décrit les nuages et démontre leur rôle dans l’origine des pluies.
111Nous nous sommes donc autorisés à analyser sa démarche dans un ordre adapté au cycle de l’eau : évaporation, pluies, ruissellement/infiltration, écoulement fluvial. Mais, avant toute chose, il avait aussi pressenti le rôle de la notion d’échelle dans les sciences de la terre, ce qu’il nous faut d’abord évoquer.
La notion d’échelle
112La comparaison que Pierre Perrault fait entre le diamètre d’un globe terrestre hollandais, et les défauts du papier qui le recouvre traduit une prise de conscience de la taille réelle de notre planète, et de la modestie réelle des reliefs comparée au diamètre. Perrault écrit en effet : « De quelque grandeur que l’on conçoive la terre, l’on se l’imagine toujours moins grande qu’elle n’est. Notre petitesse nous fait considérer les montagnes quand nous nous en approchons, comme quelque chose de bien grand, et nous croyons qu’elles peuvent avoir quelque proportion avec la grandeur quelque immense qu’elle fait ».
113Il s’étonnait que ce globe ne matérialise pas le relief des continents et la profondeur des océans. Aussi se livra-t-il à un calcul :
Le diamètre de son globe terrestre était de 86,4 à 88,9 cm.
Le père Picard, de l’Observatoire royal de Paris, fut un des premiers à calculer le diamètre de la terre, à partir de la longueur d’un degré d’arc de méridien. Il trouva 11 500 km (aujourd’hui on l’établit à 12 742 km). Pierre Perrault s’exerça à la relation entre la hauteur des plus hautes montagnes et ce diamètre.
Picard estimait que ces montagnes ne s’élevaient qu’à 820 toises, soit 1 600 m.
Document 3. – Le rôle de la notion d’échelle.

114Reprenons le calcul de Perrault, mais sans nous attarder sur l’épaisseur du papier recouvrant son globe terrestre.
Le diamètre de la terre calculé par Picard étant de 11 500 km, les plus hautes montagnes connues de Picard n’avaient que 1,6 km d’altitude. Ces montagnes ne représentaient que 0,014 % du diamètre.
Perrault en avait conclu qu’aucun papier utilisé ne pouvait servir à illustrer les variations du relief, et il en concluait que le relief de la terre était lisse. Surtout, avec 60 à 70 toises (ou 117 à 136 m) au-dessus des plaines voisines.
115Depuis les travaux du père Picard, la connaissance du relief de notre planète a été approfondie. Afin d’illustrer les remarques très pertinentes de Pierre Perrault, nous avons retenu deux cas de figure : la surface des terres émergées selon des tranches d’altitudes et le profil longitudinal de la Loire.
Le premier graphique (a) décrit la répartition du relief terrestre par tranche d’altitudes de 500 m entre le niveau de la mer et les plus hautes montagnes. Il en ressort que près de 90 % des continents ont une altitude inférieure à 1 500 m, dont 60 % entre 500 et 1 000 m. En valeur absolue, la planète émergée est peu accidentée (la courbe des aires cumulées en rend parfaitement compte).
Le deuxième graphique expose la relation entre les altitudes des terres émergées (en ordonnées) et leurs surfaces (en abscisses). Si ordonnées et abscisses n’utilisent pas la même unité : aires en km2, et altitudes en mètres (le cas le plus fréquent), il en ressort toujours que la plus grande partie des continents se trouve à moins de 1 500 m d’altitude. Mais, qu’on unifie les unités : aires en km2 et altitudes en km, la surface de l’écorce terrestre nous apparaît alors aussi lisse que la pelure d’un fruit.
Le troisième graphique, à une échelle moindre, compare l’altitude du lit de la Loire en fonction de l’éloignement entre la source, au Mont Gerbier-de-Jonc (1 551 m), et l’embouchure (0 m), à Saint-Nazaire, et le lit se développe sur près de 1 500 km. L’altitude exprimée en mètres et les distances en kilomètres rendent compte d’un profil « parabolique » qui s’adoucit vers l’aval. Il est alors vrai que la vitesse du courant recule et que, l’apport des affluents aidant, le débit s’accroît. Mais, que les abscisses et les ordonnées soient exprimées en mètres, le profil longitudinal du fleuve est parfaitement horizontal.
116Pierre Perrault en déduisait que le rôle du relief ne devait pas être surestimé pour expliquer l’écoulement des rivières et des fleuves. En plan, en superficie, l’espace concerné par les lits de cours d’eau lui paraissait très faible, par rapport à la surface des terres émergées : « Si donc il y a une si grande disproportion entre la masse de la terre et la hauteur des montagnes, qu’elles ne soient en comparaison d’elle que ce qu’est la poudre sur ces globes terrestres, et qu’une boule de marbre bien polie est encore trop raboteuse pour représenter sa rondeur. Si les rivières sont à l’égard des montagnes ce que les montagnes sont à l’égard de la terre, comme il est aisé de le juger, pour peu qu’on ait considéré, de dessus quelque haute éminence, les rivières qui coulent dans les plaines, qui ne paraissent que comme des filets luisants, et si la profondeur des rivières est encore moindre sans comparaison que leur largeur que nous avons évaluée à la mille-cinq-centième partie de l’épaisseur d’une feuille de papier à proportion du diamètre de ces globes, y a-t-il apparence après tout cela de croire que les eaux qui coulent dans de si petits espaces, puissent égaler cette masse prodigieuse de toute la terre ? ».
117Même si cet argument serait contestable à l’échelle d’un bassin torrentiel, où le rapport entre les altitudes, les aires et les distances, moins contrasté, autorise une situation hydrologique où la quasi-totalité de l’apport pluvial se transforme en écoulement (plus de 95 % des pluies écoulées à Vaison-la-Romaine en 1992), dans son raisonnement, il lui permettait de nier le principe soutenu par Aristote et encore par Lydiat que « de l’air condensé et résolu en eau envahissait les cavernes de la terre ». Le volume concerné par cette hypothèse aurait été sans rapport avec le volume même des océans.
118Partant de ces considérations préalables reprenons le cours des choses.
Les nuages et l’origine des pluies
119Pierre Perrault avait pourtant écrit : « Car si l’on considère de quelle façon les nuées se font dans l’air, et ensuite comment elles y produisent la pluie, il sera facile de s’imaginer comment la même chose se peut faire au-dedans de la terre ». Nous n’osons croire que Pierre Perrault croyait encore que la condensation des vapeurs dans les grottes assurait l’alimentation des fontaines, et acceptons cette affirmation comme une « figure de style ». Nous retiendrons qu’il avait compris le rôle de l’évaporation, de la condensation en nuages et de la formation de la pluie.
120Perrault rappelle une observation aisée à réaliser. Quand le ciel est vide de nuages, il est bleu, et il en déduit (à tort) que c’est la couleur de l’air (sec). En fait, l’air arrête progressivement tous les rayons du spectre à l’exclusion du bleu. Mais ce n’est pas le plus important ici. Puis il constate que les « nuées », c’est-à-dire les nuages, sont d’une blancheur éclatante en opposition avec le bleu du ciel. Après une longue réflexion, il conclut que cette blancheur est due aux gouttelettes d’eau qui s’y trouvent. Et il avait raison. C’est la nébulosité de l’air, dont la couleur se ternit quand l’atmosphère s’enrichit en vapeur d’eau, puis en gouttelettes microscopiques d’eau liquide.
121Mais il constata aussi la réversibilité du processus :
« Quand les nuées sont en pelotons, quelquefois elles se dissipent et deviennent à rien, en sorte que si l’on veut prendre la peine et la patience de regarder attentivement une des plus petites nuées pendant trois ou quatre minutes seulement, l’on verra que sa figure se changera, et qu’à la fin elle s’évanouira, sans savoir ce qu’elle est devenue… »
Mais aussi : « Quelquefois le contraire arrive, car une petite nuée qui paraissait seule au milieu du ciel se gonflera et s’étendra de telle sorte qu’au bout d’une heure elle couvrira tout l’horizon. Cet accroissement se fait imperceptiblement sans qu’on puisse juger d’où il vient… ».
