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Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
Laurie Bougeois
ST3 - Polytech’ Paris UPMC
7 novembre 2014
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
1. Introduction
2. Caractéristiques des enveloppes fluides
3. Atmosphère et circulation atmosphérique
4. Océan et circulation océanique
5. Climats et paléoclimats
2 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Pourquoi étudier les enveloppes fluides ?
La mer de Glace
1916 2001
3 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Pourquoi étudier les enveloppes fluides ?
Réchauffement climatique
4 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Pourquoi étudier les enveloppes fluides ?
Typhon dévastateur aux Philippines
5 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Pourquoi étudier les enveloppes fluides ?
Énergies renouvelables
6 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Quelques ouvrages...
7 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
1. Introduction
2. Caractéristiques des enveloppes fluides
3. Atmosphère et circulation atmosphérique
4. Océan et circulation océanique
5. Climats et paléoclimats
8 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Taille des enveloppes fluides
Atmosphère : enveloppe gazeuseautour de la Terre de ∼150 km
Océan : enveloppe liquide autour de70.8% de la Terre
"How inappropriate to call this planetEarth when clearly it is Ocean"
Arthur C. Clarke, 1990
Reste de l’hydrosphère
calottes polaires 3% banquises <1% lacs et rivières ≪1% glaciers d’altitude ≪1%
9 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Masse et épaisseur des enveloppes fluides
enveloppes fluides = petits réservoirs
mgeosphere ∼ 4000 x mhydrosphere
mhydrosphere ∼ 300 x matmosphere
10 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Sources d’énergie et mouvementdes enveloppes fluides
2 sources d’énergie potentielles :
énergie interne de la Terre(0.06 W/m2)
énergie externe reçue du Soleil= insolation (342 W/m2)
Énergie solaire reçue par la Terre∼ 5500 fois plus importante quel’énergie liée au chauffage interne
L’énergie solaire est à l’origine desmouvements des enveloppes fluides
11 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Répartition de l’énergie sur Terre
influence de la latitude
maximum dans la région intertropicale (incidence subverticale) minimum aux pôles (incidence rasante)
12 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Répartition de l’énergie sur Terre
influence de la nature de la surface
Albedo = Ereflechie/Erecue
13 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Répartition de l’énergie sur Terre
influence de la nature de la surface
Albedo = Ereflechie/Erecue
13 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Répartition de l’énergie sur Terre
influence de la nature de la surface
Albedo = Ereflechie/Erecue
13 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Bilan énergétique en fonction de la latitude
Enveloppes fluides reçoivent et absorbentplus d’énergie à l’équateur qu’aux pôles
14 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Redistribution méridienne de la chaleur
Les tropiques ne s’échauffent pas indéfiniment et les pôles nedeviennent pas de plus en plus froids Transport d’énergie assuré par les enveloppes fluides
15 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Redistribution méridienne de la chaleur
Les tropiques ne s’échauffent pas indéfiniment et les pôles nedeviennent pas de plus en plus froids Transport d’énergie assuré par les enveloppes fluides
Transfert de chaleur par convection
15 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
1. Introduction
2. Caractéristiques des enveloppes fluides
3. Atmosphère et circulation atmosphérique
4. Océan et circulation océanique
5. Climats et paléoclimats
16 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Quelques caractéristiques physico-chimiques
À l’altitude 0
Température moyenne : 15◦C
Masse vol. de l’air 1.2 kg/m3 / 0.001 fois la masse vol. de l’eau
Pression : 1013.25 hPa
17 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Répartition zonale des températures
18 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Structure verticale de l’atmosphère⇒ fondée sur la température
19 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Composition chimique l’atmosphère
⇒ principalement troposphère et base de la stratosphère
20 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Composition chimique l’atmosphère
⇒ principalement troposphère et base de la stratosphère
La vapeur d’eau : principal gaz à effet de serre
20 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Principaux constituants atmosphériquescontribuant à l’effet de serre
21 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Évolution de la composition de l’atmosphère
22 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Découverte de l’effet de serre
Horace-Bénédict de Saussure en 1780Le naturaliste suisse avait construit un appareil constitué decinq caisses de verre emboîtées les unes dans les autres, mu-nies de thermomètres, pour montrer que, plus l’on va vers lecentre, plus la température s’élève, jusqu’à obtenir une tempé-rature d’équilibre (∼109◦C) !
Svante Arrhénius en 1896Un doublement du CO2 s’accompagne d’uneélévation de la température moyenne de 6◦C.
"Comme ce serait merveilleux si les émissions humainesde gaz carbonique vers l’atmosphère pouvaient augmenterd’autant le climat de la Terre. Nous en serions heureux enSuède".
