1 Paléoclimatologie …et plus si le temps Jérôme Nomade Préparation Agreg SVT, UJF, 2007-2008

Paléoclimatologie …et plus si le temps

Jérôme Nomade

Préparation Agreg SVT, UJF, 2007-2008

Paléoclimatologie… et perspectives futuresPaléoclimatologie… et perspectives futures

IntroductionIntroduction

Partie 1- Les outils et méthodesPartie 1- Les outils et méthodes1-Les archives historiques1-Les archives historiques2-Les archives « géologiques »2-Les archives « géologiques »3-Les archives biologiques3-Les archives biologiquesParenthèse méthodologique : Les outils isotopiquesParenthèse méthodologique : Les outils isotopiques4-Les archives sédimentologiques4-Les archives sédimentologiques5-Les archives glaciaires5-Les archives glaciaires

Partie 2- L’histoire paléoclimatiques de la TerrePartie 2- L’histoire paléoclimatiques de la Terre1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation2-L’entré dans la dernière glaciation2-L’entré dans la dernière glaciation3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des derniers 2.5Ma3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des derniers 2.5Ma4-L’enregistrement du DMG4-L’enregistrement du DMG5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique

Partie 3- Les moteurs des glaciations et de changement climatiquesPartie 3- Les moteurs des glaciations et de changement climatiques1-Les paramètres forçant et leurs influences1-Les paramètres forçant et leurs influences2-Un contrôle tectonique des climats ?2-Un contrôle tectonique des climats ?3-Les autres forcages3-Les autres forcages

ConclusionConclusion

Pourquoi étudier les paléoclimats ?Pourquoi étudier les paléoclimats ?

- Parce que l’on n’a pas beaucoup de mesure !- Parce que l’on n’a pas beaucoup de mesure !

-Pour la connaissancePour la connaissance

« Plus les hommes seront éclairés plus ils seront libres » Voltaire« Plus les hommes seront éclairés plus ils seront libres » Voltaire

-Pour la connaissance des climats futursPour la connaissance des climats futurs

Dans le cadre de la prédiction de l’évolution du climat pour les décennies ou Dans le cadre de la prédiction de l’évolution du climat pour les décennies ou les siècles à venir, les modèles utilisés sont « testés » sur des données les siècles à venir, les modèles utilisés sont « testés » sur des données

paléoclimatiquespaléoclimatiques

L’amélioration des bases de données…..L’amélioration des bases de données…..

Toutefois toutes les reconstitutions (de températures, de pluviosité, Toutefois toutes les reconstitutions (de températures, de pluviosité, d’environnement, de flux sédimentaires) ne participent pas à ce « pool » d’environnement, de flux sédimentaires) ne participent pas à ce « pool »

utilisé par les modélisateursutilisé par les modélisateurs

Paléoclimatologie… et perspectives futures

Introduction

Partie 1- Les outils et méthodes1-Les archives historiques2-Les archives « géologiques »3-Les archives biologiquesParenthèse méthodologique : Les outils isotopiques4-Les archives sédimentologiques5-Les archives glaciaires

Partie 2- Les moteurs des glaciations1-Les paramètres forçant et leurs influences2-Un contrôle tectonique des climats ?3- Les autres forçages

Partie 3- L’histoire paléoclimatiques de la Terre1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation2-L’entré dans la dernière glaciation3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier

2.5Ma4-L’enregistrement du DMG5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique

Conclusion

Partie 1Partie 1 Les archivesLes archives

Partie 1Partie 1 1-Les archives historiques1-Les archives historiques

La Belgique vue par Bruegel, 1630

Chamouni et le glacier des Chamouni et le glacier des BoisBoisJean Dubois, 1820 Jean Dubois, 1820 (In Reynaud, 2004)(In Reynaud, 2004)

Vallot, 1920Vallot, 1920 Juillet 2003Juillet 2003

Partie 1Partie 1 1-Les archives historiques1-Les archives historiques ClaridenClariden

Saint SorlinSaint SorlinHintereisfermerHintereisfermer

SarennesSarennes

19101910 19501950 19801980 20032003

Vincent et al., 2003Vincent et al., 2003

Partie 1 1-Les archives historiques

Les lacs (donc les pluies) abondaient dans le Sahara vers 22 000 BP, puis entre 12 000 à 9 000 BP, avant de disparaître vers 7 000 BP. Le dernier de ces lacs, le lac Tchad, enregistre une dernière période humide il y a 2 000 ans.

