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Le Quaternaire : climats et environnements

De
295 pages
Le Quaternaire est ici abordé au travers de son originalité climatique : alternance de périodes froides et tempérées aux latitudes moyennes, expliquée par le jeu des mécanismes astronomiques. La reconquête des niches écologiques aux temps post-glaciaires et actuels est largement développée, car c'est à ce moment que, progressivement puis de façon exponentielle, l'homme modifia profondément et durablement les paysages naturels.
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Le Quaterna

i re :

climats

et environnements

L'Harmattan, 2008 5-7, rue de l'Ecole polytechnique;

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75005

Paris

http://www.Iibrairiehannattan.com diffusion.harmattan@wanadoo.ft hannattan l@wanadoo.ft

ISBN: 978-2-296-07570-2 EAN: 9782296075702

Alain GIRET

Le Quaternaire: climats et environnements

L'Harmattan

Biologie, Ecologie, Agronomie
Collection dirigée par Richard Moreau professeur honoraire à l'Université de Paris XII, et Claude Brezinski, professeur émérite à l'Université de Lille Cette collection rassemble des synthèses, qui font le point des connaissances sur des situations ou des problèmes précis, des études approfondies exposant des hypothèses ou des enjeux autour de questions nouvelles ou cruciales pour l'avenir des milieux naturels et de l'homme, et des monographies. Elle est ouverte à tous les domaines des Sciences naturelles et de la Vie.

Déjà parus René LETOLLE, La Mer d'Aral, 2008. René JACQUOT, Souvenirs d'un forestier français au Maroc (J9521968),2008. Bonaventure DOSSOU-YOVO, L'Accès aux ressources biologiques dans les rapports Nord-Sud. Jeux, enjeux et perspectives de la protection internationale des savoirs autochtones, 2008. André G. RICO, Connaître la vie pour saisir lefutur, 2008. Jean-Louis LESPAGNOL, La mesure. Aux origines de la science, 2007. Emmanuel TORQUEBIAU, L'agroforesterie, 2007. Jean-Jacques HERVE, L'agriculture russe, 2007. Jean-Marc BOUSSARD, Hélène DELORME (dir.), La régulation des marchés agricoles internationaux, 2007. Jacques CANEILL (dir.), Agronomes et innovation, 2006. Gabriel ROUGERIE, Emergence et cheminement de la biogéographie, 2006. Ibrahim NAHAL, Sur la pensée et l'action. Regards et réflexions, 2006. Maurice BONNEAU, La forêt française à l'aube du XXlè siècle, 2005. Alain DE L'HARPE, L'espace Mont-Blanc en question, 2005. René LE GAL, Comprendre l'évolution,2005. Dr Georges TCHOBROUTSKY, Comment nous fonctionnons, 2005. Jean TOTH, Le cèdre de France, 2005. France Pologne pour l'Europe, Les enjeux de la Politique agricole commune après l'élargissement du rr mai 2004, 2005. Louis CRUCHET, Le ciel en Polynésie. Essai d'ethnoastronomie en Polynésie orientale, 2005.

Introduction
L'idée d'écrire cet ouvrage m'est venue à la suite de quelques déconvenues constatées lors des enseignements qu'on me chargea de prodiguer aux étudiants de Préhistoire, que ce soit à l'Université du Maine, au Centre Européen de Recherches Préhistoriques de Tautavel ou à l'Institut de Paléontologie Humaine du Muséum National d'Histoire Naturelle de Paris. En effet, pensant avoir affaire à un public de spécialistes, je constatais en réalité une méconnaissance totale de l'origine des glaciations, de l'environnement climatique et morphologique périglaciaire, bref de la géographie de cette époque. J'en venais à leur poser la question: «Mais, qu'est-ce que le Quaternaire? ». Et cette question, je l'ai posée si souvent, que j'ai fini par me la poser à moi -même. L'époque la plus ancienne, le «Pléistocène» avait été définie par l'apparition des genres Bos (Boeufs), Equus (Cheval) et Elephas (Éléphants). Mais cette définition est abandonnée car ces genres ne sont pas apparus en même temps, et une, deux, même trois espèces ne suffisent pas à déterminer l'âge d'un gisement. II faut considérer l'ensemble de la faune d'un gisement pour espérer aboutir à une bonne datation. Puis on donna à cette époque ce que j'appellerais une définition grand public car elle est très médiatique: celle de l'apparition de l'homme. Mais que choisir? Est-ce celle de la famille des hominidés? mais elle apparut en Afrique entre 3 et 5 millions d'années avant notre ère, avec le Genre australopithécus, ce qui ferait remonter le Quaternaire à une date trop ancienne, que d'autres critères placent dans le Pliocène. On pourrait alors ne retenir que celle du Genre homo avec l'émergence de la pensée conceptuelle et l'invention de l'outil. Le plus ancien est Homo Habilis qui fut décrit par Louis Leakey en 1964 sur un gisement de Tanzanie. C'était un bipède assez parfait et l'on peut lui attribuer une industrie lithique homogène: celle des choppers et des premiers outils sur éclats. Mais cet ancêtre d'Homo Ergaster et d'Homo Érectus. Mais cet individu vécut il y a 2,5 à 1,8 millions d'années en Afrique orientale et australe, ce qui renvoie encore à une date très ancienne. Nous estimerons dans cet ouvrage que le quaternaire est prioritairement un événement climatique, avec l'installation périodique de deux vastes inlandsis sur le bouclier canadien (les limites de l'inlandsis américain sont assez bien matérialisées par l'alignement des lacs canadiens, du lac Érié au sud-est, au Grand Lac de l'Ours au nordouest), et sur les boucliers scandinave et sibérien (cet inlandsis s'étendait jusqu'à la Tamise, à la Groningue, la plaine germano-polonaise au sud, puis il couvrait la table russe, l'Oural, et les bassins actuels de l'Ob, de l'Ienisseï, jusqu'à la Léna, vers l'est). Entre ces deux ensembles, s'installa un inlandsis

