COURS 01 : LA TERRE, STRUCTURE ET FONCTIONNEMENT …

Dynamique des milieux physiques et aléas associés DR. HAOUES C

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COURS 01 : LA TERRE, STRUCTURE ET FONCTIONNEMENT

INTRODUCTION :

Les sciences de la terre et de l’univers ont pour objet d’étudier la structure de la terre

(lithosphère, hydrosphère, atmosphère et biosphère) et son environnement spatial. Elles font

appel à la géodynamique interne qui s’intéresse aux processus qui ont été à l’origine des

océans et des continents (mouvements et processus qui affectent l'intérieur de la Terre) et à la

géodynamique externe qui s’occupe de l’évolution de la surface terrestre (paysages,

processus d’érosion ou sédimentation) causés par les agents moteurs qui les enclenches.

Il s'agit essentiellement d'une thermodynamique reliée à la déperdition de chaleur causée par

la désintégration radioactive de certains éléments et le déplacement de plaques rigides

(lithosphériques) à la surface de la planète qui glissent sur du matériel plastique

(asthénosphère) expliquant les séismes, les volcans et la formation des chaînes de montagnes.

1. La terre et le système solaire

La terre est la troisième planète tellurique en dimensions du système solaire après Mercure,

Venus et finalement Mars. Il existe aussi quatre planètes géantes (gazeuses) composées

essentiellement de glace, Hélium et d’Hydrogène. Ces dernières tournent autour du Soleil

avec une période de révolution d’autant plus longue qu’elles en sont éloignées,

conformément aux lois de Kepler. Toutes ces planètes tournent autour du soleil suivant une

trajectoire plus ou moins circulaire dont le tour complet effectué par la terre est appelé

(révolution 365 jours). Les planètes tournent aussi autour d’elles mêmes (rotation

23h56’41’’) pour la terre. La distance d’une planète au Soleil conditionne la puissance

lumineuse qu’elle reçoit (flux solaire) et donc logiquement la température moyenne qui règne

à sa surface.

Figure 01. Le système solaire


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Cependant, nous voyons que cette règle n’est que modérément respectée puisque c’est la

deuxième planète, Vénus, qui est la plus chaude. C’est aussi celle qui possède l’atmosphère la

plus massive. Nous constatons également que plus l’enveloppe gazeuse est conséquente (avec

pour effet l’augmentation de la pression au sol), moins les contrastes de température sont

accusés à la surface. Bien que les conditions physiques qui règnent à la surface de Mars et de

Vénus soient très dissemblables, les atmosphères des deux planètes présentent à peu près la

même composition chimique : le dioxyde de carbone y est très majoritaire (95 %) suivi de

l’azote à 03 % sur Mars et 05 % sur Vénus, puis l’argon sur Mars.

En revanche, les gaz à l’état de traces diffèrent (dioxyde de soufre pour Vénus et eau pour

Mars). L’atmosphère de notre Terre se distingue fortement des deux précédentes puisqu’elle

est dominée par l’azote et l’oxygène, un cas unique dans le système solaire.

Malgré des différences majeures de composition, de masse volumique et de pression, les

atmosphères de Vénus, de la Terre et de Mars sont le siège de grands déplacements de

matière, les vents, qui assurent le transport d’énergie entre les basses et hautes latitudes.

En effet, à l’équateur l’atmosphère absorbe plus d’énergie solaire qu’elle ne peut en restituer

vers l’espace par rayonnement thermique. Mars et la Terre partagent en commun beaucoup de

phénomènes météorologiques liés aux déplacements et à l’affrontement de masses d’air

différenciées (cyclones et anticyclones, précipitations d’eau liquide ou solide sur Terre, de

dioxyde de carbone solide sur Mars, tornades, tempêtes de sable,… etc.).

2. STRUCTURE INTERNE DE LA TERRE

La terre est composée de Fer (31.2%), d’oxygène (30.1%), Silicium (15.1%), Magnésium

(13.9%), Soufre (02.9%), Nickel (01.8%), Calcium (01.5%), Aluminium (01.4%) et 01.2%

restant de légères traces d’autres éléments. Elle est constituée par des couches thermiques

(enveloppes). La lithosphère est la partie rigide et comprend la croute continentale SIAL

(silicium-aluminium), océanique SIMA (silicium-magnésium) et une partie du manteau

supérieur. Elle est divisée en plaques lithosphériques entre 1000 et 10000 km.