Les gravures rupestres du Tassili ou du Tibesti (5500 à 4300 Les gravures rupestres du Tassili ou du Tibesti (5500 à 4300 BP) décrivent une faune de zone humide, peinte par des BP) décrivent une faune de zone humide, peinte par des peuples chasseurs, pêcheurs et pasteurspeuples chasseurs, pêcheurs et pasteurs.

16Paroi gauche de la grande salle des TaureauxParoi gauche de la grande salle des Taureaux

Peintures rupestres de la Grotte de Lascaux –15 000 ans av.J.C. Peintures rupestres de la Grotte de Lascaux –15 000 ans av.J.C.

Partie 1Partie 1 2-Les archives « géologiques » ss2-Les archives « géologiques » ss

Des indices d’une glaciation massive dans des roches de 600 MaDes indices d’une glaciation massive dans des roches de 600 Ma

Partie 1Partie 1 2-Les archives « géologiques » ss2-Les archives « géologiques » ss

Chenaux d’érosion sous-glaciaire en Mauritanie (terrain ordovicien)Chenaux d’érosion sous-glaciaire en Mauritanie (terrain ordovicien)

Gros caillou de Lyon Gros caillou de Lyon (quartzite triasique (quartzite triasique métamorphique)métamorphique)

Stries glaciairesStries glaciairesVallée de Vicdessos Vallée de Vicdessos

(Ariège)(Ariège)-18 000 ans-18 000 ans

Partie 1Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires2-Les archives « géologiques » glaciaires

Un affleurement quaternaire de Un affleurement quaternaire de Maurienne (73)Maurienne (73)

La Mer de GlaceLa Mer de Glaceet ses moraines PAGet ses moraines PAG

(Chamonix, 74)(Chamonix, 74)

Partie 1Partie 1 2-Les archives « géologiques »2-Les archives « géologiques »

Un exemple:Un exemple:La vallée de ChamonixLa vallée de ChamonixIl y a 12000 ans.Il y a 12000 ans.

S. CouterrandS. Couterrand

Partie 1Partie 1 2-Les archives « géologiques » glaciaires2-Les archives « géologiques » glaciaires

Partie 1Partie 1 2-Les archives « géologiques » (parenthèse 14C)2-Les archives « géologiques » (parenthèse 14C)

Partie 1Partie 1 2-Les archives 2-Les archives

« géologiques » paléontologique« géologiques » paléontologique

13C/12C stress hydrique

? salinité croissante ?-29 -28 -27 -26 -25 -24 13C (‰)

Eretmophyllumandegavense

Angiosperme 2

Brachyphyllum

Geinitzia

Conifère

Angiosperme 1

Frenelopsisalata

Cas des flores duCénomanien d’Anjou

Eretmophyllum andegavense

Frenelopsis alata

Partie 1 3-Les archives biologiques

Les associations de pollens contenus dans les dépôts récents permettent de reconstituer la nature et l’évolution des écosystèmes, et donc du climat.

Partie 1Partie 1 3-Les archives biologiques3-Les archives biologiques

Un exemple de reconstitution deUn exemple de reconstitution deTempératureTempérature

Les Foraminifères:

Il s'agit d'unicellulaires hétérotrophes (constituant donc une des composantes du zooplancton), qui sécrètent un squelette (ou test). -ils sont très utilisés comme outil de datation et de corrélation stratigraphique et chronologique (chronostratigraphie) des sédiments. -ils enregistrent la composition isotopique en oxygène et en carbone de leur environnement immédiat.

Les Foraminifères sont par conséquent des paléo-thermomètres potentiels. En outre, si l'on connaît leur mode de vie [benthiques (sur le fond) ou planctoniques (dans la tranche d'eau)], ou à défaut celui de leurs descendants actuels, supposé identique], on peu reconstituer les températures des masses d'eau océaniques et leur variations au cours du temps.