pérenne: celui du Groenland. Mais celui de l'Antarctique couvrait tout ce continent au début du pliocène, il y a plus de 5 millions d'années. Quant à l'hémisphère nord, on sait maintenant que les conditions étaient glaciaires en Mer du Labrador voici 3,4 millions d'années. Même si la glaciation apparaît plus tardive sur le Nord de l'Europe, la situation était glaciaire entre 2,6 et 2,4 millions d'années. De toute façon, le début des glaciations n'étant pas synchrone, il ne peut servir de marqueur chronologique. C'est au congrès INQUA de Pékin, en 1991, puis de Berlin en 1995, qu'il a été proposé de fixer une date arbitraire à la limite Plio-Quaternaire. On a choisi un changement de polarité magnétique. Les corps ferromagnétiques chauffés au point de Curie (600°C) perdent leur aimantation. Mais en se refroidissant, ils se réaimantent suivant le champ magnétique du moment qu'ils fossilisent; c'est la rémanence thermomagnétique ou thermorémanence. Les éléments magnétiques des roches sédimentaires ou des laves volcaniques vont s'orienter dans le sens du magnétisme terrestre au moment de leur dépôt. On a ainsi montré non seulement des variations de la déclinaison et de l'inclinaison magnétiques, mais aussi l'occurrence d'inversions de la polarité terrestre, en 1979, à partir de carottes lacustres, marines et volcaniques Mankinen et Dalrymple ont montré que quatre périodes de polarité normale (actuelle) ou inverse ont affecté les cinq derniers millions d'années: polarités de Gilbert (inverse de 5 à 3,4 millions d'années B.P.) de Gauss (normale de 3,4 à 2,5 millions d'années B.P.), de Matuyama (inverse de 2,5 à 0,73 millions d'années B.P.) et de Brunhes (normale depuis 0,73 million d'années). Chaque période de polarité se trouve affectée par des inversions brutales et de courtes durées (ainsi, il y a 24000 ans, la planète connut une inversion brutale ou événement mono). La commission stratigraphique internationale a arbitrairement choisi la fin de l'événement Olduvai au cours de la polarité inverse Matuyama, il y a 1,64 million d'années, comme début du Quaternaire. Mais d'autres admettent que le changement de polarité Gauss-Matuyama, vers 2,4 B.P, serait plus judicieux, car il inclut l'antique Villafranchien. Le quaternaire reste un événement essentiellement climatique. Pourtant, ce fut d'abord une ère géologique à l'époque d'une division qui comprenait primaire, secondaire, tertiaire (le tout précédé du précambrien). Cette division est aujourd'hui abandonnée, et si l'expression quaternaire a été conservée, c'est comme dernier « système» du Cénozoïque ou Tertiaire. Le quaternaire prenait alors la suite du Néogène, avant-dernier système du tertiaire. Depuis, il s'est avéré que la « biocénose» quaternaire différait peu de celle du Pliocène. Aussi, le système néogène a-t-il été étendu au Quaternaire; et celui-ci est devenu un « sous-système» selon le choix de la commission internationale de stratigraphie. Il doit toutefois être vu comme une originalité climatique; vers 8

1,5 million d'années B.P, la coupe de Vrica a révélé l'apparition de radiolaires froids en Méditerranée, alors que normalement ces êtres sont stationnés dans les mers froides. C'est une preuve d'un changement climatique ayant affecté l'ensemble des océans. Or, la date correspond à celle de la commission stratigraphique internationale. En effet, une mutation s'est alors produite: le continent antarctique est en position polaire australe depuis le début du néogène, les continents de l'hémisphère nord se sont positionnés aux «moyennes latitudes», enfin l'isthme de Panama s'est fermé, perturbant la circulation océanique globale. La situation est devenue favorable à une climatologie changeante avec des saisons très marquées sur I'hémisphère nord pour peu que l'incidence des rayons solaires soit elle-même perturbée de façon cyclique. Alors que les variations de l'incidence des rayons solaires étaient jusqu'ici sans grand effet, celle-ci va prendre une importance nouvelle. À très court terme, il s'agit des variations climatiques saisonnières; mais à plus long terme ,les variations cycliques de cette incidence que mit en évidence Milutin Milankovic, vont engendrer des cycliques d'englacement de l'hémisphère nord à résonance planétaire: les périodes glaciaires, séparées par des périodes de réchauffement ou interglaciaires comme celui que nous vivons. Longtemps on a cru que la biocénose ne changeait guère, qu'elle se contentait de se déplacer selon une voie méridienne au gré du froid ou du réchauffement. On est revenu sur cette interprétation à la suite de nombreuses études paléoclimatiques effectuées tant à partir des données paléobotaniques de sites d'Amérique, d'Afrique et d'Asie tropicale, qu'à partir de données géomorphologiques. Il semble de plus en plus évident que l'aridité des terres non englacées fut la conséquence de l' englacement des terres émergées des hautes et moyennes latitudes. L'étude du Quaternaire est donc soit actuel ou passé, car la circulation position zonale, mais ses orientations géomorphologie, de I'hydrologie, conséquences, jusqu'à ce que l'homme inséparable de l'analyse du climat, qu'il atmosphérique ne changea que dans sa restèrent les mêmes. Les données de la de l'écologie n'en furent que les moderne en change pas la donne.

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Premier chapitre Originalité climatique du Quaternaire
Les climats, tels que le Quaternaire les a connus, relèvent en grande partie de la répartition géographique des masses continentales. Du Carbonifère (il y a 386 millions d'années) au Trias (il y a 37 millions d'années), les masses continentales étaient en grande partie regroupées en un seul continent: la Pangée. Celui-ci commença à se disloquer au Lias; et la répartition actuelle commença à se dessiner au Crétacé. Au milieu de l'Éocène, la répartition actuelle était à peu près dessinée: le continent antarctique prenait sa position polaire australe, l'Amérique latine et l'Afrique prenaient l'équateur en écharpe, et la masse considérable de l'Amérique du Nord, de l'Europe et de l'Asie se positionnaient autour du 50-60e parallèle nord. Cette situation va se confirmer durant le Miocène et l'Éogène, avec la fermeture progressive de l'isthme de Panama, et à l'aube du Quaternaire, il y a 2 millions d'années, les continents occupaient leur position actuelle. Il semble logique que la circulation atmosphérique ne se soit pas modifiée de manière fondamentale au cours de cette période: la planète tourne sur ellemême dans le sens horaire et seuls les paramètres astronomiques (obliquité, précession des équinoxes, ...) ont pu se modifier. L'air froid accumulé sur les pôles glissait lentement vers les moyennes latitudes, dévié par la force de Coriolis, à la rencontre de l'air tropical issu des basses latitudes. Aux latitudes « dites tempérées », la rencontre des deux masses d'air ne pouvait avoir que les mêmes conséquences qu'aujourd'hui, avec les seules nuances saisonnières qu'on lui connaît. Le raisonnement peut donc être réalisé à partir des données actuelles.