L’asthénosphère est la partie la plus visqueuse du manteau supérieur et s’étend de la

lithosphère jusqu’au manteau inférieur sur 700 km. Elle est plus chaude et transmet la chaleur

par convection et conduction. La discontinuité de Mohorovicic est la limite entre la croute

continentale et la limite du manteau supérieur ayant une épaisseur comprise entre 20 et 90 km

et la croute océanique qui est située à 35 km de profondeur à une épaisseur comprise entre 5

et 10 km.


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Figure 02. Résumé de la structure interne de la terre

La terre est surmontée d’une enveloppe atmosphérique et sa diversité résulte de la présence

d’eau, la transformation constante de la surface terrestre et le développement de la vie.

L’eau est présente dans les enveloppes externes de la planète sous trois états : liquide, solide

et gazeux qui répond aux conditions de température et de pression de l’atmosphère.

La vapeur d’eau est un composant important de l’atmosphère, la circulation des masses d’air

assure le transfert entre les différentes parties du globe terrestre.

L’eau liquide et stockée dans les bassins océaniques et distribuée par les pluies devient glace

dans les régions froides polaires.

Les transformations de la surface terrestre résultent à la fois des mouvements profonds du

globe et des transferts des matières opérés par l’eau sur les continents.

La ségrégation des matières à l’intérieur à différencié des unités d’inégale plasticité et une

croute externe rigide.

Le déplacement des plaques lithosphériques modifie la configuration des continents et des

océans qui induit des déformations donnant naissances au relief.

D’autre part, l’érosion redistribue progressivement les matériaux des parties élevées vers les

régions basses.

Le développement de vie à donné à la terre son caractère de renouvellement permanent grâce

à la biodiversité des espèces végétales et animales qui résulte d’évolutions complexes dans le

temps et dans l’espace.


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Cours 02 : COMPOSITION DE L’ATMOSPHERE

L’atmosphère est essentiellement constituée d’un mélange gazeux, d’air.

Ce mélange comprend surtout de l’azote (N2, 78 % en volume) et de l’oxygène (21 %).

Pour le reste, soit 01 %, on y trouve de l’argon (Ar), du dioxyde de carbone, ou gaz

carbonique, (CO2, 0,03 %), et des traces infimes d’autres gaz : néon, krypton, hélium, ozone,

hydrogène.

Tableau 01: Composition de l’atmosphère par rapport à l’air sec.

Cette composition est assez constante jusque vers 85 km d’altitude, sauf pour certains gaz,

par exemple l’ozone qui est surtout présent entre 20 km et 30 km d’altitude. En plus de ces

gaz, on trouve des proportions variables de vapeur d’eau (rarement plus de 05 % du total).

Enfin, des particules solides plus ou moins fines sont présentes aussi. Elles peuvent être

constituées par des poussières arrachées aux déserts par le vent (argiles, sable, etc.), par des

cendres volcaniques éjectées dans l’atmosphère lors d’éruptions, par des résidus de

combustion (feux de forêts, usines, etc.) dont les quantités ont augmenté considérablement

depuis le début de l’ère industrielle, et par de fins cristaux de chlorure de sodium provenant

des océans. Ces particules ont un rôle important dans l’absorption des rayonnements, la

formation des nuages et des précipitations, car elles constituent des noyaux autour desquels se

condensent les gouttelettes d’eau.

3.1 DIVISION DE L’ATMOSPHÈRE EN COUCHES

Les propriétés de l’atmosphère varient selon l’altitude. D’une part, l’air est d’autant plus

dense que l’on se trouve près du sol, car les molécules de gaz sont attirées et retenues par

l’attraction terrestre. D’autre part, notamment du fait des réactions successives engendrées

par les radiations solaires pendant leur traversée de l’atmosphère, les équilibres physico-

chimiques ne sont pas les mêmes aux différents niveaux et entraînent des variations dans les


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proportions relatives de certains gaz. L’absorption des rayonnements énergétiques, reçus

principalement du Soleil mais aussi réémis par la surface de la Terre, dépendant de

l’abondance de plusieurs de ces gaz. En fonction de ces variations, l’on distingue quatre (04)

couches principales.

