Data from new subsurface studies, lithologic analyses, radiocarbon dating, and geologic mapping demonstrate that an early middle Wisconsinan (MIS 3) to late Wisconsonan (MIS2) till sheet is more widespread in northcentral Iowa than previously assumed. This till had been mapped to the west of and beneath the late Wisconsinan (MIS 2) Des Moines Lobe (DML); this thesis research has shown that the boundary of that till sheet extends 40 to 50 km east of the DML margin. Sediments deposited by the MIS 3 glacier are termed the Sheldon Creek Formation; they share many lithologic properties with DML Dows Formation deposits. Some of these shared properties, such as clasts of Pierre Shale, suggest a similar northwesterly provenance and glacial flow from the Keewatin Dome of the Laurentide Ice Sheet during both glaciations. Radiocarbon ages of organic materials within and beneath the Sheldon Creek Formation, as well as stratigraphic relationships in cores and outcrops, suggest that the unit accumulated during two distinct advances, herein named the Ft. Dodge Advance (ca. 46-40 ka) and the Lehigh Advance (ca. 34-29 ka). The presence of ice in Iowa before the regional Last Glacial Maximum has important implications for modeling buildup of the Laurentide Ice Sheet (LIS) and understanding the regional variability of ice sheet extent during the last glacial period. Existing models the LIS buildup are challenged by the pre-MIS 2 chronology reported here, which puts the ice sheet much farther south during MIS 3b than had previously been reported. This points to a much earlier buildup of the Keewatin Dome than previously assumed. The timing of the Sheldon Creek advances appear to coincide with Heinrich events 3 and 5 in the North Atlantic, indicating that both the Keewatin and Laurentian Domes of the ice sheet were large at this time. Further work needs to be done to determine if the MIS 3b and early MIS 2 Sheldon Creek Formation deposits in Iowa are unique, or if there are other unrecognized deposits from these time periods.

The study of past climate is important because it increases our understanding of how the climate system works. Past climate is often reconstructed by using proxies (that is observations of things that tell something about past climate, for example tree rings, pollen in lake sediments and fossils). Model simulations of past climate further increases the knowledge since it has the possibility to gap the space and time between the sparse and scattered proxy observations, since a model simulation gives relatively continuous information about the whole simulated area. Model simulations can also give internally coherent information about parameters that is not easily reconstructed from proxies (for example heat fluxes).  In this thesis two periods in the past are simulated by climate models: the Marine Isotope Stage 3 (MIS 3), 44 000 years ago, and the Last Glacial Maximum (LGM), 21 000 years ago. Both periods are characterised by low temperature, low sea level and low level of carbon dioxide. The topography in northern Europe is dominated by ice sheets covering Iceland, Norway and parts of Sweden at MIS3; and more extensive ice sheets covering Iceland, Scandinavia, the British Isles and Northern Germany at LGM. These periods are firstly simulated by a global climate model. Those simulations are subsequently used in a regional climate model to increase the level of detail over Europe. To make the regional climate model simulation more realistic vegetation simulated by a dynamical vegetation model is used in the regional climate model.   The climate models simulate European climates much colder than today, especially at LGM. The temperature differences ranges from 5 to 45 °C colder than today; the largest differences being at the ice sheets where the perennial ice cover and the high altitude keep temperatures low. Precipitation is reduced with as much as almost 100 % in northern Europe due to reduced evaporation. Precipitation is increased with as much as 100 % in parts of southern Europe due to changes in atmospheric circulation. The simulations are in broad agreement with proxies, although there are differences.  The vegetation model simulates tundra like vegetation (herbs and shrubs) in the ice-free parts of central and southern Europe. The eastern parts of Europe are dominated by needle-leaved trees. The short and cool summers limit vegetation. The simulated vegetation is in broad agreement with reconstructions. Sensitivity studies of vegetation show that changed vegetation can change the monthly mean temperature with 1-3 °C in some seasons and regions. The response depends on regional surface characteristics. Sensitivity studies of ice sheets show that the simulated climate is consistent with the assumptions about the ice sheet extent made in the simulation. The simulated climate is cold enough in northern Europe to support the ice sheet, and warm enough in southern Europe to prevent the ice sheet from expanding in this direction. A removal of the ice sheet would only have an effect on the local scale in the vicinity of the ice sheet, but this experiment did not include changes in the large-scale global atmospheric circulation.  Although the regional climate model simulations are to a large degree depending on the global climate model simulations they provide new information. When comparing proxies with model data or studying local/regional climatic features (such as the interplay between climate and vegetation) high horizontal resolution, as in the regional climate model, is important. / Studiet av klimat i det förgångna är viktigt eftersom det ökar vår förståelse för hur klimatsystemet fungerar. Förgånget klimat rekonstrueras ofta med hjälp av proxies (det vill säga observationer av saker som säger något om klimatet förr i tiden, till exempel trädringar, pollen i sjösediment och fossiler). Modellsimuleringar av förgånget klimat ökar kunskapen ytterligare eftersom det ger en möjlighet att fylla i luckorna, i tid och rum, mellan de glesa och spridda proxy-observationerna, eftersom en modellsimulering ger information om hela det simulerade området. Modellsimuleringar kan också ge information om parametrar som inte så lätt rekonstrueras från proxies (till exempel värmeflöden).   