Qu’est-ce que l’hydrologie isotopique ?

L’eau douce représente environ 3?% des ressources en eau de la Terre. C’est l’eau que nous buvons, dans laquelle nous nous baignons et avec laquelle nous irriguons nos exploitations agricoles.

Outre l’eau que l’on aper?oit dans les lacs et les cours d’eau ou sous forme gelée dans les glaciers et les calottes glaciaires, la majeure partie de l’eau douce se cache dans des aquifères souterrains, à l’abri de notre regard.

En Afrique, une forte pression pèse sur les ressources en eau : elle s’explique par l’augmentation de la demande en eau, par la dégradation de la qualité de l’eau et par les changements climatiques.

Pourtant, même dans le Sahel, région frappée par la sécheresse après des décennies de faibles précipitations, il reste un filet d’espoir qui coule sous la surface. Le sous-sol recèle en effet de vastes réserves d’eau encore inexploitées, qui apparaissent comme une véritable bouée de sauvetage pour les générations futures.

C’est ici que l’hydrologie isotopique, une forme de science nucléaire, entre en jeu pour révéler l’histoire de l’eau et nous aider à comprendre les liens qui existent entre ces ressources.

Grace à l’empreinte isotopique, les scientifiques peuvent déterminer l’origine, l’age, la qualité et le taux de renouvellement des ressources hydriques.?

L’accès régulier à de l’eau potable est indispensable pour répondre aux besoins d’une population croissante et préserver la santé humaine. L’eau douce est également essentielle pour la production durable de denrées alimentaires et d’énergie, pour les activités industrielles et pour la protection de l’environnement.

Avec l’augmentation des besoins en eau due à la croissance démographique et les incertitudes que les changements climatiques et l’exploitation des terres font peser sur les ressources en eau, comment garantir un approvisionnement s?r et suffisant en eau salubre pour la consommation, la production vivrière et l’hygiène?? Dans une région semi-aride telle que le Sahel, des outils scientifiques permettant d’en savoir plus sur les ressources en eaux souterraines pourraient s’avérer déterminants pour assurer l’accès à une eau salubre à long terme.

Protéger les ressources hydriques est un objectif important pour tous les pays, en particulier à l’heure où les effets des changements climatiques se font de plus en plus sentir.?

??L’hydrologie isotopique est un outil très utile pour aider les pays à relever ce défi, car elle nous donne une empreinte de la molécule d’eau??, explique Jodie Miller, cheffe de la Section de l’hydrologie isotopique à l’AIEA.?

??Et, une fois que nous disposons de cette empreinte, nous pouvons comprendre de manière bien plus précise comment l’eau se déplace entre les différentes ressources hydriques, par exemple entre les cours d’eau et les lacs ou entre les eaux de surface et les eaux souterraines.

??Nous devons savoir quelle quantité d’eau se trouve à tel ou tel endroit et d’où cette eau provient afin de pouvoir prendre des mesures pour protéger les voies par lesquelles l’eau circule pour passer d’une ressource hydrique à une autre.??

Au cours des dernières années, ces techniques ont été appliquées dans certaines régions de Madagascar, avec un objectif double?: cartographier les mouvements des eaux souterraines et repérer les aquifères vulnérables risquant d’être contaminés par des eaux de surface. à Maurice, des scientifiques ont commencé à collaborer avec l’AIEA en vue d’utiliser les techniques isotopiques pour déterminer l’origine de la pollution au nitrate, les autorités ayant détecté une contamination autour de Port-Louis. Les contaminants trouvés dans les ruisseaux et autres cours d’eau menacent des zones protégées, telles que la réserve ornithologique de l’estuaire de Rivulet Terre Rouge. à plusieurs reprises, des efflorescences algales toxiques se sont produites dans l’océan et ont causé la mort de nombreux poissons, au grand désarroi des pêcheurs locaux. Grace à l’hydrologie isotopique, les autorités peuvent mettre rapidement en correspondance les échantillons d’eau et les sources de pollution, ce qui leur permet de déterminer immédiatement le type d’activité probablement à l’origine de la pollution.

Comme tout ce que nous entoure dans le monde, un isotope est un type d’atome, la plus petite unité de matière qui conserve toutes les propriétés chimiques d’un élément. Un isotope est une forme d’un élément chimique ayant des propriétés spécifiques.

Le tableau périodique présente les différents éléments chimiques.

Chaque élément se distingue par son nombre de protons, de neutrons et d’électrons. Les atomes de chaque élément chimique possèdent un nombre déterminé de protons et d’électrons, mais?– et c’est là une caractéristique cruciale?– leur nombre de neutrons peut varier.

Les atomes qui possèdent le même nombre de protons mais ont un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes. Ils ont presque les mêmes propriétés chimiques, mais diffèrent par leur masse et donc par leurs propriétés physiques.

Il existe des isotopes stables, qui n’émettent pas de rayonnements, et des isotopes instables, qui en émettent?: ce sont les radio-isotopes.?

Pour en savoir plus sur les isotopes, cliquez ici.