Figure 03. Les couches de l’atmosphère

3.1.1. La troposphère : elle commence, vers le bas, à la surface du sol et sa limite

supérieure, appelée tropopause, se situe vers 9 km au-dessus des pôles et vers 15 km au-

dessus de l’équateur. Dans les conditions normales, la température y décroît lentement avec

l’altitude pour ne plus atteindre que –50 à –60 °C à son sommet. Elle contient 80 % de la

masse totale de l’air atmosphérique et c’est là que se forment les nuages et que les principaux

phénomènes météorologiques se manifestent.

3.1.2. La stratosphère : surmonte la troposphère et est limitée vers le haut par la

stratopause, située aux environs de 50 km d’altitude. L’air y est de 10 à 1 000 fois moins

dense que près du sol et sa température y augmente lentement vers le haut. Cette

augmentation de température est due principalement à la présence d’ozone qui absorbe

intensément le rayonnement ultraviolet du Soleil.

3.1.3. La mésosphère : plus élevée encore, est limitée en haut, vers 80 km, par la

mésopause. Les températures y décroissent de bas en haut jusque vers –80 °C.

3.1.4. L’ionosphère : représente la partie la plus élevée de l’atmosphère. L’air y est très

raréfié et les molécules de gaz sont ionisées par les rayonnements de haute énergie qui les

frappent.

3.2 L’OZONE ATMOSPHERIQUE

L’ozone, ou trioxygène, est un gaz très oxydant dont les molécules sont composées de trois

atomes d’oxygène. Il existe dans l’atmosphère à des concentrations extrêmement faibles

(0,00006 %), mais son rôle, dans le contrôle des climats et dans la préservation de la vie sur

terre, est très important.


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COURS 03 : LE CYCLE DE L’EAU

INTRODUCTION

La circulation de l’eau correspond au mouvement de masses liquides comme les courants

marins ou l’écoulement dans les rivières qui s’organisent en circuit complexes activé par

l’énergie solaire.

Le cycle de l’eau relie l’océan, l’atmosphère, les continents et les couvertures végétales.

Les océans représentent 97.4% du volume liquide et leurs surfaces occupent 7/10 du globe

permettant les échanges thermiques avec l’enveloppe gazeuse nécessaire à l’évaporation.

Les océans fournissent à l’atmosphère 86% de vapeur d’eau et le reste soit 14% est procurée

par les continents.

La condensation restitue le liquide principalement sous forme de pluies qui s’abattent tant sur

les mers (76%) que sur les continents (24%), ce qui implique un flux d’eau vers les

continents correspondant à 10% des échanges totaux.

Le retour à la mer des eaux continentales résulte du ruissellement sur les pentes et de

l’écoulement dans les rivières qui acheminent les 2/3 des eaux précipitées.

Une partie des eaux continentales est retenue dans les lacs et les nappes phréatiques (27%) ou

dans les glaciers.

Enfin, la végétation absorbe une partie de l’eau du sol par l’évapotranspiration des plantes qui

fournit 14% de la vapeur d’eau de l’atmosphère.

Figure 04. Schéma du cycle hydrologique

Donc, il existe trois cycles de l’eau : Un cycle court : restitue directement à la mer 90% de

l’eau évaporée sur les océans avec un temps de séjour de 10 à 12 jours.

Un cycle long : le temps de retour des eaux vers la mer est en moyenne supérieur à 05 années.

L’évapotranspiration, renouvèle la vapeur d’eau dans les basses couchent de l’atmosphère.

Les circuits de l’eau sont principalement activés par les apports caloriques produits par les

rayonnements solaires qui sont responsables de grandes répartitions naturelles.