122Ce sont les processus d’évaporation/condensation et de condensation/évaporation gérés par la variation de la température et de la pression atmosphérique locale. La référence à la « petite nuée que le Prophète Hélie (ou Élie) vit s’élever de la mer lorsqu’il fit pleuvoir en Samarie après une longue sécheresse » fait état de l’éclatement d’un orage de chaleur avec constitution d’un cumulo-nimbus. Mais cette référence biblique (bien utile pour se faire reconnaître par les autorités universitaires et académiques du temps) fait suite à une réflexion hautement scientifique. Pierre Perrault avait connaissance des travaux de Torricelli et de Pascal sur la pression atmosphérique et disposait du baromètre de Huygens, beaucoup plus sensible. Il constata que « les diverses pesanteurs de l’air, fait voir que lorsque le ciel est serein, c’est lorsque l’air est le plus pesant, et que lorsqu’il se dispose à la pluie ou au vent, il paraît plus léger… ».
Une hausse de la pression, ou situation anticyclonique assèche et alourdit l’air : « lorsque l’air est serein, les vapeurs… sont dispersées dans… l’air et ne font qu’un corps avec lui, et ajoutent à la pesanteur naturelle la leur propre…, elles agissent sur le mercure et sur l’eau dont est composé le baromètre… ».
Une baisse de la pression atmosphérique était annonciatrice de précipitations (un temps perturbé ou cyclonique) : « quand ces vapeurs se rassemblent et deviennent nuées, elles ne rendent plus l’air pesant… Et l’air devenant ainsi plus léger ne pèse plus sur le mercure et sur l’eau… ».
123C’est une description du mécanisme de la pluviogenèse, qu’il attribue à l’énergie du soleil (même s’il n’emploie pas ce terme) : les variations thermiques au-dessus des océans et des mers favorisent (ou handicapent) la formation de vapeur d’eau. Les variations de pression de l’air et de « la chaleur du soleil hâte ou retarde, augmente, diminue ou altère cette condensation »… « Les vents chassent les nuées… pour donner de la pluie en d’autres lieux que ceux où les vapeurs avaient été excitées…, et c’est ce qui me semble, de cette sorte, que l’eau se peut engendrer dans la terre pour les produire… ».
124L’eau des rivières provient de la condensation des vapeurs d’eau atmosphériques :
« Par ce moyen, il n’est point besoin de ce feu souterrain et universel… Par ce moyen, il n’est point besoin de faire de si grands efforts au reflux de la mer pour pousser ses eaux jusqu’au sommet des montagnes… Par ce moyen, il n’est point besoin aussi de supposer des vertus et des propriétés particulières aux astres, et encore moins d’avoir recours à des miracles nouveaux pour les faire mouvoir… »
125Par ce moyen, Perrault réglait définitivement la question du dessalement de l’eau de mer vers les fontaines (que les opinions de Lydiat, du Hamel, de Descartes, de Schottus et de Rohault ne parvenaient pas à expliquer concrètement) par un simple processus de distillation naturelle.
L’expérience du tuyau de plomb et l’infiltration
126Il reprit une expérience de Magnanus avec un tuyau de plomb. Il s’agit de mesurer la hauteur d’eau remontant dans du sable sec quand le tuyau reste plongé dans de l’eau.
Les expériences sur la porosité
127Son tuyau mesurait 45,12 mm de diamètre et 610 mm de long. Il était rempli de sable sec, soit un volume de 3 901 376,7 mm3 soit 3,9 litres. Puis l’ensemble est enfoncé dans l’eau sur une profondeur de 300 mm. Au bout de 24 heures, l’eau était montée (par capillarité, mais ce processus est inconnu en 1680) de 457 mm. Son objectif était de montrer si on pouvait admettre l’alimentation d’une source par ce procédé. Le tuyau fut percé d’une ouverture de 16 mm environ à 51 mm au-dessus de la surface de l’eau. Il dit y avoir adjoint une « petite gouttière » inclinée, contenant du sable sans solution de continuité avec celui du tuyau de plomb. Le dispositif se terminait par un morceau de papier dont une extrémité trempait dans le sable de la gouttière et dont l’autre pendait.
128L’objectif de cette expérience est clairement émis : l’eau du tuyau devait se déverser dans la gouttière pour être remplacée par une autre remontant par « capillarité » depuis le réservoir d’eau. Il fut déçu : « la chose n’alla pas ainsi, car quoi que le sable de la gouttière se mouillait, et le papier gris aussi, jamais il ne tomba une seule goutte d’eau dans cette gouttière… » Le sable de la gouttière était mouillé, le papier aussi, mais rien ne coulait ! Le tuyau de plomb, lui-même, extrait du vase, fut pendu au-dessus d’un récipient dont ne sort aucun écoulement. On sait aujourd’hui que la tension superficielle des grains de sables (et des fibres du papier) contrebalance les effets de la pesanteur (document 4).
Document 4. – Expériences du tuyau de plomb.

129Pierre Perrault poussa plus loin son expérience. Il versa de l’eau dans le sable, par la partie supérieure du tuyau. Or, il constata que seulement 75 % de ce qu’il avait versé se retrouva dans le récipient placé sous le tube. On sait que la tension superficielle retient une quantité d’eau limitée (ici 25 % de son apport) et que le reste traverse le sable. Vingt-quatre heures plus tard, il a extrait le sable du tuyau, pour constater que la base était plus « saturée » en eau que le sommet.
130Perrault poussa plus avant son expérience en utilisant des matériaux différents. D’abord « avec du sable non tassé ayant ses pierres grosses et menues », il constata que l’eau ne montait que de 25 mm dans le tuyau de plomb. Puis avec du « grès cassé et tassé » n’assurant qu’une élévation de 250 mm de l’eau dans le tube. Et encore avec de « la terre franche, sèche, grenue, non tassée, sans pierre » et l’eau monta de 457 mm dans le tuyau de plomb. Les mêmes expériences (retrait du tube de l’eau et suspension pendant 24 heures) donnèrent des résultats semblables.
131Puis il reprit l’expérience « de la terre franche, sèche, tassée, que j’ai mise dans mon canal, en la battant un peu… ». Il utilisait une fiole contenant le volume d’eau équivalant à celui d’une balle de jeu de paume. La balle actuelle la plus proche est la pelote basque de 36 mm de diamètre, soit un volume de 195,4 cm3 ou 0,2 litres environ. Dans le même tube de plomb de 0,45 mm de diamètre et 610 mm de long, soit d’un volume de 3,9 litres, il introduisit « de la terre franche, sèche, tassée ». Il versa d’abord « trois fioles et demie », soit 683,9 mm3 ou 0,7 l et il ne se produisit rien : toute l’eau fut conservée par la terre. Un écoulement ne se réalisa qu’avec la « quatrième fiole » (195,4 cm3), dont le tube en évacua le 1/3, soit 65,1 cm3 ou 0,06 l. On en conclurait que sur un volume d’eau total de 749 cm3 ou 0,75 l, seulement 85,1 cm3 ou 8,7 % se seraient écoulés, la terre conservant le reste par la tension superficielle. Enfin il y versa une « cinquième fiole » dont la totalité s’écoula (195,4 cm3). Il en fut de même avec la « sixième fiole ».
132Bien qu’ignorant le mécanisme de la capillarité et de la percolation, il avait, empiriquement, démontré qu’un sol sec doit d’abord être humecté, puis saturé en eau avant d’être capable de restituer tant l’eau de pluie que celle de la fonte des neiges. C’est ce qui est appelé la « capacité au champ » qu’il évaluait ainsi à une hauteur de 45,7 mm dans son tuyau de plomb, soit un volume d’eau de 292 cm3 ou 0,3 litre. Il confirma le bien-fondé de son expérience, en attendant que son tuyau cesse d’écouler de l’eau, pour en rajouter une fiole (195,4 cm3), dont seulement les 3/4 (146,6 cm3) se sont écoulés, une nouvelle fois. L’expérience renouvelée avec de l’eau salée lui prouva que les volumes concernés restaient les mêmes (et que l’eau restait salée.)