I - Une atmosphère en mouvement
Depuis le Crétacé et l'avènement des plantes à fleurs, l'atmosphère terrestre est composée de 78 % d'azote, de 21 % d'oxygène et 1 % de gaz rares (argon, néon, hélium, krypton, hydrogène, xénon, ozone, radon) dont 0,03 % de dioxyde de carbone (C02) dont on sait le rôle dans l'effet de serre. En effet, la température moyenne actuelle de la terre est d'environ 13°C; sans effet de serre et compte tenu de la distance du soleil, elle serait de -18°C. Cette masse est en éternel mouvement sous l'effet de la rotation de la Terre (force de Coriolis), et surtout du fait d'échanges énergétiques entre la chaleur

intertropicale et les frimas polaires. Même si on reconnaît une circulation zonale intertropicale, l'essentiel des échanges thermiques et dynamiques est méridien.

A

- La

circulation

méridienne

de l'atmosphère

Il faut pour cela que l'atmosphère fasse l'objet de mouvement verticaux imaginés par Hadley dés le XVIIe siècle, et l'on décrit aujourd'hui une circulation atmosphérique méridienne (document 1.1). JO) Les mouvements verticaux et le mécanisme des pressions. Du fait de leur température, les molécules d'air sont plus ou moins denses, mais leur densité moyenne provoque une pression dite « normale» de l'atmosphère d'une bar ou 1 015 hPa.
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- A.S. T. : Anticylones
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Document

1.1- Organisation

de la circulation

atmosphérique.

Dans l'air froid, les molécules se contractent et leur densité s'accroît: ainsi s'explique la présence d'air subsident dans les régions polaires où siègent donc des anticyclones thermiques ou zones dont la pression est supérieure à la pression normale. À l'inverse, dans l'air chaud elles se dilatent et leur densité 12

décroît:

on expliquait ainsi l'ascendance

équatoriale

de l'air, lieu géométrique

de nombreuses

dépressions

«

1 015 hPa). Toutefois

cette circulation

méridienne est interrompue par une violente circulation zonale stratosphérique située à la latitude des deux tropiques et nommée jet-streams ou courants jets. C'est en Novembre 1944 que les forteresses volantes de l'US-Air Force, bombardant Tokyo à 8 000 m, se rendirent compte que leur vitesse était de 140 km/h supérieure à celle prévue par le régime de leur moteur: on en déduisit l'existence d'un vent stratosphérique. Depuis, on en reconnaît trois: ? Le courant-jet équatorial (CJE) animerait l'ascendance équatoriale et des basses pressions. ? Les courants-jets sub-tropicaux (CJST) se déplacent au-dessus des tropiques et y engendrent une subsidence dynamique, où, malgré l'apport d'énergie thermique solaire, leur voisinage est le lieu géométrique de hautes pressions d'anticyclones dynamiques. ? Les courants-jet polaires (CJP) qui entretiennent les dépressions pluvieuses des moyennes latitudes. ? Dans chaque hémisphère, l'atmosphère se divise en trois cellules, des anneaux atmosphériques, parallèles à l'équateur et tournant sur eux-mêmes dans le sens méridien. Entre l'équateur et les tropiques, circulent les deux cellules de Ferrel nord et sud. Le courant-jet sub-tropical (CJST) entretient une subsidence au-dessus de chaque tropique, qui engendre de hautes pressions génératrices d'aridité. L'air subsident est chaud et de forte pression, son pouvoir évaporant est considérable, et, sur les continents, l'air est constamment sec (Sahara, Australie, Kalahari). À l'inverse, l'air est ascendant sous l'équateur du fait du courant-jet équatorial (CJE) ; l'effet est inverse, car l'ascendance provoque une condensation de la vapeur d'eau et de fortes pluies. Vers les moyennes latitudes, on rencontre les deux cellules de Hadley, entre la subsidence associée aux courants-jet subtropicaux (CJST) et l'ascendance engendrée par les courants-jet polaires (CJP). Au niveau de ces derniers, la turbulence est forte, les dépressions se déplacent d'ouest en est, et apportent des précipitations abondantes. Enfin, au voisinage des pôles, circulent les deux cellules polaires entre l'air froid subsident des régions polaires et l'air ascendant des courants-jet polaires (CJP). 2°) Les mouvements latéraux et la force de Coriolis (document 1.2). Dès le XVIIIe siècle, le mathématicien Coriolis avait démontré que tout mobile est soumis à deux composantes: sa vitesse réelle et sa vitesse apparente due à la rotation de la terre. Ainsi, tout objet se déplaçant de l'équateur vers les pôles est dévié sur sa droite dans l'hémisphère nord et sur sa gauche dans l'hémisphère sud.

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Document 1.2 - Circulation atmosphérique et répartition des précipitations.
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Par conséquent entre l'Équateur et les tropiques, à la base de la cellule de

Ferrel circulent des vents de secteur Est: les alizés du N.E. et du S.E. >- Entre les tropiques et les fronts polaires, à la base de la cellule de Hadley, circulent des vents de secteur ouest: les grands frais ou Westerlies. >- Enfin, des pôles, descendent tempérées nord. des vents de secteur est: la bise des régions