Les foraminifères benthiques et la chimie des eaux profondes de l’océan au cours des 7 derniers cycles climatiques

Partie 1Partie 1 Parenthèse méthodologique : Les outils isotopiquesParenthèse méthodologique : Les outils isotopiques

1818O (99.759%), O (99.759%), 1717O (0.037%) et O (0.037%) et 1616O (0.204%)O (0.204%)

-1616O s'évapore préférentiellement dans l'atmosphère et O s'évapore préférentiellement dans l'atmosphère et 1818O précipite O précipite préférentiellement car il est plus lourd.préférentiellement car il est plus lourd.

-Lors de la fixation biologique ou de changements de phases, l’isotope Lors de la fixation biologique ou de changements de phases, l’isotope léger de l’Oxygène (16O) est utilisé de préférence. léger de l’Oxygène (16O) est utilisé de préférence.

[[1818O/ O/ 1616O]O]échantillonéchantillon - [ - [1818O/ O/ 1616O]O]standardstandard

1818O = 1000 x --------------------------------------------O = 1000 x -------------------------------------------- [[1818O/ O/ 1616O] O] standardstandard

On définit dOn définit d1818O tel que:O tel que:

-Les variations isotopiques sont exprimées par rapport à des Les variations isotopiques sont exprimées par rapport à des standardsstandards

∂∂1818O = 10O = 1033 (( ((1818O/O/16160)échantillon / (0)échantillon / (1818O/O/16160)SMOW – 1)0)SMOW – 1)

∂∂1818O SMOW = 1.031 ∂O SMOW = 1.031 ∂1818O PDB + 30.86O PDB + 30.86

La composition actuelle de l’eau de merLa composition actuelle de l’eau de mer

La situation il y a 20 000 ans au dernier maximum glaciaireLa situation il y a 20 000 ans au dernier maximum glaciaire

Partie 1Partie 1 4-Les archives sédimentologiques4-Les archives sédimentologiques

Partie 1Partie 1 4-Les archives sédimentologiques : las argiles4-Les archives sédimentologiques : las argiles

Partie 1Partie 1 4-Les archives sédimentologiques4-Les archives sédimentologiques

Partie 1Partie 1 5-Les archives glaciaires5-Les archives glaciaires

Berkner Island

Siple Dome

Taylor Dome

Talos Dome

Law Dome

Dome C

Vostok

Mer de Weddell

Mer de Ross

L’enregistrement du climat dans la glace

LOCALLOCAL

Gaz: 15N de N2

(isotopes de l’air)

Teneur en air dans les bulles

GLOBALGLOBAL

Gaz: CO2, CH4, N2O

Mesure dans les bulles d’air

REGIONALREGIONAL

Température (D, 18O: isotopes de l’eau)

Mesure de la glace

a. Schéma de la structure d’un névé. b. Fractionnements isotopiques décrits par la répartition en profondeur de δ15N, δ18O et de δ40Ar dans l’air du névé de Dôme C [Landais et al., 2006].

Profils de CH4 pour plusieurs forages glaciaires. Sont représentées, en noir, la courbe de CH4 mesurée à Vostok sur l’échelle d’age GT4 [Petit et al., 1999 ; Delmotte et al., 2004], en bleu, la courbe de CH4 mesurée à Dôme C sur l’échelle d’âge EDC3 [EPICA community members, 2004 ; Parrenin et al., 2007] et en rouge, la courbe de CH4 mesurée à GISP2 sur l’échelle d’âge de Brook et al. [1996]

Partie 1 Des synthèses ?