133Dans un liquide quelconque, par exemple de l’eau, on enfonce deux tubes, l’un « A » de gros diamètre (3 cm par exemple), l’autre « B » de petit diamètre (3 mm). On constate que l’eau « monte » très faiblement dans le tube « A » (ce serait même à peine perceptible) et de manière appréciable dans le tube « B ». Dans le récipient, juste en dessous de la surface du liquide, la pression est égale à la pression atmosphérique. Mais, dans les deux tubes, le liquide forme un ménisque concave dans le tube à une hauteur « h » au-dessus de la surface dans le récipient. La pression dans le liquide juste en dessous du ménisque est donc plus basse.
134Cela tient à la tension superficielle à l’interface air/eau, cette courbure de la surface du ménisque donne lieu à une différence de pression. Le long de cette interface, l’énergie s’accroît, le système recherche la configuration de plus basse énergie, aussi modifie-t-il sa géométrie afin de réduire l’aire de cette interface. On appelle « tension superficielle » cette force qui maintient le système en équilibre.
135À l’intérieur d’un tube trempé dans un liquide, cette tension superficielle qui se mesure N/m (Newton par mètre) est d’autant plus élevée le tube est fin. Dans le cas d’un tube micrométrique, elle dépasse la pression atmosphérique et l’eau peut monter très eau : à la cime d’un d’arbre par les canaux capillaires du tronc (elle est aussi aspirée par la transpiration et la photosynthèse). Ces conduits de la taille d’un cheveu sont appelés capillaires pour cette raison.
136Dans le tube « A », la tension superficielle est faible, dans le tube « B » elle est plus élevée. Il faudra attendre 1717 pour que le principe de la capillarité soit modélisé par le Britannique James Jurin (document 4-E). Pour simplifier, l’angle « θ » est de 90 degrés, le liquide, de l’eau à une masse volumique de 1. La hauteur « h » de l’eau dans le tube est donc proportionnelle au double de la tension superficielle « g » et inversement proportionnelle à « g » la constante gravimétrique, et à « r » le rayon du tube. Plus le tube est fin, plus la tension superficielle est forte et plus la hauteur atteinte sera élevée.
137Les tubes « C » et « D » sont de mêmes diamètres que « A ». Mais on les a remplis l’un, « C » de sable grossier, et l’autre « D » de sablon très fin. La granulométrie du sable modifie la capillarité du tube, et la tension superficielle entre ses parois. Selon la loi de Jurin, l’eau montera plus haut dans le tube « D » que dans le tube « C ». En effet, les interstices entre les grains de sable sont plus fins dans le sablon et dans le sable grossier. La tension superficielle y est plus forte, et l’eau s’élève. C’est le principe des mèches alimentant les lampes à pétrole de nos aïeux.
138Pierre Perrault a su synthétiser les résultats de ces expériences. Laissons de côté la critique contre Magnanus, mais il retient que les corps spongieux ne restituent jamais toute l’eau qu’ils absorbent et que les sols ne se laissent pas traverser par toute l’eau qu’ils reçoivent. Il évoque une quantification empirique : « pour mouiller la terre et la rendre disposée à la pénétration, il faut de l’eau la troisième partie de la hauteur et épaisseur de la terre… ». Mais un sol saturé ne se laissera pas pénétrer par les pluies : « quand il cesse de couler de l’eau à travers la terre, la terre perd sa disposition à la pénétration, laquelle ne se peut réparer qu’avec perte de partie de l’eau qui y sera jetée de nouveau plus ou moins selon le temps de la cessation, ».
139On ne peut éluder les observations qu’il fit à la suite de ces expériences. Les caissons de bois, largement utilisés dans les parcs pour abriter des arbustes (relégués dans les orangeries en hiver) ne laissent jamais écouler d’eau, malgré des arrosages quotidiens (il touchait du doigt l’évapotranspiration). Le mortier de terre (c’est-à-dire sans utiliser de la chaux) est un exemple parfait de la rétention par la tension superficielle autour des fines particules argileuses. Les mares ne se vident pas pendant l’été, et il attribue la baisse de leur niveau au « hasle qui les consume » : il devinait le rôle de l’évaporation physique.
140Ces expériences et ses observations le conduisent à un long exposé qui, si l’on résume, admet qu’une partie des eaux de pluie s’infiltre, qu’une autre s’écoule à la surface du sol, et qu’une partie participe à ce qu’il nomme l’évaporation. Mais nous retiendrons aussi cette affirmation qui achève les conclusions de ces expériences : « Quand j’ai remarqué cette seconde difficulté sur l’opinion commune, cela a été dans le sens de ceux qui la suivent, qui ne conçoivent d’autre matière pour les sources que les eaux qui tombent sur les plaines hautes, parce que celles qui tombent sur les collines, selon eux, sont perdues pour les sources, par la raison qu’elles entrent dans les rivières et de là dans la mer avant qu’elles aient pu pénétrer la terre. Car moi qui conçois un autre moyen que cette pénétration, et qui fonde mon principe sur les rivières, tant s’en faut que les eaux qui y tombent fassent difficulté à mon système, qu’au contraire, c’est ce qui l’établit plus particulièrement… »
Infiltration et nappes souterraines
141Dans sa seconde partie, celle qu’il nomme Réflexions sur l’opinion commune, le premier principe qu’il conteste est la pénétration des eaux de pluies (et de fonte) à la manière dont l’évoquent les quatre penseurs retenus : « les eaux de la pluie peuvent être la cause des fontaines, qui ne sont autres que la pénétration de la terre par ces eaux-là : leur arrêt sur quelque fond de terre grasse et argileuse, pierre, ardoises ou minéral, comme dit Palissy, ou sur quelque autre fond solide et non spongieux, comme dit Vitruve… ». Non seulement cette « pénétration » ne le satisfait pas, mais il ne pensait pas qu’un apport pluvial et neigeux soit quantitativement possible.
142En effet, les expériences qu’il avait réalisées montraient que la porosité des corps spongieux (donc du sol et du sous-sol) avait ses limites. Il comprit le principe de la « saturation » d’un sol, et l’occurrence d’un ruissellement quand cette saturation est atteinte.
Pourtant, il doit reconnaître qu’« il ne me reste qu’à faire voir comment les eaux de la pluie et de la neige tombées dans les rivières, peuvent sortir par le haut des montagnes pour faire des sources… ».
Le rôle de l’infiltration et de la constitution d’une eau phréatique est donc abordé. Pour Perrault, ces nappes se constituent à l’intérieur de la terre (dans les montagnes et sous les plaines, selon son expression propre), quand « il y a des lits de glaise, de terres argileuses ». C’est ce que les hydrogéologues nomment couches aquicludes. À la surface de ces terrains, une nappe se constitue s’ils sont « creux en forme de bassins ou gouttières », mais l’eau s’écoulerait car ils sont « tantôt en pente et inclinés d’un côté ou d’un autre » ou « tantôt relevés en bosse et faisant pente des deux côtés ».
Au-dessus de cette couche imperméable, mais aussi entre deux couches, l’eau des pluies, infiltrée, séjourne dans « de la terre graveleuse entremêlée des cailloux et des pierres de toutes grosseurs, qu’on appelle tuf… ». Pour Perrault, ces couches graveleuses, aquitares selon une expression moderne, constituent ce « qu’on appelle cavernes, canaux et conduits souterrains » et l’eau infiltrée y circule jusqu’à ce qu’elle parvienne à une fontaine.
Il va plus loin : « dessous toutes les plaines basses où coulent les rivières, il n’y ait un lit de glaise continu ». Cette glaise conserve une nappe d’eau qui est atteinte par les puits.
143C’est une démarche extrêmement moderne, qui s’appuie, d’ailleurs, sur des observations faites par les puisatiers et les fontainiers. Nous avons jugé utile de rappeler le cheminement des eaux entre les nuages, le sol et le sous-sol.
144Contrairement à une idée largement diffusée dans les médias, les nuages ne sont pas constitués de vapeur d’eau mais de gouttelettes (ou de cristaux de glace) en suspension. Leur taille fait que leur poids est inférieur à l’énergie produite par l’air ascendant, mais leur coalescence conduit à des gouttes (ou des flocons de neige) plus pesants et la gravité joue alors son rôle. Dans le cas de figure a « Processus au cours des averses », la pluie parviendra toujours au sol. C’est alors que trois processus se succèdent :
Les gouttes atteignent la surface du sol pédologique, y pénètrent par infiltration au travers des interstices séparant les éléments plus ou moins fins (expérience du tuyau de plomb rempli de sable), le traversent et atteignent la surface de la roche-mère, ou couche géologique la plus proche.