Dynamique des milieux physiques et aléas associés Dr. HAOUES C

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La gestion de l’eau que ce soit pour l’alimentation, drainage ou irrigation passe tout d’abord

par la compréhension du bilan hydrique. Ce dernier commence par les précipitations dont une

partie est interceptée par les plantes. La quantité d’eau qui atteint le sol essaie de s’infiltrer

pour humidifier le sol et alimenter la nappe phréatique et lorsqu’elle n’y parvient pas, une

lame d’eau affleure en surface et ruisselle.

De l’autre part, les plantes et la surface du sol puisent l’eau dans le sol pour contribuer à

l’évapotranspiration. La nappe contribue à l’écoulement souterrain et à réalimenter le profil

du sol et des plantes (remontée capillaire).

Figure 05. Le bilan hydrique au niveau de la parcelle

Estimation du bilan hydrique

Il peut-être analysé schématiquement d’une façon simplifiée par l’équation universelle :

P = ETR + (R + I + ΔRFU) = ETR + Peff

P : précipitations annuelles en (mm) ; ETR : évapotranspiration réelle (mm) ;

R : ruissellement de surface en (mm) ; I : l’infiltration en (mm) ;

ΔRFU : variation de la réserve facilement utilisable (mm) ;

Peff : pluie efficace (mm).

Autrement dit : si P > ETP, ETR = ETP et le surplus (P - ETP) est utilisé pour alimenter la

RFU.

Si P < ETP, signifie vraisemblablement que : ETR = P et la RFU = 0

Par contre, Si ETR < ETP cela veut dire qu’il y a un déficit agricole Da.

Le ruissellement :

Le ruissellement est calculé en fonction des précipitations et de l’évapotranspiration selon la

méthode de Tixeront et Berkaloff (1960) :

R = P3 / 3. E²

R : Ruissellement (mm) ; E : Evapotranspiration moyenne annuelle (mm).


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L’infiltration:

I = P – (ETR + R)

Pour la validation des résultats, nous nous sommes appuyés sur les équations suivantes:

P = ∑ ETR +∑ EX

ETP = ∑ETR + ∑Da

L’évapotranspiration potentielle: L'ETP est calculée selon la méthode de Thornthwaite:

10T a

ETP = 16k

I

12 T 1.5

I = ∑i: i =

1 5

1.6

a = I + 0.5

100

ETP: évapotranspiration mensuelle en mm; i : indice thermique mensuel ; T: température

mensuelle en °C ; K : coefficient de correction mensuel fonction de la latitude du lieu et du

mois considéré.