23 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Effet de serre
24 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Effet de serre
Sans effet de serre TTerre = -19◦C... avec effet de serre TTerre = 15◦C
25 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation générale atmosphériqueMouvements verticaux dans l’atmosphère
exemple de la zone de convergence intertropicale (ZCIT)
26 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
HP HPBP
circulation horizontale
Alizés Alizés
Équateur20°S 20°NAnticyclone AnticycloneDépression
(cyclone)
PP
Air ascendant : chargé de vapeur d'eau => formation de cumulonimbus
Circulation horizontale : échanges de chaleur avec l'environnement
=> se refroidit jusqu'à tomber
Air descendant : à l'origine des anticyclones (cf Açores, Sibérie)
Alizés : mouvement horizontal d'air des HP vers les BP
PV=nRT
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation générale atmosphériqueMouvements horizontaux dans l’atmosphère
exemple de la zone de convergence intertropicale (ZCIT)
27 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation générale atmosphériqueMouvements horizontaux dans l’atmosphère principe de la force de Coriolis
28 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation générale atmosphériqueMouvements horizontaux dans l’atmosphère principe de la force de Coriolis
dévie les courants vers la droite dans l’hémisphère norddévie les courants vers la gauche dans l’hémisphère sud
28 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation générale atmosphériqueMouvements 3D des masses d’air
29 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation générale atmosphérique
30 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation générale atmosphérique
30 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Alternance saisonnièreété boréal vs été austral
31 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Exemple des moussons
32 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation atmosphérique et climats de la Terre
circulation zonale en bande de 30◦ de latitude
répartition zonale des climats
33 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Conclusions - Atmosphère
T et P moyennes au sol : 15◦C et 1010 hPa
T à la surface de la Terre : répartition zonale liée à l’insolation
stratification verticale marquée en fonction de la température
80% de la masse de l’atmosphère est comprise dans les 12 premiers km(troposphère)
mouvements verticaux liés à la répartition zonale des T de surface
force de Coriolis : effet majeur sur les mouvements de masse d’air
mouvements horizontaux dans l’hémisphère nord : enroulementanti-horaire autour des zones de BP (cyclone), expulsion horaire depuisles zones de HP (anticyclones)
circulation générale : 3 boucles de convections (Hadley, Ferrel, polaire) àcause de FCoriolis
répartition zonale des climats liée à la circulation atmosphérique au 1er
ordre
34 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
1. Introduction
2. Caractéristiques des enveloppes fluides
3. Atmosphère et circulation atmosphérique
4. Océan et circulation océanique
5. Climats et paléoclimats
35 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Pourquoi étudier les océans ?
la moitié de la population mondiale vit à proximité d’un océan (<80 km)
les océans = principale source de nourriture de l’humanité
océan = agent principal (quantité/unité de volume) de transport dechaleur sur Terre
stockage et précipitation de composés chimiques : impact sur le climat dela terre (CO2) , impact économique (Fe, Mn, Au...)
36 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Répartition des océans
Profondeur moyenne des 3 bassins majeurs = 3.6-4 kmProfondeur moyenne de l’Arctique = 1.1 km
37 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Répartition des océans
Hémisphère nord
54% océans 46% continents
Hémisphère sud
88% océans 12% continents
37 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Températures de surface
38 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Section longitudinale dans l’Atlantique
(exagération verticale)
39 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Structure verticale des océans
40 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Salinités de surface
41 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Salinités de surface
41 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Couplage atmosphère/océan
Courants de surface
42 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Un peu d’histoire...
Observation de Nansen (1898) sur la dérive de la banquise Dans l’océan Arctique (hémisphère nord), la banquise se déplace à 20-40o
vers la droite par rapport à la direction des vents.
Implique 3 forces (modélisation par Ekman) :
tension superficielle liée au vent (frottements au sommet) force de Coriolis frottements dans l’eau (sinon la banquise irait aussi vite que le vent)
43 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Transport d’Ekman
Le frottement des vents sur la surface océaniquegénère la circulation océanique de surface
44 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Transport d’Ekman et upwelling côtier
45 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Transport d’Ekman et upwelling côtier
45 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Transport d’Ekman et upwelling équatorial
46 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Transport d’Ekman et upwelling équatorial
46 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Transport d’Ekman et gyres océaniquesCourants géostrophiques = circulations giratoires océaniques
47 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Transport d’Ekman et gyres océaniques
Courants géostrophiques = circulations giratoires océaniques
48 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation océanique profonde
Mise en évidence
49 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
profils T et S pénétration de certains éléments
anthropiques (dirac) : 3H, CFC datation 14C déplacement des bouées
flotteurs-plongeurs
AAIW = Antarctic Intermediate Water
AABW = Antarctic Bottom Water
NADW = North Atlantic Deep Water
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation océanique profonde
Dirac = signal ponctuel
50 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Age 14C des eaux profondes