Dans les bassins sédimentaires, la plupart des roches sont aquitares (sables, calcaires, grès, craies), c’est-à-dire perméables, et laissent passer l’eau par gravité. Mais les interstices sont étroits, car ces roches sont plus compactes, et, plus que d’une infiltration « rapide », il s’agit d’une « percolation » lente.
Il y aura toujours une couche inférieure aquiclude, soit imperméable (argile, marne, schiste) qui arrête la percolation. À ce stade, l’eau s’accumule au-dessus de cette couche imperméable et constitue une nappe souterraine, souvent appelée « nappe phréatique » car atteinte par les puits (phréas en grec).
Document 5. – Des précipitations à l’écoulement.

145Mais ces processus ne sont pas les seules
La surface de la nappe phréatique est en général ouverte, en contact avec l’air contenu dans les interstices de la roche perméable. Toutefois, ne pouvant traverser la couche aquiclude, cette nappe a tendance à s’étendre latéralement du fait de son propre poids. C’est ainsi qu’elle atteint le lit des cours d’eau (ou le fond des lacs) et participe à l’écoulement des rivières et des fleuves, où on le nomme écoulement souterrain.
Mais, l’interface entre le sol et le sous-sol a un comportement aquiclude du fait de la différence de granulométrie entre le sol et sa roche-mère. Une partie des eaux pluviales y circule dans le sens de la pente du versant, en direction du lit fluvial : c’est l’écoulement hypodermique.
Enfin, une partie, parfois importante des averses (surtout si elles sont violentes) ruisselle directement à la surface du sol, dans le sens de la pente et constitue le bref ruissellement superficiel direct.
146Nous reviendrons sur ces différents écoulements. Mais, au cours de l’averse et surtout entre deux averses (document 4b) un autre processus se déroule. Il s’agit de l’évaporation de cette eau et surtout de sa consommation par les plantes vertes, du fait de la fonction chlorophyllienne qui produit des hydrates de carbone par combinaison de l’eau et du dioxyde de carbone. Entre deux averses, l’eau des nappes phréatiques est trop profonde pour être atteinte par ce processus. C’est le rôle de l’eau du sol : absorbée par capillarité, jusqu’à ce que la tension superficielle à la surface des granules l’emporte. C’est pour cela que les sols grossiers se dessèchent plus vite que les sols limoneux.
147Dans ses expériences Pierre Perrault toucha ces mécanismes du doigt.
L’origine des sources
148Il faut parfois être triviale, et dire clairement que Pierre Perrault règle ses comptes avec Aristote, Sénèque, Vitruve, saint Thomas, Cardan, Dobrzenski, Wan-Helmont, Lydiat, du Hamel, Schottus, Descartes et Rohault, en rejetant définitivement la « condensation de l’air en eau dans les concavités de la terre », comme « l’existence d’un feu souterrain ». Il termine en disant qu’il rejette tous ceux qui « sont demeurés d’accord de cette élévation d’eau ou de vapeurs aqueuses au haut des montagnes ».
149Cependant, Perrault se fourvoya avec l’évaporation par le froid :
150Perrault explique par une « évaporation par le froid » un phénomène qui lui échappa. « Ce qui me fait reconnaître le froid pour une des causes de l’évaporation, est que j’ai observé qu’en hiver, la glace et la neige s’évaporent de même que l’eau en été… »
151Dans son expérience de 1669 c’est par sublimation que l’eau gelée perd du poids dans la balance où il la stocke, mais ce processus était inconnu de son temps, il est vrai. On lui pardonne cette erreur, mais moins le long développement qu’il en fait (quatre à cinq pages d’interprétations erronées). Ces raisonnements effectués sur l’humidité des caves de l’Observatoire sont irrecevables, comme les « expériences » qui suivent. Perrault a fort bien compris que l’eau changeait d’état : solide, liquide, gazeux. Il toucha du doigt la formation de la vapeur d’eau, mais il ne comprit pas que le changement d’état entre glace et eau et entre eau et vapeur (et inversement), était lié à un déséquilibre moléculaire seulement assuré par des échanges d’énergie.
Document 6. – Les trois états de l’eau.

152L’eau, qu’elle soit solide (glace), liquide ou gazeuse (vapeur) est formée de molécules (constituées d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène) plus ou moins libres les unes par rapport aux autres. Cette cohésion dépend de la pression et de la température :
Dans la glace, l’ajustement entre les molécules est parfaitement cohérent et celles-ci constituent un « briquetage » où les forces électromagnétiques centripètes l’emportent. C’est pour cette raison que la glace est solide.
Dans l’eau (liquide) cette cohésion est moins forte, la chaleur, plus élevée (entre 0oC et 100oC) réduit le poids des forces électromagnétiques, et les molécules se déplacent les unes par rapport aux autres. Toutefois, la cohésion reste suffisante pour que l’eau ait une surface par rapport à l’air. Une goutte dessine une sphère, forme idéale pour une cohésion maximale.
Dans la vapeur, les molécules sont devenues indépendantes du fait d’une température incompatible avec un état liquide et la pression du milieu : 100oC et plus pour une pression de 1 015 hPa. Dans l’atmosphère, à température constante, la hausse de la pression favorise l’évaporation, et son recul la condensation. Il en serait de même des variations de la température à pression constante. C’est par ces différents processus que la vapeur occupe tout l’espace à sa disposition et qu’elle n’a pas de surface avec l’air atmosphérique (en réalité, il existe des interfaces, les fronts entre des masses d’air d’humidité et de température différentes).
153Le passage d’un état à un autre se réalise selon les conditions météorologiques : pression et température. La vapeur se condense en se refroidissant. Et ceci, Pierre Perrault l’avait compris. Son développement sur la condensation prouve une grande vivacité d’esprit : « Cette vapeur, dis-je, cessant d’être agitée par le resserrement des pores, et par l’engourdissement que lui cause le froid qu’elle rencontre, se réduit en petites gouttes d’eau. En se joignant les unes aux autres et devenant ainsi plus grosses, elles descendent, à la fin, vers un lieu plus bas, où elles en trouvent d’autres avec qui elles se joignent encore, et coulent tant qu’elles rencontrent quelque lit de glaise qui les arrête ». Mais il l’envisage à l’intérieur des cavités des montagnes, au contact de la couche de glaise, ce qui détruit tout le bien-fondé de sa démonstration. Il se fourvoie encore, à démontrer l’indémontrable durant plusieurs pages.
154Néanmoins : « Voilà quelle est mon opinion de l’origine des fontaines (seconde partie p. 126) »… Pour abréger un Discours qui n’est déjà que trop long, Pierre Perrault, en deux pages, résume toute sa théorie de manière très moderne soit un cycle commençant par l’évaporation, se poursuivant par les pluies et la neige, l’infiltration et le ruissellement, la constitution de nappes souterraines (« Grands réservoirs d’eau d’eaux dont l’antiquité a fait mention sous le nom de lacs souterrains… »). Surtout, il affirme que l’écoulement est toujours inférieur à la quantité d’eau apportée par les précipitations.
La découverte du karst
155Il s’agit, cette fois, d’une nouveauté scientifique qu’il évoque afin de justifier l’existence d’un écoulement souterrain. Son premier exemple porte sur « les rivières de Drome et d’Aure » en Normandie. Elles se perdent toujours dans la « Fosse de Soucy » (Calvados), une perte karstique dans les calcaires jurassiques, et leurs eaux ressortent par une résurgence à Port en Bessin. Mais Pierre Perrault avait remarqué que l’eau qui jaillit, à marée basse, dans le port, est une eau douce. Le premier, il en conclut que la confluence des deux rivières traversait la colline qui les sépare de la mer par un conduit souterrain.