Paléoclimatologie… et perspectives futuresPaléoclimatologie… et perspectives futures

Partie 2- L’histoire paléoclimatiques de la TerrePartie 2- L’histoire paléoclimatiques de la Terre1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation2-L’entré dans la dernière glaciation2-L’entré dans la dernière glaciation3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier

2.5Ma2.5Ma4-L’enregistrement du DMG4-L’enregistrement du DMG5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique

Partie 3- Les moteurs des glaciationsPartie 3- Les moteurs des glaciations1-Les paramètres forçant et leurs influences1-Les paramètres forçant et leurs influences2-Un contrôle tectonique des climats ?2-Un contrôle tectonique des climats ?3- Les autres forçages3- Les autres forçages

ConclusionConclusion

Partie 2Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation1-De -4.Ga à la dernière Glaciation

Les continents pris par les glaces depuis 2.3 GaLes continents pris par les glaces depuis 2.3 Ga

Les glaciations PrécambrienneLes glaciations Précambrienne

Autour de 750 Ma, Sturtienne

Autour de 600 Ma,Varangienne

GE Williams (1975), forte obliquité (>60°) = pôles + chaud que l’équateur

J. Kirschvink (1992), P. Hoffman (1998), théorie de la Snowball Earth = Terre totalement englacée (rôle des gaz à effets de serre, pas de variation d’obliquité)

Cap Carbonates à texture inhabituelle13C des carbonates marins = -5 %o

Dépôts de fer rubanés

Deux phases de glaciations caractérisées par des dépôts glaciaires formés à des latitudes tropicales et à basses altitudes

1 - Forçage orbital

2 - Forçage géochimique

Études pratiquement inexistantes

Inconsistant avec la répartition des dépôts glaciaires

Mise en place de surface basaltique

Fragmentation du supercontinent

‘Rodinia’

Mécanismes à tester

Dégazage du manteau

CarbonatesC

réduit

Océan-AtmosphèreSubduction

altération

Manteau

Cycle du carbone

Recyclage

dépôts

CaSiO3 + 2H2CO3 Ca2+ + 2HCO3- + SiO2 +H2O

Dissolution des silicates continentaux:

Précipitations des carbonates

Ca2+ + 2 HCO3- CaCO3 + H2CO3

Bilan altération des silicates:

CaSiO3 + 2H2CO3CaCO3 + H2CO3

Walker, Hays et Kasting, 1981

A des échelles temporelles de variations > 200 ka, variations de la teneur en carbone atmosphérique dépend uniquement de la source: le volcanisme et du puit: l’érosion des silicates

1 - Mise en place d’une surface

basaltique de 6.2 M de km2 à 780 Ma avec un CO2

de 280 ppm

2 - Dérive vers le Sud à raison de 2 cm/a puis 8 cm/a

après 750 Ma (ouverture du

Proto-Pacifique)

3 - 145 ppm consommés

(1.8x DpCO2 Modern-LGM)

4 – 50 Ma après les traps > SBE

Cf. la semaine prochaine…

Histoire des climats entre 540 et 30 Ma :Histoire des climats entre 540 et 30 Ma :Climats et supercontinentsClimats et supercontinents

Une période tempérée/douce interrompue par deux phases glaciaires :Une période tempérée/douce interrompue par deux phases glaciaires :à l’Ordovicien (450 Ma) et au Permo-Carbonifère (300 Ma).à l’Ordovicien (450 Ma) et au Permo-Carbonifère (300 Ma).

La glaciation Permo-CarbonifèreLa glaciation Permo-Carbonifère(Trompette, 2003)(Trompette, 2003)

367 363 350 333 317 303 290 282 255 245 241 235

Rapport 87Sr/86Sr0.7090.7080.707

0.7090.7080.707

Plantesterrestres

Plantes à graines

TRIASPERMIENCARBONIFEREDEVONIENsupérieur

Proportion d’oxygène dans l’atmosphère

Niveau marin+

3530252015

nombred’espèces 100

Orogenèse hercynienneOrogenèseacadienne

sser Dépôts glaciaires

La glaciation Permo-CarbonifèreLa glaciation Permo-Carbonifère

La glaciation fini-ordovicienneLa glaciation fini-ordovicienne

l'ère glaciaire l'ère glaciaire actuelle, qui a actuelle, qui a débuté sur le débuté sur le

continent continent antarctique il y a 30 antarctique il y a 30

ou 40 Ma.ou 40 Ma.