Temps de mélange des océans ≃ 1600 ans
51 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation océanique profonde
Circulation méridienne océanique ou circulation thermohaline
52 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation océanique profonde
Circulation méridienne océanique ou circulation thermohaline
52 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation océanique profonde
Mécanismes à l’origine de la plongée des eaux en Atlantique nord
53 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Importance du Gulf Stream
E>P : augmentation de lasalinité du S au N
refroidissement par échangethermique avec l’atmosphère :SST diminuent du S au N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation océanique profonde
Mécanismes à l’origine de la plongée des eaux en Antarctique
Importance des zones libres de glace
54 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
polynies
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Circulation océanique profondeMécanismes à l’origine de la plongée des eaux en Antarctique
Importance des zones libres de glace refroidissement de l’eau de surface et maintien des polynies côtières par les
vents catabatiques création de glace de mer : augmentation la salinité de l’eau échange de chaleur atmosphère-océan : diminution des SST convection d’eau : perte de chaleur et maintien des polynies de pleine mer
55 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Conclusions - Océans
océans :
71% de la surface de la Terre 70% du volume d’eau de la Terre
SST = f(insolation) ⇒ répartition zonale
salinité de surface = f(E-P) ⇒ couplage avec la circulation atmosphérique
stratification verticale marquée en surface ⇒ thermocline
circulation de surface :
courants de surface induits par les vents (Ekman) transport d’eau à 90◦ par rapport à la direction des vents
(vers la droite ou la gauche en fonction de l’hémisphère)
circulations giratoires océaniques
circulation profonde :
T et S = influents majeurs de la circulation océanique profonde temps de mélange des océans : 1600 ans (datation 14C) 2 zones de formation d’eau profonde : Atlantique nord et Antarctique
56 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
1. Introduction
2. Caractéristiques des enveloppes fluides
3. Atmosphère et circulation atmosphérique
4. Océan et circulation océanique
5. Climats et paléoclimats
57 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Dynamique climatique actuelle
Activités El Niño
À rendre avant le 19 décembre 2014
répondre aux questions pour chaque activité
faire une courte synthèse sur ce que vous avez compris duphénomène El Niño
2-3 pages recto-verso MAX
58 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Variations climatiques quaternaires
Forage de Vostok (Antarctique)
59 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Paramètres astronomiques
Paramètres de Milankovitch modifient périodiquement laquantité d’énergie solaire reçue par la Terre
60 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Boucles de rétroactions
Les rétroactions positives (effet boule deneige) amplifient considérablement deseffets astronomiques relativement mi-nimes. Heureusement, les variations as-tronomiques sont rapides et changentde sens rapidement. Sans quoi, on iraittrès vite vers des températures extrêmes(hautes ou basses).
61 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Boucles de rétroactions
62 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Introduction Caractéristiques Atmosphère Océan (Paléo)climats
Variations climatiques au cours des tempsgéologiques
enfouissement de CO2 sous formede carbonates
enfouissement de carboneorganique
volcanisme et gaz à effet de serre
position des continents etdynamique externe
etc ...
63 / 65Géodynamique des enveloppes fluides de la Terre
N
Intr
oduc
tion
Car
acté
rist
ique
sA
tmos
phèr
eO
céan
(Pal
éo)c
lim
ats
Var
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clim
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ues
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des
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olog
ique
s
64/
65G
éody
nam
ique
des
enve
lopp
esflu
ides
dela
Terr
e
N
500
435
410
355
295
250
203
135
6523
,554
01,
75
GLACIATION FIN
I-ORDOVICIENNE
baisse de l'activ
ité des dorsales mais producti-
vité biologique de plateforme encore in
tense
=> diminutio
n de la pCO2
=> diminutio
n de la température
GLACIATION PERMO-CARBONIFÈRE
orogénèse hercynienne à l'équateur : é
rosion in-
tense et enfouissement de la matière organique
(cf bassins houille
rs d'Europe)
=> diminutio
n de la pCO2
=> diminutio
n de la température
sortie de glaciatio
n encore non élucidée
Fin de glaciation : P
angée quasi-symétrique par ra
p-
port à l'É
quateur
=> diminutio
ndes masses d'air sur le
continent
=> augmentation de la température par d
éveloppe-
ment d
e l'arid
ité
Époque très chaude (m
ême si quelques évènements
froids)
=> pas de trace de calottes glaciaire
s
Maximum th
ermique à la fin
du Paléocène :
probablement du à la destabilis
ation de clathrates
et donc au relarguage de CH4 dans l'a
tmosphère
Baisse de la température à l'Olig
ocène : ouvertu
re du
passage de Drake, form
ation de l'A
rctic Circum-polar
Current, e
xtension de la calotte Antarctique
Gra
nd
es c
rise
sb
iolo
giq
ues
Éclatement du supercontin
ent Panafric
ain
+ activité des dorsales im
portantes
=> 1. dégazage du manteau --> aumentatio
n de la
pCO2 --> augmentatio
n de la température
=> 2. diminutio
n du volument du contenant d
es
océans --> tra
nsgressions --> dim
inution de
l'albédo --> augmentatio
n de la température
Crise Trias-Ju
rassique
Crise Frasnien-Faménien
Crise Fini-Ordovicienne
Crise Crétacé-Paléogène
Crise Permo-Tria
s
IC
E
HO
US
EG
RE
EN
HO
US
EG
RE
EN
HO
US
EG
RE
EN
HO
US
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RE
EN
HO
US
EIC
EH
OU
SE
IC
EH
OU
SE
IC
EH
OU
SE
Cam
bri
enO
rdov
icie
nS
ilu
rien
Dév
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ère
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mie
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Cré
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Pal
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Néo
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uat
ern
aire
PA
LE
OZ
OÏQ
UE
MÉ
SO
ZO
ÏQU
EC
ÉN
OZ
OÏQ
UE