La comparaison entre les deux processus traduit la position des points sensibles: là où les vents sont convergents et y activent les ascendances. L'une d'elles est la convergence intertropicale qui correspond à la fois aux courants-jet équatoriaux (CJE) et à la convergence des deux alizés. Mais cette même position équatoriale la rend peu sensible aux variations saisonnières comme à celles qui, à plus long terme, font l'originalité du Quaternaire et que nous développerons ci-dessous. À l'inverse, les latitudes moyennes sont une zone de perturbation météorologique majeure. En effet, issu des anticyclones thermiques, l'air polaire s'étale vers le sud, porté par la bise, et se heurte à de l'air tropical issu des anticyclones dynamiques et porté par les Grands Frais. On a depuis longtemps distingué deux sortes de masses d'air au niveau du sol: >- L'air polaire provient des cellules polaires, mais selon qu'il a parcouru les océans et les continents, il est plus ou moins humide. Aussi distingue-t-on un air polaire océanique froid mais humide (pacifique et atlantique nord) et un air polaire continental glacé et sec (Canada, Russie et Sibérie). >- L'air tropical est issu de la cellule de Hadley. S'il a parcouru un continent, il est aride et chaud; c'est l'air tropical continental du Sahara, du désert australien. En Europe occidentale, il est plus fréquent qu'il ait parcouru un océan, c'est l'air tropical océanique issu de l'anticyclone des Açores, chaud et humide. À la rencontre de ces deux masses d'air, l'atmosphère ne peut être qu'ascendante le long d'une interface plus ou moins inclinée. C'était le «front polaire », lieu géométrique de dépressions dites de front polaire, soutenu par les courants-jet polaires ou CJP, et chers aux météorologues norvégiens des années 1920. Si la notion d'un front continu est aujourd'hui contestée, le principe reste vrai avec des ascendances violentes, génératrices de perturbations accompagnées de dépressions mobiles et de précipitations. C'est sa position aux moyennes latitudes qui importe car ces dernières connaissent des contrastes thermiques saisonniers très élevés.

B - L'incontournable

cycle de l'eau.

Le volume global des eaux terrestres est estimé à 1,4.109 km3. Ce volume est fini et stable, et il se répartit en trois réservoirs qui constituent des lieux où
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l'eau séjourne plus ou moins longtemps. Mais, pour qu'il y ait cycle, il doit exister des flux qui les relient; pour chacun on distinguera unflux entrant et un flux sortant (document 1.3).
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Document

"1.3 - Le principe du cycle de l'eau

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1 0) Les trois réservoirs ? Les eaux marines et océaniques constituent le principal réservoir: I 338.109 km3 dont 96,5 % appartiennent aux Océans. Il est en perpétuel renouvellement du fait des cycles sans fin d'évaporation, de condensation et d'apport continental par les fleuves. Le flux sortant ne concerne qu'un seul processus l'évaporation marine avec un total de 0,505.106 km3. Le flux entrant est double, car il est le fruit des précipitations océaniques avec un total de 0,458.106 km3, et d'un apport continental de 0,047.106 km3. Surtout il circule très peu d'eau marine, et les océans constituent un réservoir très stable où les flux sortant et entrant ne sont respectivement que de 0,038 %. et l'apport continental est apparemment négligeable: 0,004 %. ? L'atmosphère est un milieu assez pauvre en eau: c'est un réservoir très ténu 0,017.106 km3. Par contre elle fait l'objet de flux très importants avec un double flux entrant en provenance des océans et des continents estimé à 0,577.106 km3, et un double flux sortant vers les océans et les continents de même valeur: 0,577.106 km3. C'est donc principalement un lieu de transit de 577 000 Km3, représentant un volume 34 fois plus important que le volume stocké en permanence.

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~ Les eaux continentales sont celles qui nous intéresseront, et la capacité du réservoir est estimée à 47,961.106 km3. Le flux entrant est pluvial: 0,119.106 km3; mais ce ne sont que 0,25 % du stock. Le flux sortant est double: une grande partie est évaporale: 0,072.106 km3 et retourne à l'atmosphère; mais une modeste part appartient à l'écoulement des eaux de surface: 0,047.106 km3, soit 0,01 % du stock continental. Le cycle est donc bouclé, mais en réalité très peu d'eau circule: 91 % des eaux océaniques évaporées retournent à l'océan sous forme de pluies, 61 % des précipitations continentales sont immédiatement évaporées. Seulement 0,047.106 km3 d'eau circulent, soit 0,03 % de l'ensemble des eaux atmosphériques, continentales et océaniques. Mais ce sont ces 0,03 % qui jouent le premier rôle dans le fonctionnement hydrologique de la planète, car ils renouvellent les réservoirs continentaux. 2 - Les eaux continentales participent plus ou moins directement à ce transfert, en stockant des volumes sans doute constants à long terme, mais qu'il est parfois difficile d'évaluer. Ainsi, les eaux stockées dans les êtres vivants ou phyto-zoosphère et qui sont quotidiennement régénérées sont assez bien connues du fait de la recherche biologique, mais leur volume est négligeable: 1 100 km3. ~ Les inlandsis et les glaciers de montagne retiendraient 24.106 km3 avec une régénération: ainsi le flux sortant est de 2 300 km3 restitués soit à l'écoulement (glaciers de montagnes) soit par la fonte des icebergs. Il ne s'agit que de 0,0008 % de la masse totale, avec un temps moyen de renouvellement réparti sur près de Il 000 ans, apporté par un flux entrant nival. Mais le volume de ce réservoir varia considérablement au Quaternaire, du fait des cycles glaciaires et interglaciaires. ~ Le stock des eaux lithosphériques se répartit entre le sol et le sous-sol, où il constitue des aquifères dont les plus accessibles sont les nappes phréatiques (accessibles par un puits ou "Phréas" en grec). On estime que 16500 km3 résident dans le sol, avec d'importantes variations saisonnières; mais l'essentiel est dans le sous-sol avec un volume estimé à 23,7.106km3, ce qui est considérable (près de 50 % des eaux continentales). En fait, la quasi totalité des eaux continentales est stockée dans le sous-sol et dans les inlandsis et la part en circulation est très faible. 3 - Le bilan hydrologique concerne la part des eaux continentales participant aux flux entrant et sortant et il peut s'écrire en termes de bilan: Actif Passif Etr + Q + (R + oR2)

P + (R + oRl)

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où R représente la capacité des réservoirs continentaux km3..

est estimée à 47 964 600

:Y À l'actif: P traduit les précipitations continentales de 119000 km3, mais qui sont le plus souvent exprimées en mm, et mesurées par un pluviomètre, et ôRt marque alors la restitution que R opère pendant une durée déterminée. :Y Au passif: ETR constitue l'évapotranspiration réelle de 72 000 km3, c'est-àdire la consommation naturelle sous l'action de la chaleur d'origine solaire ou évaporation physique, et la consommation réalisée par les êtres vivants pour la satisfaction de leurs besoins physiologiques ou transpiration (photosynthèse + respiration). Q constitue l'écoulement des 47 000 km3 d'eaux de surface, des sources sous-marines et du vêlage des icebergs. ôRz traduit la recharge des réserves et constitue ce qu'on nomme aussi les pertes par infiltration et gel, opposées aux pertes par évaporation. Écrite avec ses valeurs approchées, l'égalité deviendrait Actif 119000 + 47 964 600 + oRI 48 083 600 + oRI oRI ... Passif 72 000 + 47 000 + 47 964 600 + oR2 48 083 600 + oR2 oR2