156Son second exemple est beaucoup mieux renseigné et décrit. Il s’agit des grottes d’Arcy-sur-Cure, en Bourgogne. Ici la Cure dessine de grands méandres incisés dans les calcaires du Jurassique moyen. Pierre Perrault eut l’occasion de visiter ces grottes en 1670.
« Pendant d’une voûte semi-cylindrique », il observa la présence de « congélations qui font des pointes ou cul-de-lampe de toutes grosseurs, et qui descendent en bas ». Il s’agit de stalactites dont la taille l’a surpris : « Ces colonnes ont plus de quinze pouces de diamètre et quinze ou vingt pieds de hauteur… ». Il décrit aussi : « cinq à six gros tuyaux de cinq à six pieds de haut et de huit à ou dix pouces de diamètre… ».
Surtout, il nota que ces tuyaux sont « creux par-dedans » et si on les casse, le tuyau « se trouve percée par le milieu d’un bout à l’autre, et l’on remarque que la matière s’est mise en rond à l’entour de ce vide par les différents cercles ». Il nota alors que de l’eau circulait dans ce vide et qu’une goutte d’eau tombait du cône issu du plafond (la stalactite), en direction d’un réceptacle en forme de coupe au sommet d’une colonne partant du plancher (la stalagmite).
Il nota aussi que cette grotte recoupait le méandre et aurait pu accueillir l’eau de la rivière Cure, qui pourrait passer entièrement par ces grottes et ressortir de l’autre côté du massif. On lui aurait assuré qu’en temps de crue, l’eau pouvait emprunter ce chemin.
Il n’en tira pas de conclusion, si ce n’est qu’il pouvait exister des conduites souterraines, d’une part, et que la Cure avait peut-être abandonné cette voie, d’autre part. Mais il ne se risqua pas à donner une explication. Toutefois, il rappelle avoir connu, ou eu relation, d’un phénomène identique dans une grotte de « l’île de l’Archipel nommé Antiparos » dans les Cyclades.
157Son troisième exemple a été choisi près de Meaux en Seine et Marne.
Il décrit « une grosse roche, de laquelle sort un ruisseau d’eau fort claire et extrêmement fraîche ». Mais cette « fontaine » ne datait que 1618 ou 1619.
Cette pierre calcaire assez dure fut alors extraite pour la construction du Monastère de Prez de Crégy. L’explosion d’un fourneau de mine favorisa l’émergence d’une fontaine abondante accompagnée de « pierres congelées » (galets karstiques).
L’abondance de ces « pierres congelées » aurait fini par tarir l’écoulement.
158Perrault essaya d’en tirer des conclusions sur l’origine des sources. Il reconnaît qu’il doit exister des « canaux dans la terre capables de recevoir des eaux et de les conduire, sans qu’on s’en aperçoive, en des lieux éloignés… ». Il nota aussi que du fait qu’après un mois de pluies à Arcy en 1671, les « congélations creuses » n’évacuaient que quelques filets d’eau. Il en avait conclu que l’infiltration des pluies restait malaisée : « le peu d’eau qui tombe de la voûte fait bien voir la difficulté qu’elle a pour la pénétrer et qu’il n’en tombe guère en beaucoup de temps, ce qui ne serait pas capable de faire une source… ».
159De ce qui précède, il conclut que les véritables fontaines (en l’occurrence des résurgences) sont rares : « il reste si peu de véritables fontaines, il est aisé de croire que celles qui méritent ce nom peuvent être causées par des vapeurs réduites en eau ». Mais il ne s’agit pas d’une condensation de l’air en eau dans les concavités, mais de l’origine pluviale des eaux souterraines (qu’il juge peut-être un peu trop parcimonieuse). Il en donne l’origine aux « nuées » ou nuages issus de l’évaporation et générateurs de pluies et de neiges.
Le soutien hydrologique des rivières
160Sur cette question, rappelons qu’il écrivait : « Il faut encore concevoir que les plaines basses ne sont faites que pour recevoir les eaux des pluies et faciliter leur cours vers la mer, et c’est ce qu’on appelle rivières et Fleuves, et que le lieu bas, où sont situées ces rivières, n’est qu’afin que toutes les eaux qui descendent des montagnes s’y viennent rendre. »
161Perrault avait remarqué que tous les orages n’engendraient pas forcément une crue, l’eau devait donc venir d’ailleurs. Il constata que durant les hautes eaux, les rivières écoulaient une eau turbide, laquelle, selon lui, ne pouvait provenir que de pluies chues sur les reliefs (montagnes) et de la fonte des neiges. Il décrit alors l’écoulement torrentiel : « après les longues pluies et les grands dégels »… « quand la terre se trouvant gelée sous la neige, lorsqu’elle se fond, ne peut pas en boire les eaux »… « Les eaux qui tombent dessus ne sont ni évaporées, ni bues par la terre »… « elles coulent dans les rivières qui sont toujours dans les lieux les plus bas des vallées… ».
162Puis il pressentit la notion de réseau hydrographique « en quelques endroits de la Bourgogne et de la Champagne, et autres pays montueux, l’on voit qu’aux lieux bas où ces collines se joignent et s’assemblent, il y a toujours des ruisseaux qui coulent plus ou moins selon que les pluies ont été grandes ou modiques, et qui se fortifient toujours en coulant ». Bref, l’eau de ruissellement sur le versant des collines se concentre en divers chenaux qui se combinent en un réseau.
163Il pressentit aussi la notion d’écoulement souterrain et hypodermique : « Ces eaux étant entrées dans la terre de dessus, et ne pouvant entrer dedans à plomb »… « Elles coulent entre deux terres en se poussant ou s’attirant l’une l’autre jusqu’en bas, ou trouvant quelque limon ou terre graveleuse, faisant les ruisseaux que je dis qu’ils coulent longtemps, parce que ces eaux ainsi mêlées dans les terres sont longtemps à les quitter et à descendre… ».
164Mais l’aboutissement est la concentration dans le lit d’une rivière : « Ce chemin est plus ou moins creux, plus ou moins large, selon la qualité du terrain, la quantité d’eau et la vitesse avec laquelle elle coule, et ces eaux sont pareillement plus ou moins copieuses et abondantes, selon que les plaines et les collines d’alentour se sont trouvées plus ou moins spacieuses, et ces eaux ainsi coulantes est ce qu’on appelle rivière ou Fleuve… »
165Bref, Perrault combat l’idée commune, en démontrant que les cours d’eau n’ont d’autre origine que celle des précipitations : pluies et neiges. Mais aussi, il cherchait à prouver que le ruissellement n’est pas le seul moyen de transfert des pluies vers les cours d’eau. Son commentaire prend plusieurs pages, car il lui fallait trouver une preuve que de l’eau existe en permanence dans le sous-sol, avec une communication avec le lit des rivières.
« Il n’y a point de plaine basse (lit mineur des fleuves et des rivières) où l’on ne trouve de la glaise, du sable et de l’eau : car on y fait des puits partout. Il y en a même dans les déserts de l’Arabie où les caravanes se rafraîchissent… »
« Il n’y a point de plaine où l’on ne puisse faire des puits, et s’il arrive que ceux qui en veulent faire sur celle de quelque montagne n’en ont point rencontré dans leur fouille, ils n’ont qu’à creuser profondément… ».
« À Paris, l’eau vient dans les caves quand la rivière se hausse assez pour cela. L’on remarque aussi qu’elle y vient en une nuit, et qu’elle est deux ou trois mois à s’en retourner… » Il évoque là des observations qu’il effectua dans les caves de l’Observatoire royal au mois de janvier 1671. Mais il avait constaté que durant la crue de 1658, les maisons avaient été endommagées par l’infiltration (et non par la crue), et que cela se renouvela aux Tuileries en 1670.
Les rivières à l’origine de certaines fontaines
166C’est la conclusion que les pluies sont largement capables de soutenir l’écoulement. Mais comment expliquer l’abondance de certaines fontaines ? Perrault, toujours fervent pratiquant de l’explication expérimentale, a choisi le cas du Loiret. Il le décrit comme « une fontaine près de la ville d’Orléans qui fait à sa source un grand bassin, comme ferait une mare, dont le fond est très profond… ».