Tableau 02 : Abaque de correction de l’ETP en fonction de la latitude

Lat. N J F M A M J J A S O N D

0 1.04 0.94 1.04 1.01 1.04 1.01 1.04 1.04 1.01 1.04 1.01 1.04

5 1.02 0.93 1.03 1.02 1.05 1.03 1.06 1.05 1.01 1.03 0.99 1.02

10 1.00 0.91 1.03 1.03 1.08 1.06 1.08 1.07 1.02 1.02 0.98 0.99

15 0.97 0.91 1.03 1.04 1.11 1.08 1.12 1.08 1.02 1.01 0.95 0.97

20 0.95 0.90 1.03 1.05 1.13 1.11 1.14 1.11 1.02 1.00 0.93 0.94

25 0.93 0.89 1.03 1.06 1.15 1.14 1.17 1.12 1.02 0.99 0.91 0.91

26 0.92 0.88 1.03 1.06 1.15 1.15 1.17 1.12 1.02 0.99 0.91 0.91

27 0.92 0.88 1.03 1.07 1.16 1.15 1.18 1.13 1.02 0.99 0.90 0.90

28 0.91 0.88 1.03 1.07 1.16 1.16 1.18 1.13 1.02 0.98 0.90 0.90

29 0.91 0.87 1.03 1.07 1.17 1.16 1.19 1.13 1.03 0.98 0.90 0.89

30 0.90 0.87 1.03 1.08 1.18 1.17 1.20 1.14 1.03 0.98 0.89 0.88

31 0.90 0.87 1.03 1.08 1.18 1.18 1.20 1.14 1.03 0.98 0.89 0.88

32 0.89 0.86 1.03 1.08 1.19 1.19 1.21 1.15 1.03 0.98 0.88 0.87

33 0.88 0.86 1.03 1.09 1.19 1.20 1.22 1.15 1.03 0.97 0.88 0.86

34 0.88 0.85 1.03 1.09 1.20 1.20 1.22 1.16 1.03 0.97 0.87 0.86

35 0.87 0.85 1.03 1.09 1.21 1.21 1.23 1.16 1.03 0.97 0.86 0.85

36 0.87 0.85 1.03 1.10 1.21 1.22 1.24 1.16 1.03 0.97 0.86 0.84

37 0.86 0.84 1.03 1.10 1.22 1.23 1.25 1.17 1.03 0.97 0.85 0.83

38 0.85 0.84 1.03 1.10 1.23 1.24 1.25 1.17 1.04 0.96 0.84 0.83

39 0.85 0.84 1.03 1.11 1.23 1.24 1.26 1.18 1.04 0.96 0.84 0.82

40 0.84 0.83 1.03 1.11 1.24 1.25 1.27 1.18 1.04 0.96 0.83 0.81

41 0.83 0.83 1.03 1.11 1.25 1.26 1.27 1.19 1.04 0.96 0.82 0.80

42 0.82 0.83 1.03 1.12 1.26 1.27 1.28 1.19 1.04 0.95 0.82 0.79


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43 0.81 0.82 1.02 1.12 1.26 1.28 1.29 1.20 1.04 0.95 0.81 0.77

44 0.81 0.82 1.02 1.13 1.27 1.29 1.30 1.20 1.04 0.95 0.80 0.76

45 0.80 0.81 1.02 1.13 1.28 1.29 1.31 1.21 1.04 0.94 0.79 0.75

46 0.79 0.81 1.02 1.13 1.29 1.31 1.32 1.22 1.04 0.94 0.79 0.74

47 0.77 0.80 1.02 1.14 1.30 1.32 1.33 1.22 1.04 0.93 0.78 0.73

48 0.76 0.80 1.02 1.14 1.31 1.33 1.34 1.23 1.05 0.93 0.77 0.72

49 0.75 0.79 1.02 1.14 1.32 1.34 1.35 1.24 1.05 0.92 0.76 0.71

50 0.74 0.78 1.02 1.15 1.33 1.36 1.37 1.25 1.06 0.92 0.76 0.70

Lat. S J F M A M J J A S O N D

5 1.06 0.95 1.04 1.00 1.02 0.99 1.02 1.03 1.00 1.05 1.03 1.06

10 1.08 0.97 1.05 0.99 1.01 0.96 1.00 1.01 1.00 1.06 1.05 1.10

15 1.12 0.98 1.05 0.98 0.98 0.94 0.97 1.00 1.00 1.07 1.07 1.12

20 1.14 1.00 1.05 0.97 0.96 0.91 0.95 1.99 1.00 1.08 1.09 1.15

25 1.17 1.01 1.05 0.96 0.94 0.88 0.93 0.98 1.00 1.10 1.11 1.18

30 1.20 1.03 1.06 0.95 0.92 0.85 0.90 0.96 1.00 1.12 1.14 1.21

35 1.23 1.04 1.06 0.94 089 0.82 0.87 0.94 1.00 1.13 1.17 1.25

40 1.27 1.06 1.07 0.93 086 0.78 0.84 0.92 1.00 1.15 1.20 1.29

42 1.28 1.07 1.07 092 0.85 0.76 0.82 0.92 1.00 1.16 1.22 1.31

44 1.30 1.08 1.07 0.92 0.83 0.74 0.81 0.91 0.99 1.17 1.23 1.33

46 1.32 1.10 1.07 0.91 0.82 0.72 0.79 0.90 0.99 1.17 1.25 1.35

48 1.34 1.11 1.08 0.90 0.80 0.70 0.76 0.89 0.99 1.18 1.27 1.37

50 1.37 1.12 1.08 0.89 0.77 0.67 0.74 0.88 0.99 1.19 1.29 1.41


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COURS 04: LES RAYONNEMENTS SOLAIRES

INTRODUCTION

Diviser le climat en en divers éléments relève d’une démarche analytique qui se doit

d’expliquer les éléments qui le conditionnent. On parlera de l’énergie solaire, la température,

l’humidité atmosphérique et les précipitations.