la « permo-la « permo-carbonifère », de -carbonifère », de -

350 à -250 Ma350 à -250 Ma

l' « ordovicienne », l' « ordovicienne », sup autour de -450 sup autour de -450

les glaciations les glaciations Néoprotérozoique, Néoprotérozoique, de -800 à -550 Made -800 à -550 Ma

la glaciation la glaciation Huronienne, de -2.7 Huronienne, de -2.7 à -2.1 Ga ? (milliards à -2.1 Ga ? (milliards

d'années)d'années)

Partie 2Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation… conclusion1-De -4.Ga à la dernière Glaciation… conclusion

Refroidissement du passageJurassique/Crétacé

Partie 2Partie 2 1-De -4.Ga à la dernière Glaciation… conclusion1-De -4.Ga à la dernière Glaciation… conclusion

Partie 2Partie 22-L’entré dans la dernière glaciation2-L’entré dans la dernière glaciation

Température des océans et GéodynamiqueTempérature des océans et Géodynamique(trompette, 2003)(trompette, 2003)

Vers 40 Ma, l’instal-lation du courant d’W circum-polaire refroi-dit Vers 40 Ma, l’instal-lation du courant d’W circum-polaire refroi-dit des eaux profondes du Pacifique, et la zone subantarctique.des eaux profondes du Pacifique, et la zone subantarctique.

Partie 2Partie 22-L’entré dans la dernière glaciation2-L’entré dans la dernière glaciation

Partie 2Partie 23-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma

La périodicité glaciaire-interglaciaire depuis 3.5 MaLa périodicité glaciaire-interglaciaire depuis 3.5 Ma

Berkner Island

Siple Dome

Taylor Dome

Talos Dome

Law Dome

Dome C

Vostok

Mer de Weddell

Mer de Ross

La stratigraphie continentale du début du 20ème siècle comptait 6 épisodes glaciairesLa stratigraphie continentale du début du 20ème siècle comptait 6 épisodes glaciaires

Elle était fondée sur l’âge de terrasses alluviales d’affluents du DanubeElle était fondée sur l’âge de terrasses alluviales d’affluents du Danube

Biber…….> 2 MaBiber…….> 2 MaDonau……2 MaDonau……2 Ma

Gunz……1.2 Ma à 750 kaGunz……1.2 Ma à 750 kaMindel……650 à 350 kaMindel……650 à 350 ka

Riss ……300 à 140 kaRiss ……300 à 140 kaWurm ……60 à 20 kaWurm ……60 à 20 ka

Obsolète parce que régional…les glaciations quaternaires ont un caractère globalObsolète parce que régional…les glaciations quaternaires ont un caractère global

La preuve : le signal isotopique dans les glaces et les océansLa preuve : le signal isotopique dans les glaces et les océans

90Masson et al., Nature 2004Masson et al., Nature 2004

Petit et al., NaturePetit et al., Nature

Des oscillations millénaires : les insterstades Dansgaard-OeschgerDes oscillations millénaires : les insterstades Dansgaard-Oeschger

20 interstades glaciaires au cours de la dernière période glaciaire20 interstades glaciaires au cours de la dernière période glaciaire

Partie 2Partie 24-L’enregistrement du DMG4-L’enregistrement du DMG

Coutterand, 2003Coutterand, 2003

Guiter et al., 2005Guiter et al., 2005

L’Europe du Nord au Dernier Maximum GlaciaireL’Europe du Nord au Dernier Maximum Glaciaire

L’hémisphère Nord au Dernier Maximum GlaciaireL’hémisphère Nord au Dernier Maximum Glaciaire

Berger, 1992Berger, 1992

L’hémisphère Nord au Dernier Maximum GlaciaireL’hémisphère Nord au Dernier Maximum Glaciaire

Des surprises climatiques synchrone! Avec des climats qui évoluent Des surprises climatiques synchrone! Avec des climats qui évoluent différemment…..différemment…..