... ce qui signifierait que les réserves continentales ont un volume constant, et que les pertes enregistrées au passif seraient entièrement renouvelées par les gains récupérés à l'actif. En réalité, cela dépend de l'unité de temps retenue. Sur une longue période (la décennie ou mieux le siècle), on admet un équilibre entre aR) et aR2, le soutirage des réserves étant équilibré par l'infiltration; car on reconnaît une certaine stabilité météorologique statistique. Le bilan devient alors P = E + ERC + EST. Mais sur une très longue période (le millénaire, où la dizaine de milliers d'années), il faudrait faire intervenir les variations climatiques. Au cours des glaciations, aR2 l'emporta très largement sur éiR] par le stockage d'une grande partie des précipitations sous forme de glace. Il en résulta une ponction considérable dans le réservoir océanique qui se serait abaissé d'une centaine de mètres. Au contraire, le réchauffement post-glaciaire provoqua la fonte de ces inlandsis: aRj étant nettement supérieur à aRt, provoquant alors la remontée du niveau marin ou transgression flandrienne.

C - De la vapeur à la pluie
Tout part des océans, l'atmosphère étant le moteur (document 1.4).

10) L'atmosphère n'est qu'un vecteur entre l'excédent évaporé océanique et les restitutions pluviales sur les continents: 47000 km3 environ (document 1.3). Seuls des secteurs océaniques privilégiés voient l'évaporation l'emporter
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sur les précipitations; en effet, l'examen de cette carte permet de reconnaître des noyaux grossièrement centrés sous les anticyclones subtropicaux (document 1.2), et où l'évaporation dépasse 1 200 mm par an. Un vaste ensemble tropical et subtropical recouvre l'Atlantique nord, auquel s'ajoute un noyau sous le 15°// S pour l'Atlantique sud. Le secteur concernant l'Océan Indien couvre la mer Rouge, le Golfe Persique, la mer d'Oman, et un ensemble méridional de l'Australie aux Mascareignes. Une bande à deux noyaux traverse le Pacifique nord du Japon aux îles Hawaï, et une vaste plage, décentrée vers les côtes du Pérou, occupe le Pacifique sud. Ce sont là les espaces à partir desquels l'océan alimente la planète, étant entendu que l'écoulement fluvial vient rétablir l'équilibre. Mais l'air ne peut contenir qu'une certaine quantité de vapeur d'eau. Un point de saturation (quantité maximale de vapeur pouvant être contenue dans l'atmosphère) peut être atteint; mais cette situation varie avec les températures.

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Document 1.4 - Répartition de l'évaporation

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Pour que cette eau se condense, il faut la rafraîchir, pour amener la quantité de vapeur à saturation. Cette situation critique est le point de rosée, inversement proportionnel aux températures. Mais il faut faire aussi intervenir la pression atmosphérique, car la température s'élève quand celle-ci s'accroît. Ainsi, une masse d'air ascendante se refroidit et une masse d'air subsidente se réchauffe, et ces variations de pressions font varier les températures et abaissent ou élèvent le point de rosée. 2°) On comprendra aisément la genèse des averses: il faut que l'air arrive à saturation et que la vapeur se transforme en gouttelettes en suspension: les nuages. À l'inverse de l'évaporation, la pluie accompagne les zones d'ascendance de l'atmosphère (document 1.2). 19

". Les situations cycloniques sont à la rencontre des deux cellules de Hadley, où se situe la « cheminée équatoriale », et des cellules polaire et de Ferrel où circulent les « trains de perturbations frontales ». ". Il faut y ajouter les pluies de relief et de "rugosité" lorsque les vents constants (grands frais, alizés) ou saisonniers (mousson) rencontrent un relief. Sur le versant au vent, se produit alors une ascendance qui engendre des fortes pluies, puis un effet de fohn sur le versant sous le vent générateur de sécheresse, voire d'aridité. On ne retiendra que les contrées les plus arrosées (> 2 000 mm). Ce sont surtout des secteurs exposés aux vents marins. Les côtes occidentales montagneuses des continents tempérés (Sud Alaska et Colombie britannique, Norvège, Chili et Nouvelle-Zélande vers le 45°// et les secteurs océaniques adjacents) sont très arrosées. C'est ici que les grands frais (et les courants chauds de l'hémisphère nord) butent contre des continents montagneux. Mais il faut aussi retenir la «cheminée équatoriale» dont le lieu géométrique concerne les Océans chauds des bandes équatoriales de l'Atlantique, du Pacifique centre oriental, ainsi que les arcs insulaires du Pacifique occidental et de l'Océan Indien oriental. Il faut alors y associer les rivages équatoriaux en façade ouest (Colombie, Golfe de Guinée, Asie du Sudest), les régions insulaires (Antilles, îles de la Sonde) et de vastes noyaux continentaux (Amazonie orientale, boucle du Zaïre).