Bob Kalin, professeur de génie environnemental appliqué au développement durable à l’Université Strathclyde à Glasgow (écosse), fournit des éléments d’explication?: ??Les processus physiques qui interviennent dans la nature entra?nent une modification des isotopes stables. Par exemple, l’évaporation de l’eau de mer ayant pour effet de former des nuages modifie les isotopes stables.?

??Ainsi, pour savoir d’où vient l’eau, par exemple pour déterminer s’il s’agit d’eau provenant de l’océan, puis tombée sous forme de précipitations du sommet d’une montagne jusque dans une rivière, nous pouvons utiliser les isotopes stables. Mais nous ne savons pas en combien de temps l’eau effectue tout ce cycle. C’est là que les radio-isotopes révèlent toute leur utilité, car du fait de la décroissance radioactive naturelle qu’ils subissent au fil du temps, ils peuvent nous donner une indication du temps écoulé.?

??Combien de temps a-t-il fallu à l’eau pour descendre du sommet de la montagne jusqu’à mon puits?? C’est une information que les radio-isotopes peuvent nous fournir. Nous pouvons étudier des eaux très anciennes et déterminer leur age en nous basant sur la décroissance radioactive.???

??Il y a des endroits dans le monde où l’eau n’a plus pénétré le sol depuis des milliers d’années??, explique le professeur. ??Comme n’importe quelle autre matière première, l’eau n’est pas renouvelable.?

??Par conséquent, si nous commen?ons à pomper de grandes quantités d’eaux dans les nappes souterraines anciennes sans que celles-ci ne se renouvellent, nous vidons en quelque sorte la réserve d’eau qui se trouve sous nos pieds.?

??Ainsi, en parvenant à déterminer la vitesse à laquelle l’eau pénètre dans le sol, la vitesse à laquelle elle se déplace, le volume total des réserves d’eau et l’age de ces réserves, nous pourrions comprendre comment tous ces éléments s’équilibrent et gérer les ressources en eau de manière beaucoup plus efficace.???

??Chaque molécule d’eau a sa propre signature. L’eau prend des formes très diverses?: glace, neige, pluie, vapeur.

??La molécule d’eau possède une signature particulière lorsqu’elle se trouve dans l’océan, puis cette signature change lorsque la molécule d’eau s’évapore et passe à l’état de vapeur, puis lorsqu’elle tombe pour la première fois sur le sol, et enfin, la vapeur résiduelle en se transformant en pluie au sommet de la montagne se retrouve finalement associée à une signature différente.

??Chacun de ces processus peut finir par modifier le rapport entre isotopes lourds et isotopes légers. Chacun d’eux aura donc une empreinte unique, mais nous pouvons analyser la signature globale de ce cycle à l’échelle de tous les continents et de la planète.???

L’AIEA encourage le développement et le transfert des connaissances relatives à l’utilisation de l’hydrologie isotopique, car il s’agit d’un outil efficace pour la gestion durable de l’eau. Elle fournit une assistance et une formation dans le domaine des services analytiques par l’intermédiaire de son Laboratoire d’hydrologie isotopique.?

Par ailleurs, l’AIEA dirige les efforts visant à accro?tre la coopération ayant trait à l’eau par l’intermédiaire de son Réseau mondial des laboratoires d’analyse de l’eau (Réseau GloWAL).?

Selon Jodie Miller, de l’AIEA, la surveillance est un autre élément clé du puzzle?: ??Il faut assurer une surveillance, car sans surveillance, il n’y a pas de gestion possible. à l’AIEA, nous avons un programme de surveillance des précipitations. Il s’agit du Réseau mondial de mesure des isotopes dans les précipitations.?

??Ce réseau, qui existe depuis 1960, nous aide à comprendre l’évolution des régimes de précipitations et l’infiltration des différentes formes de précipitations dans les eaux souterraines. Il est vraiment essentiel de comprendre les échelles de temps de l’écoulement des eaux souterraines pour savoir si nous prélevons ces ressources à un rythme tel qu’elles n’ont pas le temps de se recharger.???

Au Sahel, des scientifiques africains ont trouvé des sources d’eau souterraine de qualité à l’aide d’une technique nucléaire dans le cadre de la coopération Sud-Sud et grace au soutien que l’AIEA apporte depuis dix ans sous forme de renforcement des capacités en matière d’hydrologie isotopique afin de déterminer l’age, la vulnérabilité et la durabilité de l’eau. Des spécialistes de 13 pays du Sahel formés par l’AIEA mènent actuellement des études sur les ressources en eaux souterraines partagées dans cinq bassins, renfor?ant ainsi la gestion transfrontière de l’eau.

Avec le soutien financier de la Banque?mondiale, l’AIEA et le Niger ont signé en mars 2025 un accord qui vise à mieux sécuriser l’approvisionnement en eau dans le pays. Cette collaboration historique permettra d’améliorer la gestion des ressources en eau grace à la construction d’un laboratoire national d’analyse de la qualité de l’eau et à la modernisation des laboratoires régionaux d’analyse de l’eau dans le pays.

Les citations qui figurent dans cet article proviennent d’un podcast réalisé en anglais sur le thème ??Le nucléaire expliqué?– Qu’est-ce que l’hydrologie isotopique???? Pour écouter les entretiens dans leur intégralité, et d’autres sur le même sujet, cliquez ici.