00080006000400020 02100001 0004100

)sna(eigolonorhcPIRG,egA

Evolution du Evolution du 1818O des précipitations à GRIP O des précipitations à GRIP (Groenland) et à Ammersee (Allemagne)(Groenland) et à Ammersee (Allemagne)

Partie 2Partie 25-L’Holocène : stabilité et surprises climatique5-L’Holocène : stabilité et surprises climatique

Les décharges d’eau de fonte et d’eau douce bloquent-elles la circulation thermohaline ?

1 – avant 13 BP, le front polaire est trop méridional :la circulation thermohaline n’existe pas au tardiglaciaire

2 – Les eaux de fonte abaissent la salinité et bloquent la circulation thermohaline : début du Dryas

3 – L’absence de Gulf Stream conduit au développement de la calotte glaciaire

4 – La circulation thermohaline reprend, le Gulf Stream aussi : début de l’Holocène.

Effondrement d’une calotte résiduelle :

Les températures du dernier millénaire…

Paléoclimatologie…Paléoclimatologie…IntroductionIntroduction

Partie 2- L’histoire paléoclimatiques de la TerrePartie 2- L’histoire paléoclimatiques de la Terre1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation1-De -4.5 Ga à la dernière Glaciation2-L’entré dans la dernière glaciation2-L’entré dans la dernière glaciation3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma3-Les cycles glaciaires et interglaciaires des dernier 2.5Ma4-L’enregistrement du DMG4-L’enregistrement du DMG5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique5-L’Holocène : stabilité et surprise climatique

Partie 3- Les moteurs des glaciations et des changements Partie 3- Les moteurs des glaciations et des changements climatiquesclimatiques

1-Les paramètres forçant et leurs influences1-Les paramètres forçant et leurs influences2-Un contrôle tectonique des climats ?2-Un contrôle tectonique des climats ?3- Les autres forçages3- Les autres forçages

Partie 3Partie 3 1-Les paramètres forçant et leurs influences1-Les paramètres forçant et leurs influences

Trompette, 2003Trompette, 2003

Partie 3Partie 3 1-Les paramètres forçant et leurs influences1-Les paramètres forçant et leurs influences

Partie 3Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?2-Un contrôle tectonique des climats ?

CaAlCaAl22SiSi22OO88 + 3H + 3H22O + 2COO + 2CO22 <------> Al <------> Al22SiSi22OO55(OH)(OH)44 (kaolinite) +Ca (kaolinite) +Ca2+2+ + 2HCO + 2HCO3-3-

CaCa2+2+ + 2 HCO + 2 HCO3-3-<------> CO<------> CO22 + H + H22O + CaCOO + CaCO33

l'altération d'une mole d'anorthite a pompé une mole de COl'altération d'une mole d'anorthite a pompé une mole de CO22 dans l'atmosphère. dans l'atmosphère.

CaAl2Si2O8= Plagioclase calciqueCaAl2Si2O8= Plagioclase calcique

Himalaya : 10 km d'épaisseur, et ce sur les 2000 km de long et les 100 km de largeHimalaya : 10 km d'épaisseur, et ce sur les 2000 km de long et les 100 km de large

Partie 3Partie 3 2-Un contrôle tectonique des climats ?2-Un contrôle tectonique des climats ?

Partie 3Partie 3 3- Les autres forçages3- Les autres forçages

00080006000400020 02100001 0004100

)sna(eigolonorhcPIRG,egA

Partie 3Partie 3ConclusionConclusion

ATTENTION: la variation des paramètres orbitaux = cyclicité et non pas forçage !

-Les modifications globales des paramètres orbitaux ? (cf. Precambrien)

-Les poussières galactiques ?

-L’équilibre insolation/CO2 et donc la tectonique

-La position des continents et donc la tectonique (circulation, rétroaction….)

-La Vie sur terre ?

Partie 3Partie 3ConclusionConclusion

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Documents

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Montage 1 : Dynamique Newtonienne (voir cahier agreg externe)

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Dim Des Ouvrages- UJF

Couche Limite Atmosphérique Echange à linterface terre-atmosphère Jean-Martial Cohard jean-martial.cohard@ujf-grenoble.fr

EDC agreg cce 2005 - BMCE

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