3°) Le résultat est une répartition zonale des ensembles climatiques (nonobstant les édifices montagneux). ". Les régions polaires sont un domaine froid et sec du fait de la présence de hautes pressions thermiques (ici, le mot doit être accepté dans le sens qu'un air froid est aussi un air lourd). ". Les moyennes latitudes représentent à l'inverse un ensemble privilégié; surtout pour ce qui concerne les littoraux: Colombie-Britannique et N-W. des États-Unis, Québec, Nouvelle-Angleterre et Vieux Sud, Europe occidentale et Extrême-Orient (toutefois le centre des continents connaît des hivers rudes, et la sécheresse estivale sévit sur les marges «méditerranéennes» et en Californie). ". Les tropiques sont dominés par la sécheresse: Sahara, Kalahari, Australie. ". Les régions équatoriales connaissent une ambiance quotidiennement chaude et humide. Une question reste en suspens: cette répartition s'est-elle modifiée au cours des périodes glaciaires du Quaternaire? On peut dès maintenant apporter une réponse partielle: la rotation de la Terre ne s'est pas modifiée; par conséquent, le sens de la circulation de l'air est resté le même. Surtout, la répartition des océans et des continents resta immuable. Seule l'inclinaison de la Terre sur son axe a pu influencer cette répartition.
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II - Rôle du contexte topographique
Dès le début du XXe siècle, Alfred Wegener avait émis l'hypothèse de la «dérive des continents ». Très controversée, cette idée fut reprise dans les années 1960 pour devenir la «tectonique des plaques» présentée au grand public par Le Pichon en 1968. Plus personne ne conteste aujourd'hui que les continents se déplacent au gré des plaques océaniques qui les portent, et que la géographie des océans et des continents a fortement varié au cours des 4 000 000 à 4 500 000 derniers millénaires. On emploie volontairement le millénaire afin de montrer que le Quaternaire (1 500 à 2 000 millénaires) n'est qu'un « clin d'œil» dans l'histoire de la Terre. Aussi la conséquence géographique de la tectonique des plaques est-elle négligeable en dehors des manifestations volcaniques et d'une néotectonique très localisée.

A - Brève histoire de la Pangée
Les plaques continentales se sont regroupées au cours du Paléozoi"que pour constituer un unique continent, que déjà Wegener avait nommé «Pangée» (document l.5a). L'histoire géologique du Mésozoi"que et du Cénozoi"que a vu l'éclatement de cet ensemble, jusqu'à ce que s'individualisent les six continents et les cinq océans que nous connaissons, avec une plus grande concentration de ces derniers dans l'hémisphère nord (document 1.5b). Ce processus qui dura près de 250 millions d'années fut accompagné de mouvements verticaux, ou orogénies, importants quand deux plaques venaient à se rencontrer. Notre planète constitue un espace fini, aussi l'éclatement de la Pangée devait conduire à la rencontre naturelle des plaques. Ces « collisions» vont affecter les continents à partir du Crétacé, pour s'accélérer au Cénozoi"que. Deux ensembles montagneux vont se constituer. y La ceinture de feu du Pacifique: en simplifiant, on écrira que le Pacifique se contracte sous l'action inversée des plaques continentales nord et sudaméricaines d'une part, asiatiques et australiennes d'autre part. Le fruit en est les formations des hautes chaînes de montagnes instables et volcaniques plus ou moins méridiennes: Montagnes Rocheuses, Andes, montagnes d'ExtrêmeOrient et surtout les cordons insulaires qui s'étendent du Kamtchatka aux lies de la Sonde. y L'ensemble orogénique alpin: il prend son origine dans la collision des plaques africaine et australienne au sud, avec les plaques européennes et asiatiques au nord. Le résultat est un ensemble montagneux parallèle à l'équateur qui commence à l'ouest avec les Pyrénées et l'Atlas, pour se poursuivre vers l'est avec les Alpes; les Carpates, les Balkans, la Chaîne Ponti que (Turquie), le Caucase, l'Elbourz, I'Indou-Kouch et I'Himalaya. 21

y Au nord du Subcontinent indien, la collision de l'Inde et de l'Asie amplifie le processus orogénique par l'ensemble montagneux le plus vaste de la planète où, du sud au nord se succèdent I'Himalaya, le Tibet, les Tian Chan, l'AltaI". Cette masse tend alors à se confondre avec la partie occidentale de la Ceinture de feu du Pacifique, notamment en Chine et en Sibérie orientale.

b) Répartition Document 1.5 - Conséquences

des continents au Néogène des plaques au Mésozoïque et au Cénozoïque

de la tectonique

Cette description est nécessaire, car ce dispositif est important dans la biogéographie du Quaternaire. En effet, alors que les chaînes méridiennes ont canalisé le repli et la reconquête des espèces végétales, les chaînes « zonales » ont constitué une barrière qui s'est traduite, en de nombreux lieux, par un recul de la biodiversité par rapport au Néogène.

22

Mais, pour la climatologie générale, les faits majeurs restent la concentration des masses continentales aux moyennes latitudes de l'hémisphère nord, et la fermeture de l'Isthme de Panama.

B - Une répartition

déséquilibrée

des continents

On sait que notre planète est océanique: les océans couvrent 70 % de la superficie et les continents 30 % seulement; mais cette répartition est déséquilibrée: 70 % des continents sont regroupés dans l'hémisphère, mais 60 % des océans appartiennent à 1'hémisphère sud-est océanique. Mais cette dualité est insuffisante, car il faut y ajouter que dans 1'hémisphère nord, le pôle est océanique alors que les moyennes latitudes sont continentales, répartition qui s'inverse dans l'hémisphère austral. L'holométrie comparée des terres émergées et des océans en rend parfaitement compte (documents 1.6 et 1.7).
1°) Le déséquilibre est modéré aux basses latitudes. Sur cet espace qui avoisine les 365 millions de km2, la répartition des terres et des mers est représentative de la moyenne planétaire: 27 % de l'espace sont continentaux (pour l'essentiel en Afrique et en Amérique du sud) et 73 % sont océaniques (du fait de l'immensité de l'Océan Pacifique sous ses latitudes). Surtout, la part de chacun des domaines est équilibrée avec 35 % de l'ensemble des masses continentales et 41 % de celui des océans. Et cette répartition est bien équilibrée de part et d'autre de l'équateur: 17 % des continents tropicaux sont au nord et 15 % au sud, 21 % des océans tropicaux sont au nord et 22 % au sud. 2°) Le déséquilibre est considérable sous les hautes latitudes. Ce sont certes des territoires étroits d'à peine plus de 70 millions de km2 (9,5 % des continents et 6,3 % des océans) mais ils sont beaucoup moins océaniques que les basses latitudes: les mers n'y occupent plus que 60 % de l'espace. Et, au-delà du 80ell nord et sud, la part des océans se réduit à 49 %. En fait, l'opposition entre les hémisphères est ici considérable. Au nord du cercle polaire arctique, le monde est maritime, avec 71 % de l'espace couvert par des océans, une part qui atteint 92 % au nord du 80ell, un milieu essentiellement constitué par l'Océan Glacial Arctique et sa banquise. À l'inverse, au sud du cercle polaire antarctique, on ne trouve qu' 1 %0 des mers, dans un monde où 46 % de l'espace sont continentaux, valeur qui grimpe à 93 % au sud du 80ell. On estime que le continent antarctique est en position polaire depuis le début du Néogène, et qu'il commença alors à se couvrir de glace. Les pôles constituent deux mondes climatiques différents: le sud est glaciaire et stable; à l'inverse, le nord est océanique, et climatiquement facilement perturbé.