1. L’ENERGIE SOLAIRE

En raison de sa température, le soleil émet des rayonnements entre 0.1 et 3μm, répartis entre

les domaines de l’infrarouge (IR = 48%), du visible (VIS = 43%) et l’ultraviolet (UV = 09%).

De sa part, la terre émet vers l’espace 69% des rayonnements reçus soit 235w/m² en

moyenne. Etant donné que la constante solaire au sommet de l’atmosphère est 1.368kw/m² et

la surface de la terre est 4 fois plus grande que celle d’un disque de même diamètre.

Figure 06. L’énergie solaire reçue sur terre

Au cours de son trajet, une partie du rayonnement va être renvoyée dans l’espace sans

modification soit 31% (effet Albédo), 20% sont absorbés par l’atmosphère et le reste 49% est

absorbé par le sol, la végétation et les océans. Ceux-ci, ainsi échauffés, vont restituer cette

énergie 1) par conduction calorifique (chaleur sensible), 2) par évaporation d’eau (chaleur

latente), 3) par émission de rayonnement infrarouge.

L’absorption des infrarouges par les gaz à effet de serre augmente largement la température

de la troposphère par rapport à ce qu’elle devrait être sans ces gaz (au sol, en moyenne 15 °C

au lieu de –19 °C).

2. L’EFFET DE SERRE

Les échanges d’énergie au sein de l’atmosphère sont grandement dépendants des propriétés

d’absorption des gaz qui la composent, dont le physicien français Joseph Fourier a été un des

premiers à souligner l’importance, et qui produisent ce que l’on nomme effet de serre par

comparaison à ce qui se passe dans ces constructions vitrées. Pour comprendre ce

phénomène, prenons un exemple simple. Dans un premier cas, (Fig. 07A) le Soleil chauffe

une certaine surface. Lorsque l’équilibre thermique est établi, cette surface est à la

température T1, et la puissance qu’elle émet est égale à celle qu’elle absorbe.


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Admettons, pour simplifier, que cette émission s’effectue uniquement par rayonnement

infrarouge, la conduction thermique étant négligeable.

Coiffons maintenant cette même surface par une serre en verre (Fig. 07B).

Figure 07. Équilibre thermique avec et sans effet de serre

L’équilibre thermique sera rompu mais, au bout d’un certain temps, un autre s’établira et on

aura encore autant de puissance sortante qu’entrante.

Cependant, dans cette nouvelle situation, les parois de la serre renvoient vers l’intérieur une

partie des infrarouges qui y sont émis. Admettons qu’elles ne laissent passer que les deux

tiers du rayonnement infrarouge. Il faut alors obligatoirement conclure qu’elles reçoivent de

l’intérieur 50 % de plus de rayonnement qu’elles n’en laissent sortir, soit 150 % du

rayonnement incident. Cela est rendu possible par une élévation importante de la température

à l’intérieur de la serre. Nous savons en effet, par la loi de Stefan, que l’énergie rayonnée par

un corps noir est proportionnelle à la puissance 4 de sa température absolue.

Dans le cas qui nous occupe, si nous assimilons la surface dans la serre au corps noir, en

admettant que la température sans la serre soit de 10 °C, c’est-à-dire 283 K, on trouve, pour

la température avec la serre, 313 K, soit 40 °C.

En effet, si l’on désigne l’énergie rayonnée et la température avant la mise en place de la

serre respectivement par W1 et T1, et les valeurs qui leur correspondent après la mise en

place de la serre par W2 et T2, On a W2/W1 = T24/T14 et comme on a fixé que :

W2 = 1,5.W1, on a T2 = T14√1.5 soit 283 \ 1,1067 = 313.

L’élévation de température est donc de 30 °C.

D’après ce que nous avons dit, il est obligatoire que ce phénomène se produise sur Terre

puisque certains des gaz de l’atmosphère absorbent les infrarouges.

NB : le contenu des cours est adapté à une (01h00) heure de temps exigée par

l’administration en raison de la pandémie du COVID- jusqu’à nouvel ordre.

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