167Cet affluent rive gauche de la Loire provient, en effet, d’une résurgence de pertes de la Loire, dans le karst, aux environs de Jargeau. Cette eau réapparaît dans le « Bouillon », une source vauclusienne, aujourd’hui aménagée, dans le parc d’Orléans-la-Source. Il en sort une rivière de moins de 12 km de long, mais navigable à partir de la source. En effet, le débit moyen est de 0,5 m3/s à la source et de 2 m3/s à la confluence avec la Loire, du fait de l’apport de petits affluents issus de la Sologne. Le débit peut s’enfler, et en mars 2017 on mesura 5 m3/s à la source et 10 m3/s à l’embouchure.
168On ne sait si Pierre Perrault avait connaissance de la résurgence de La Loue, dans le Jura, dont on sait qu’elle résulte d’une perte du Doubs. Avait-il connaissance de la fontaine du Vaucluse ? et de la Touvre (à l’est d’Angoulême) une résurgence de pertes importantes de la Tardoire et du Bandiat dans le karst ? Avec réalisme, il fait de ces « sources » des fontaines alimentées par les rivières (bien qu’il n’en ait pas reconnu le fonctionnement). Toutefois, il connaissait les « cascades de Tivoli » près de Rome, qu’il associe à la résurgence de Port en Bessin. En fait ces descriptions sont aussi, pour lui, des preuves de « qu’il sort du haut des montagnes des sources assez abondantes pour faire des ruisseaux capables de porter des bateaux, je ne crois pas qu’il y en ait… ».
169Il faut analyser ces affirmations avec une « tête d’honnête homme » du xviie siècle. Pour Pierre Perrault, l’origine pluviale des cours d’eau est incontestable. L’eau qui tombe sur les montagnes ne peut engendrer que des « torrents à écoulement temporaire ». Nous avons déjà signalé qu’il avait pressenti l’organisation de l’écoulement fluvial en réseau hydrographique. Il réalisait progressivement que les rivières naissaient de la confluence de ces « torrents de montagnes » issus du ruissellement, mais qu’elles provenaient aussi d’une eau infiltrée vers des nappes, reconnaissables par le creusement de puits. Cette eau apparaît quand la couche aquiclude tranche un versant, engendrant une source, dont il remarquait la modestie du débit (voir document 5). Quant aux fontaines, c’est-à-dire des « résurgences » au débit abondant (Port en Bessin, Tivoli, Source du Loiret, et bien d’autres), on sait qu’il s’agit de processus karstiques.
170Pierre Perrault ignorait ces mécanismes, mais il reconnaissait que « ce sont les rivières qui sont la cause des fontaines, et que s’il n’y avait point de rivières, il n’y aurait point de fontaines ». Les rivières, quant à elles, proviennent de la condensation des vapeurs atmosphériques, assurant une pluviogenèse largement capable de soutenir leur écoulement (voir son bilan de la Seine à Aignay-le-Duc).
171En bref, Pierre Perrault proposait de ne pas confondre les sources, ou émergences de nappes phréatiques le long d’un versant, avec les fontaines, issues d’une perte dans le lit d’une rivière, et qui réapparaissent après un parcours souterrain.
Le premier bilan hydrique d’un cours d’eau
172Nous estimons que c’est seulement après la critique de ses hypothèses, qu’il faut présenter ce qui fut le premier bilan hydrologique d’un fleuve qui n’ait jamais été mesuré. C’est dès le début de sa recherche que Pierre Perrault commença à envisager de calculer le volume d’eau chu sur l’espace drainé par un cours d’eau. Il envisagea la procédure en utilisant les méthodes des fontainiers de son temps.
Comment mesurer l’écoulement et les précipitations ?
173En effet, connaître l’écoulement d’une source, ou d’une fontaine, était depuis longtemps primordial pour les fontainiers chargés d’aménager l’alimentation des villes, des maisons et des parcs (par exemple Versailles).
La mesure de l’écoulement des fontaines avait été établie empiriquement
174Les fontainiers utilisaient le « pouce d’eau » : une paroi artificielle verticale était aménagée au débouché de la fontaine, il se formait un plan d’eau. Un orifice d’un pouce de diamètre ou 2,54 cm (soit une ouverture de 20,27 cm2). On mesurait alors la quantité d’eau qui passait en 24 heures.
En Île-de-France, les fontainiers du xviie siècle avaient, par expérience, estimé que le débit des fontaines variait entre 140 muids par jour, ou 38,4 m3/jr, et 70 muids par jour, ou 19,2 m3/jr.
De son côté, en analysant différentes mesures effectuées et collectées, Pierre Perrault arrivait à une moyenne de 83 muids par jour, ou 22,8 m3/jr. Cette approximation faite, il supposait qu’un débit d’1 pouce/jour pendant un an équivalait à la vidange d’un réservoir de 30 378 muids ou 8 330,2 m3.
175Il pouvait ainsi mesurer approximativement la quantité d’eau débitée par un cours d’eau en utilisant cette méthode de fontainiers.
Les relevés pluviométriques
176Il nous faut supposer qu’il construisit une sorte de pluviomètre qu’il ne décrit pas. Il effectua cependant plusieurs séries de mesures. Comme unité, Pierre Perrault utilisa le « pied-du-roi » soit 2,722 cm pour 1 pouce et 2,268 cm pour 1 ligne. Il trouva de 18 pouces 7 lignes (648,7 mm) de pluies entre octobre 1668 et octobre 1669. La valeur fut plus faible entre en octobre 1670 et octobre 1671 : 11 pouces 6 lignes (458,5 mm). Enfin de janvier 1673 à janvier 1674 la mesure donnait 27 pouces 6 lignes ou (893,7164 mm). Ce que nous aimons nommer un calcul de coin de table lui donnait une hauteur moyenne de 19 pouces 2 lignes 1/3 (562,5 mm)
177D’après des sources que nous avons pu consulter, entre 1770 et 2020 les précipitations annuelles du Bourget auraient été de 632 mm en moyenne. À la station du Parc Montsouris à Paris, on trouve 631 mm. Les valeurs relevées sont cohérentes en comparaison des mesures récentes.
Le bilan hydrique de la Seine à Aignay-le-Duc
178Pierre Perrault avait retenu un bassin étroit dont le débit pouvait être mesuré à l’aide du « pouce d’eau des fontainiers » et l’apport des précipitations estimé au moyen d’un nombre réduit de pluviomètres. Il avait retenu celui de la Seine entre sa source, sur le plateau de Langres, à une altitude de 446 m, et « Aynay-le-Duc » (aujourd’hui Aignay-le-Duc) une commune du canton de Châtillon-sur-Seine, en Côte d’Or, où le fond de la vallée n’est qu’à 310 m. La dénivellation maximale n’était que de 136 m, et l’arpentage du bassin-versant, situé en amont de village, avait été estimé à 31 245 140 toises au carré, soit 121,8 km2.
Définition moderne du bilan hydrique
179C’est une simple définition comptable adaptée aux différents flux de l’eau (sous sa forme solide, liquide et gazeuse) sur un espace donné, lequel, pour Pierre Perrault, concerne le bassin de la Seine en amont d’Aignay-le-Duc.
On distingue donc un actif constitué par les précipitations que nous nommerons « P ». Aujourd’hui, on l’exprime par la hauteur d’eau mesurée quotidiennement dans un pluviomètre, puis cumulée sur un mois ou une année, selon le pas de temps retenu. Au-delà d’une année, on établit une moyenne annuelle calculée sur une longue période, par exemple une « normale » de 30 années.
Le passif est différent, car seule une partie des précipitations gagne les chenaux du réseau hydrographique. Certes, les précipitations engendrent et entretiennent un écoulement généralement désigné par la lettre « Q ».
180Comment mesurer et exprimer le débit Q ? En un point situé à l’aval du bassin choisi et de son réseau hydrographique, on installe une « station de jaugeage » sur un site où il est aisé de mesurer la « vitesse du courant “V” et l’aire de la section mouillée “S” ».
Document 7. – Principe de la mesure du débit d’un cours d’eau.

181Les calculs se font en conservant une même unité pour les mesures réalisées.