23

30) Les moyennes latitudes reprennent cette répartition en l'inversant. Un peu plus de 540 millions de km2 de la planète sont ici concernés, mais globalement cet ensemble reste représentatif de la moyenne planétaire avec 31 % seulement des terres émergées. Mais on y trouve 59 % des continents et 54 % des océans, ce qui traduit, en fait, le déséquilibre entre le nord et le sud.

10

5

Document 1.6 - Holométrie des terres émergées et des océans

Boréales Hautes latitudes Australes

Nord du Cercle polaire Nord du 80e// Sud du Cercle polaire Sud du 80e//

3,7% 0,2% 6,0% 2,1% 49% 11% 17% 15%

3,6% 0,8% 3,0% 0,1% 19% 35% 21% 22%

29% 8% 46% 93% 51% 11% 27% 23%

71% 92% 54% 7% 49% 89% 73% 77%

Moyennes latitudes

Boréales Australes Boréales Australes

Entre le Cercle polaire et le TroDiaue nord Entre le Tropique sud et le Cercle Dolaire

Entre l'Equateur et le
TroDiaue nord

Basses latitudes

Entre l'Equateur
TroDiaue sud

et le

Document 1.7 - Répartition zona le des masses continentales et des océans 24

L'hémisphère nord est fortement continental avec 50 % des terres émergées de cet hémisphère, et, entre le cercle polaire arctique et le tropique du Cancer, les continents (Amérique du Nord et Eurasie) couvrent 51 % de l'espace. Inversement, I'hémisphère sud est quasiment océanique car, entre le cercle polaire antarctique et le tropique du Capricorne, les océans concernent près de 90 % de l'ensemble. 4°) Les conséquences climatiques et océanographiques sont considérables. Ce sont principalement les vents qui mettent les océans en mouvement (document 1.8). Aux basses latitudes, les alizés poussent les eaux tropicales devant eux: les alizés du N.E. donnent naissance aux courants nord-équatoriaux dans le Pacifique et l'Atlantique, les alizés du S.E. génèrent les courants sudéquatoriaux dans le Pacifique et l'Atlantique, et le courant des Aiguilles dans l'Océan Indien. Mais ils attirent aussi les eaux de fond près des côtes tropicales occidentales, ce sont les upwellings à l'origine des courants froids: Californie et Mauritanie au nord, Humbold et Benguela au sud.

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1.8 - Les courants

marins

Aux moyennes latitudes de l'hémisphère nord, ce mouvement est entretenu vers le N.E. par les grands frais: Gulf Stream puis la dérive nord-atlantique, Oya Shiva puis dérive nord Pacifique. Le fruit est l'afflux d'eau tiède sur les façades occidentales de l'Eurasie et de l'Amérique du Nord. Si on fait l'amalgame avec la circulation atmosphérique générale (documents 1.1, 1.2, 1.3 et lA), ces façades reçoivent en permanence eau tiède et air chaud et humide. Toutefois, cette circulation est tempérée par les eaux de l'Arctique qui s'échappent vers le sud. Déviées sur leur droite par la force de Coriolis, elles deviennent des courants froids: Koura Shiva venu du détroit de Béring, courants du Labrador et du Grœnland issus respectivement des détroits de Davis et de Danemark. 25

Le fonctionnement de I'hémisphère sud est différent. Certes les alizés génèrent des gyres symétriques, mais l'absence de continents aux moyennes latitudes, où tout au moins, l'ouverture de larges passages au sud de l'Afrique, de l'Australie et l'Amérique du Sud simplifie la circulation océanique qui se réduit à une dérive circumantarctique froide entraînée par la formidable énergie des Westerlies des 40e rugissants aux 60e hurlants. C'est une situation océanologique et météorologique extrême stable, à l'inverse de l'hémisphère nord où le conflit courants/courants froids et air polaire/air tropical est non seulement ordonné par les variations saisonnières mais aussi par des pulsations beaucoup plus longues, dont les glaciations sont un aspect.

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- Le rôle de la fermeture de l'isthme de panama

Si une partie des eaux du Pacifique peut passer dans l'Océan Indien, les eaux intertropicales de l'Atlantique ne peuvent entrer dans le Pacifique. De ce fait, la puissance des courants équatoriaux n'atteint pas celle de la dérive circumantarctique, déviée principalement vers le nord; cette énergie est utilisée par le Gulf Stream et l'Oya Shivo pour réchauffer le Pacifique nord et l'Atlantique nord. Il n'en a pas toujours été ainsi.

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Document 1.9 - Hypothèse de la circulation océanique au début du Néogène

Jusqu'au Néogène, l'isthme de Panama était resté ouvert, comme il existait un large passage entre l'Asie du Sud-Est et l'Australie (document 1.5). On peut émettre une hypothèse quant à la circulation océanique à la veille des grandes

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glaciations, sous réserve que la circulation de l'atmosphère ait été la même qu'aujourd'hui, ce qui est plausible (document 1.9). II ne faut pas envisager une circulation presque exclusivement zonale, comme ce fut peut-être le cas à partir du Crétacé. Mais le flux des alizés pouvait engendrer un flux océanique chaud des côtes occidentales de l'Afrique tropicale à ses côtes orientales du fait du passage libre entre les deux Amériques et entre l'Asie et l'Australie. Le flux d'un Gulf Stream et d'un Kouro Shiva devait se produire vers le Pacifique nord et l'Atlantique nord, mais en disposant d'une énergie moindre. Aussi, l'afflux d'eau chaude et d'air humide vers l'Europe et le nord-ouest américain était moins abondant. Or c'est cette abondance qui crée l'humidité de ces façades, et qui y provoque une pluviosité (ou une nivosité) importante.

III - Une instabilité climatique
L'hémisphère sud est, certes, l'objet d'une plus grande stabilité: permanence d'un inlandsis et d'un anticyclone thermique stable, régularité de la circulation d'ouest tant au nouveau de l'eau marine qu'au ni veau des Westerlies. À l'inverse, ce que nous venons de décrire dans l'hémisphère nord, plus continental aux moyennes latitudes et marins aux très hautes latitudes, engendre une instabilité climatique chronique. En effet, I'hémisphère nord est une zone de conflits entre l'eau chaude de surface apportée des tropiques par le Gulf Stream et le Koura Shiva, d'une part, et l'air tropical humide né de l'évaporation sous les anticyclones subtropicaux (Açores et îles HawaJ), de son transfert par les grands frais de I'hémisphère nord et de son contact avec l'air froid polaire venu de l'Arctique, d'autre part. II faut aussi envisager le rôle des saisons.

A - La simplicité de l'hémisphère sud
II est océanique aux moyennes latitudes, continental aux basses et hautes latitudes. Ce sont les conditions idéales d'un fonctionnement climatique parfaitement zonaI (documents 1.2 et 1.7). ]D) Nous commencerons par quelques généralités. Le continent antarctique est une réserve de frigories. L'inlandsis ou calotte glaciaire y culmine à près de 4000 m en un point situé vers 83 degrés de latitude sud, et le pôle est lui-même à 2 800 m. Un anticyclone thermique couvre donc en permanence cette masse continentale, il tourne sur lui-même dans le sens anti-horaire (la force de Coriolis est inversée dans l'hémisphère sud), et il génère des vents catabatiques, c'est-à-dire des masses d'air qui s'écoulent sous leur propre poids du pôle vers le nord. Ces vents de sud-est peuvent atteindre la force 12 sur le littoral.

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Cette remarque est importante, car les inlandsis qui ont couvert le bouclier canadien et le bouclier fennoscandien avaient des proportions similaires. Les conditions climatiques ne furent pas très différentes: anticyclones thermiques minces mais très actifs, vents catabatiques sur le pourtour. On verra que leur probabilité est confirmée par les énormes quantités de dépôts éoliens qui ont accompagné l'extension de ces masses glacées (lœss et sables soufflés). La situation tropicale australe n'a rien d'original. Des anticyclones dynamiques accompagnent le tropique du Capricorne et l'alizé du sud-est s'en échappe vers l'équateur. À l'inverse, c'est la circulation des moyennes latitudes qui attirer notre attention. À partir des mêmes anticyclones, s'échappent les Westerlies de l'hémisphère sud, C'est un air polaire presque uniquement océanique, riche en vapeur d'eau issue du Pacifique sud, de l'Atlantique sud (anticyclone de Sainte-Hélène) et de l'Océan Indien. Mais c'est au-dessus de l'Océan Antarctique que cet air tropical entre en contact avec l'air polaire antarctique, y engendrant les violentes tempêtes des 40e rugissants aux 60e hurlants. Mais peu d'humidité gagne le continent austral qui serait aride sans le gel constant. C'est une circulation essentiellement Chili méridional, et la Nouvelle-Zélande, relief. zonale, peu perturbée par la côte du qui reçoivent d'importantes pluies de

2°) Les variations saisonnières restent modestes. Au cours de l'hiver austral l'anticyclone polaire gagne en latitude, et les vents catabatiques balayent les mers bordières et les îles australes; les Westerlies se trouvent alors légèrement repoussés vers le nord. C'est à ce moment que les dépressions atteignent l'Afrique australe et le sud-ouest australien, y générant un sosie du climat médi terranéen. Au cours de l'été austral, l'anticyclone se contracte, l'Afrique du Sud et le sud-ouest australien connaissent la sécheresse, le temps se calme sur le littoral antarctique, mais le temps perturbé des Westerlies se maintient sur le sud du Chili, la Tasmanie et la Nouvelle-Zélande (et les îles australes, bien entendu). C'est à ce moment que les icebergs se détachent des glaciers pour constituer de vastes amoncellements au fond des baies. On les nomme shelfs et ils occupent les baies de Ross et de Fichner, en Antarctique occidentale. Ils dérivent pendant des mois d'ouest en est entre les 60e hurlants et les 40e rugissants. Nous avons décrit une situation de grande stabilité, car celle-ci repose essentiellement sur la répartition zonale des masses continentales et des océans. Une péjoration du froid (comme au cours des glaciations) ne peut étendre la masse d'un inlandsis qui couvre déjà près de 100 % du continent. Le véritable contraste se tient au-dessus des immensités de l'océan austral. Cette stabilité ne 28

peut être rompue que par la tectonique des plaques (dont la lenteur dépasse notre propos) ou par une modification de la composition de la haute atmosphère qui provoquerait un effet de serre tel qu'il porterait atteinte à la froidure même de l'inlandsis.

B - La complexité

de l'hémisphère

nord

Ici, le contexte topographique est presque inversé, et le balancement saisonnier prend toute son importance, car les comportements des masses d'air polaire continental qui séjournent sur la Sibérie et le Canada connaissent des variations thermiques importantes entre la chaleur des étés et le gel de I'hiver (documents 1.2, 1.7 et 1.10).
Pô1enard
Cerc1e aI~tiql1' polaire 45e pa:ralléle

TropÉjue du CaI1Cer

Equateur

Cellule de Fenel
Cellule polaite J10Id

Cellule ,le Hadley JlO1d

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Equateur

FJOnt polaite a) Position statistique des cellules au solstice d'lù\'eJ boJéal

Anticylolle

su.btJOpical

Pôle nard

Celde polarre aI~tiql1e

45e pa:rallé1e

Tropique du CaIreer

Cellule polaite nœd

Cellule de Fenel

Cellule de Ha,llev noId

Flont polaite

Anticylone subtIopicaI

Convergence

inteItI0lri.ca.\e

b) Position statistique des cellules au solstice d'été boIéal

Document 1.10 - Le balancement saisonnier de l'atmosphère dans l'hémisphère nord

La description est plus aisée si on part de l'équateur. La situation tropicale boréale ne diffère pas de la précédente. Une ceinture anticyclonique dynamique jalonne le tropique du Cancer: anticyclone des Midway et des îles Hawaï dans le Pacifique nord, anticyclone des Açores dans l'Atlantique nord. Les alizés du nord-est qui s'en échappent vont à la rencontre des alizés du sud-est au-dessus d'une ligne à peu près équatoriale: la convergence équatoriale ou équateur

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