La vitesse V est mesurée avec un « moulinet », une hélice qui tourne dans le courant et se trouve reliée à un tachymètre. Cette vitesse est ordinairement exprimée en m/s. Notons ici que Pierre Perrault a pu effectuer ce type de mesure à l’aide d’un flotteur dont on mesure le temps de parcours entre deux points assez éloignés, mais sur un secteur où la section mouillée reste constante.
On désigne, par « section mouillée », l’aire de la figure verticale limitée par les berges, le fond et la surface de l’eau. En un lieu quelconque, cette figure est complexe, mais, entre les piles d’un pont, ou sur un site aménagé à cet effet, elle se résume à une figure géométrique simple : triangle équilatéral, trapèze régulier et, dans le meilleur des cas, un rectangle dont la surface varie avec la hauteur de l’eau entre les piles. Cette mesure peut être effectuée à la main, mais le plus sûr est d’installer une échelle limnométrique graduée et fixe.
Le débit Q n’est que le produit entre cette section mouillée S, exprimée en m2, la vitesse V en m/s.
182On calcule ainsi la quantité d’eau écoulée en une seconde, soit le débit Q en m3/s. Par la suite on en calcule la moyenne journalière, la moyenne mensuelle et la moyenne annuelle. C’est hors de notre propos, mais il est également facile d’exprimer ces moyennes en lames d’eau écoulée, soit en mm, du moment que l’aire du bassin situé en amont du jaugeage soit connue.
183Mais une autre partie des eaux de pluies subit une évaporation physique E à la surface du sol, et même à la surface des fleuves et des rivières. Toutefois, la part la plus importante est consommée par les végétaux dans la carde de la photosynthèse :
Nous avons déjà évoqué que les plantes vertes fabriquent des « hydrates de carbone » à partir de l’eau puisée dans le sol par leur racine, et du dioxyde de carbone de l’air, par l’intermédiaire du rayonnement solaire.
Les forêts, les prairies et les surfaces cultivées en produisent des masses considérables : amidon, glucose, saccharose, lignine du bois. À l’échelle planétaire, on estime que près de 80 % des précipitations sont ainsi consommées.
184Seulement, il n’existe pas de procédures fiables pour, d’une part mesurer la quantité d’eau participant à la photosynthèse, et, d’autre part, séparer cette consommation physiologique de la simple évaporation physique liée à l’élévation des températures et/ou de la pression atmosphérique. Aussi se contente-t-on de définir une évapotranspiration réelle ou Etr difficile à mesurer, et calculée par la différence entre l’apport pluviométrique P et l’écoulement Q (exprimés dans la même unité)…

185C’est le bilan hydrique, où le passif équilibre l’actif. Nous avons insisté sur les modalités de ce bilan, surtout pour mettre en évidence les difficultés auxquelles fut confronté Pierre Perrault
186On calcule aussi le quotient d’écoulement, une valeur adimensionnelle indépendante de l’aire du bassin-versant, ou Q/P/%. En milieu océanisé comme celui du bassin de la Seine, ce déficit peut être élevé.
Document 8. – Le bassin-versant de la Seine à Aignay-le-Duc.

Mesures et calculs effectués par Pierre Perrault
187Pierre Perrault n’explique pas clairement les procédures qu’il utilisa. Pour mesurer la quantité d’eau chue, nous avons déjà évoqué qu’il a pu construire un pluviomètre rudimentaire : un bassin muni d’une règle graduée. Quant au débit, il pouvait utiliser une planche percée d’un trou d’un diamètre d’un pouce (pouce du fontainier), encastrée dans la chaussée d’un moulin. Mais, nous sommes allés à Aignay-le-Duc, les dimensions du lit mineur nous sont apparues trop élevées pour utiliser ce type d’instrument. Nous pensons pouvoir supposer qu’il a pu mesurer le temps mis par un flotteur entre deux points d’un chenal, et, après en avoir estimé la section mouillée (entre les piles d’un pont, ou sur le radier d’un moulin à eau), en extrapoler le débit.
Les précipitations P : Pierre Perrault a retenu une hauteur de 19 pouces 2 lignes 1/3 ou 562,5 mm. Sur cet espace de 121,8 km2, cette hauteur constitue un apport pluvial de P = 68 508 875 m3.
L’écoulement Q : Perrault souligne la difficulté qu’il eut à « estimer » le débit. Toutefois, il retint la valeur de 1 200 pouces d’eau en 24 heures. Or, les fontainiers estimaient, selon lui, « qu’1 pouce d’eau équivalait à 83 muids » ou 22 760 litres ou 22,76 m3. En une journée, il s’écoulait donc 1 200 × 83 = 99 600 muids d’eau, soit 27 312 m3. L’écoulement total annuel aurait donc été de 36 453 600 muids soit un volume annuel écoulé de Q = 9 996 233 m3.
Le déficit d’écoulement P-Q aurait été de 58 512 642 m3, avec un quotient d’écoulement Q/P évalué à 15 % seulement.
188Compte tenu des moyens matériels dont Pierre Perrault disposait au xviie siècle, les valeurs qu’il calcula sont recevables (malgré une sous-estimation du débit). Le bilan peut alors s’écrire…

189Pierre Perrault fut le premier à comprendre (et à quantifier) le bilan hydrique d’un cours d’eau. Il décrivait la notion d’exoréisme : il avait compris le rôle des précipitations P. Il avait reconnu que l’écoulement Q était largement inférieur au total des précipitations chues, et inconsciemment admis qu’une large part des pluies retournait à l’atmosphère par évaporation.
Document 9. – L’exoréisme généralisé.

190Il modélisa ainsi ce que les hydrologues et les climatologues appellent l’exoréisme généralisé, cas général du cycle de l’eau. Quand la totalité des pluies est tombée sur le sol cet ensemble se sépare en deux parties :
D’une part, l’évapotranspiration ou Etr qui ramène assez vite la plus grande partie des eaux vers l’atmosphère sous la forme de vapeur.
D’autre part, l’écoulement Q qui gagne les chenaux du réseau hydrographique pour atteindre l’océan, siège d’une forte évaporation physique qui « recharge l’atmosphère ».
191On sait aujourd’hui que ce cycle global relève des plusieurs processus :
Une part des précipitations constitue les réserves capillaires du sol ou Rc destinées à être consommées par les végétaux (et une évaporation physique) et à alimenter le « flux » de l’évapotranspiration. Cette eau est très difficile à extraire. Ce que les racines (aux filaments eux-mêmes capillaires) parviennent à effectuer naturellement demande d’usage d’une centrifugeuse à grande vitesse de rotation, en laboratoire.
Une autre partie des pluies ruisselle directement sur le sol ou Ed, il s’agit de l’écoulement superficiel direct générateur de crues si la masse d’eau concernée est élevée. Le rôle de la situation de surface est fondamental : la végétation réduit le ruissellement, mais le défrichement l’accentue, le « bétonnage » ou imperméabilisation du sol, accentue ce ruissellement. Mais l’abondance pluviométrique des averses (300 mm de pluies en quelques heures à Vaison-la-Romaine en 1992 un mois de pluies en 24 heures à Catane en octobre 2021) est capable, à elle toute seule, d’engendrer un ruissellement exceptionnel.
Nous avons évoqué (document 5) que l’eau infiltrée dans le sol y occupe les interstices non capillaires et constitue la réserve hypodermique plus lente à s’écouler vers le réseau hydrographique sous la forme d’un écoulement hypodermique ou Eh (le ressuyage des sols des agronomes).
Enfin, une part plus faible (elle dépend de la porosité du sous-sol) remplit les réserves souterraines (nappes phréatiques) ou Rst (volumineuses dans les bassins sédimentaires). Leur écoulement est lent, mais assez régulier, c’est l’écoulement souterrain ou Est qui alimente les sources en permanence.
192Certes, Pierre Perrault n’est pas toujours clair dans ses démonstrations (et le Français du xviie siècle n’est pas simple à interpréter), mais nous pensons qu’il avait compris qu’une part des pluies s’infiltrait vers des nappes, pour ensuite s’échapper vers les sources. Enfin, Perrault avait aussi compris que c’était la variation de la part saisonnière de cette eau qui assurait les variations également saisonnières de l’écoulement. Il avait aussi reconnu que le solde était constitué par l’évapotranspiration Etr ou consommation du couvert végétal, qui accaparait une part des pluies sous la forme d’une réserve capillaire Rc, reconduite en vapeur d’eau vers l’atmosphère.
Toutefois, il faut souligner quelques erreurs pardonnables
193Dans cette partie amont de son bassin, la Seine est jaugée à Quemigny-sur-Seine (Côte d’or), à une dizaine de kilomètres en amont d’Aignay-le-Duc. Or, l’aire du drainage est de 188 km². Les mesures y sont effectuées depuis 2004, sur ces 17 années, le débit moyen est estimé à 2,87 m3/s, ce qui constitue une lame d’eau écoulée de 483 mm, sur un bassin de 188 km², soit un volume de 90 804 000 m3 d’eau. La valeur estimée par Pierre Perrault, 9 996 233 m3, est dix fois inférieure à la réalité (sur des superficies voisines). Quant aux précipitations, la station de Châtillon-sur-Seine, plus en aval, enregistra une moyenne de 744 mm de pluies annuelles sur les trente dernières années. Si on retient cette valeur, le volume chu en amont de Quemigny-sur-Seine serait donc de 139 872 000 m3.
194Les valeurs s’inversent par rapport au calcul de Pierre Perrault, le quotient d’écoulement est en réalité de 65 %. Perrault avait fortement sous-évalué la part de l’eau écoulée. Mais cela ne contrarie en rien, d’une part l’innovation de sa pensée, et d’autre part le bien-fondé de sa démarche. Aussi était-il en droit d’écrire : « Si donc ces eaux peuvent suffire pour l’écoulement d’une rivière, elles pourront suffire pour toutes les autres rivières du monde à proportion… » et expliquer ensuite qu’« Il y a donc quelque apparence de dire, que les eaux des pluies et des neiges sont suffisantes pour faire couler toutes les rivières du monde… ».
195Il semble avoir aussi compris le rôle des fleuves allogènes. À son époque, on connaissait, bien entendu, l’existence des hautes eaux saisonnières du Nil et de leur rôle dans l’agriculture égyptienne. Perrault effectua sa propre critique concernant le fonctionnement de ce principe dans les « pays où il ne pleut que rarement, et d’autres où il ne pleut point du tout, et qu’il ne laisse pas d’y avoir des fleuves assez grands, ce qui est véritable… ». Il cite alors le « Nil qui coule en Égypte où il ne pleut point », dont les eaux viendraient implicitement de la « zone torride »… « où il pleut deux fois l’année abondamment et peut-être plus que l’est la France »… et… « de quelques hautes montagnes d’où ils viennent, les neiges qui tombent sur ces montagnes en abondance, et qui s’y fondent après, peuvent tant qu’elles durent causer leur cours avec abondance en hiver, et quand elles cessent les abandonner à la sècheresse de l’été »… « Ces grands fleuves font une espèce de commerce de leurs eaux pour en arroser des Provinces à qui le ciel n’en donne pas ordinairement… ».
196Pierre Perrault avait encore vu juste. Le document 10 résume le fonctionnement hydrologique du Nil, un fleuve né dans les montagnes tropicales d’Afrique orientale, mais qui doit traverser le Sahara pour atteindre la Méditerranée. Les résultats sont exprimés en donnant la valeur 100 aux précipitations sur l’ensemble du bassin-versant (dont le Sahara). Dans le Delta, l’écoulement serait de 283 en base 100 (près de trois fois les précipitations).
Document 10. – Le bilan endoréique exogène du Nil.

197Sur ce bassin dont l’essentiel est aride et chaud, on estime que les réserves capillaires Rc, les réserves hypodermiques (dans le sol) Rh se tarissent après chaque averse. En effet, les températures et l’aridité de l’air sont telles que l’évapotranspiration serait de 264 en base 100 si on se trouvait au-dessus d’une réserve inépuisable, l’océan par exemple. Quant aux réserves souterraines Rst, elles sont inaccessibles et pour la plupart fossiles (héritage d’une période plus humide).
198Néanmoins, il existe un écoulement Q estimé à 22 % des précipitations, constitué essentiellement d’un ruissellement Ed et d’un écoulement hypodermique Eh, qui ne se produisent que par temps de pluies : 2 mm/an à Wadi Halfa. On estime aussi, que la charge alluviale des oueds peut connaître un in « inféroflux » ou écoulement interne aux alluvions.
199Mais le Nil est alimenté par les fortes précipitations estivales sur les reliefs situés en amont, au Kenya, en Tanzanie et en Ouganda. Cette abondance est, depuis toujours, pondérée par l’immense Lac Victoria. Certes, le Nil avait des crues en hiver, ce qui faisait de l’Égypte un don du Nil, mais il ne connaissait jamais l’assec au cours de l’étiage.
200Pierre Perrault l’avait bien compris.
Bilan sur l’opinion de Pierre Perrault
201Retenons cette maxime…
« L’ignorance admire tout et se fait un prodige de la moindre chose extraordinaire qu’elle voit… ».
202Comme exemple, il en revient à Aristote, dont il ne nie pas les qualités de philosophe, mais dont il révèle la crédulité lorsque ce « savant » affirmait que : « l’origine des fontaines vient du changement d’air en eau, ou des vapeurs humides de la terre condensées et réduites en eau, à cause que les plus grands fleuves, dit-il, prennent leur naissance au pied des plus grandes montagnes dans les concavités qui doivent y être très grandes, et où il se doit faire un plus grand changement que dans les petites… ». Le dire et, l’écrire, était selon Perrault, croire que la taille d’un fleuve, petit ou grand, dépendrait du débit de sa source. C’est un argument irrecevable et « les fleuves ne deviennent grands que par les eaux des ruisseaux et des rivières qui y entrent, et que quelquefois une rivière entre dans une autre où elles perdent son nom, quoiqu’elle soit plus grande que celle qui la reçoit ».
203Dans le même esprit, il faut rejeter les opinions « de Lydiat, de Descartes, de du Hamel et d’autres » lesquels soutenaient que les eaux de la mer remontaient au sommet des montagnes à la suite d’un cheminement aussi invraisemblable qu’indémontrable.
204La seule hypothèse recevable (et issue du calcul et de l’expérience à Aignay-le-Duc) est :
L’origine pluviale des écoulements (donc des fontaines) : « que la pénétration de la terre par les eaux de la pluie ne se peut faire tant par la manière dont j’ai fait voir qu’elle se doit faire, s’il s’en fait quelqu’une, que par les expériences et les réflexions que j’ai faites sur Magnanus ».
La présence de réservoirs souterrains alimentés par les précipitations : « s’il (l’écoulement) ne tarit pas, ce sera à cause qu’il se sera mis beaucoup d’eau en réserve autour de lui, dans le tuf, qui sera d’une grande étendue et en forme de bassin comme dans une citerne »… « Mais si l’eau de puits avait un écoulement continuel ; comme l’eau qui l’a produit, il ne durerait pas plus longtemps qu’elle (la pluie), et cet écoulement qu’on voudrait appeler une source, aurait autant d’intermissions qu’il arriverait de cessation et de renouvellement des pluies… ».
L’abondance de sources tout au long du lit des cours d’eau, ou plus exactement l’absence de solution de continuité entre les nappes phréatiques et les eaux des rivières : « Ces eaux retenues en réserve dans ces sables, entrent dans les rivières par plusieurs endroits, les uns plus hauts, les autres plus bas, successivement les uns aux autres toujours en descendant de plus en plus bas »… « De sorte que l’on pourrait dire que si une rivière était une source, elle aurait des ouvertures pour le printemps, d’autres pour l’été, d’autres pour l’automne, et d’autres pour l’hiver, les unes plus basses, les autres plus hautes… ».
205Pierre Perrault a cependant eu du mal à se séparer de croyances ancestrales, comme celle d’une condensation des vapeurs dans le sous-sol, à l’image de ce qui se passe dans l’atmosphère : vapeur → gouttelettes → pluies → écoulement. Même s’il s’appuie sur l’abondance des écoulements en hiver, avec pénétration des pluies, ce principe restait ancré dans sa réflexion.
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