I denna avhandling simuleras med klimatmodeller två perioder i det förgångna: MIS 3 (Marine Isotope Stage 3), för 44 000 år sedan och LGM (Last Glacial Maximum), för 21 000 år sedan. Båda perioderna kännetecknas av låg temperatur, låg havsnivå och låg halt av koldioxid. Topografin i norra Europa domineras av istäcken som täcker Island, Norge och Sverige vid MIS 3; och istäcken över Island, Skandinavien, Brittiska öarna och norra Tyskland vid LGM. Dessa perioder simuleras först av en global klimatmodell. Simuleringarna används senare i en regional klimatmodell för att öka detaljgraden över Europa. För att göra den regionala klimatmodell-simuleringen mer realistisk så används i den regionala klimatmodellen vegetation som är simulerad av en dynamisk vegetationsmodell. Klimatmodellerna simulerar europeiska klimat som är mycket kallare än dagens, särskilt vid LGM. Temperaturdifferensen spänner från 5 till 45 °C kallare än idag; de största skillnaderna är vid istäckena där det ständiga istäcket och den höga altituden håller temperaturen nere. Nederbörden minskar med så mycket som nästan 100 % i norra Europa på grund av minskad avdunstning. Nederbörden ökar med så mycket som 100 % i delar av södra Europa på grund av förändringar i atmosfärens cirkulation. Simuleringarna stämmer i stora drag överens med proxies, även om det finns skillnader.  Vegetationsmodellen simulerar tundralik vegetation (örter och snår) i de isfria delarna av centrala och södra Europa. De östra delarna av Europa domineras av barrträd. De korta och kalla somrarna begränsar vegetationen. Den simulerade vegetationen stämmer i stora drag överens med rekonstruktionerna. Känslighetsstudier av vegetationen visar att förändrad vegetation kan förändra månadsmedeltemperaturen med 1-3 °C i vissa regioner och under vissa säsonger. Responsen beror på regionala egenskaper vid markytan. Känslighetsstudier av istäckena visar att det simulerade klimatet är förenligt med de antaganden av istäckenas utbredning som görs i simuleringen. Det simulerade klimatet är tillräckligt kallt i norra Europa för att göra ett istäcke möjligt, och tillräckligt varmt i södra Europa för att hindra istäcket från att växa i den riktningen. Om istäcket skulle tas bort skulle det bara ha en effekt på lokal skala i närheten av istäcket, men detta experiment innefattade inte förändringar i atmosfärens cirkulation. Även om de regionala klimatmodell-simuleringarna till stor del beror på de globala klimatmodell-simuleringarna så ger de ny information. Vid jämförelser av proxies och modelldata eller studier av lokala/regionala egenskaper hos klimatet (som växelverkan mellan klimat och vegetation) så är hög horisontell upplösning, som i en regional klimatmodell, viktigt.

Les travaux de recherche décrits dans cette thèse s’intéressent aux conditions environnementales qui ont vu les premières dispersions humaines du technocomplexe de l’Aurignacien en Europe, au début du Paléolithique supérieur. En d’autres mots, ce projet contribue aux discussions sur la transition entre le Paléolithique moyen et le Paléolithique supérieur, une période qui a vu le remplacement des populations néanderthaliennes d’Europe par les populations d’humains anatomiquement modernes (HAM) arrivantes. Ce tournant de l’histoire de notre espèce s’est déroulé durant le stade isotopique marin 3 (MIS 3), une période de changements climatiques répétés et cycliques entre 60 000 et 24 000 années avant aujourd’hui. L’impact de ces changements climatiques sur les dynamiques populationnelles est un sujet vivement discuté chez les chercheurs. Cette recherche fait une contribution certaine à ce discours par l’évaluation de la sensibilité des HAM aux changements climatiques et au risque écologique, ainsi que par l’investigation des impacts des différentes conditions climatiques du MIS 3 sur leurs comportements spatiaux et sur leurs dispersions initiales en Europe. La thèse s’articule autour de trois articles de recherche. Le premier article fait office de collecte de données et vise la sélection d’un corpus d’assemblages archéologiques fiables et bien contrôlés chronologiquement. En effet, un obstacle de l’étude des interactions humain- environnement durant le MIS 3 est l’association claire entre les occupations archéologiques et les événements climatiques millénaires. Une revue critique des datations publiées pour la culture archéologique de l’Aurignacien, un recensement des études environnementales reliées aux niveaux datés et une classification bayésienne de ces datations et occupations archéologiques dans les différents cycles froids et chauds de cette période ont été réalisés. La base de données ainsi produite a servi, dans le cadre du second article, à la production de modèles d’habitat propice (habitat suitability) pour les interstadiaires et les stadiaires du MIS 3. Ces modèles utilisent des données paléoclimatiques de fine résolution (15km, interpolées à 1km) qui représentent les tendances de précipitation et de température, ainsi que la variabilité interannuelle de celles-ci (une cinquantaine de prédicteurs sont ainsi testés). L’approche utilisée 4 pour la production des modèles est l’algorithme d’apprentissage automatique (machine learning) Random Forest, lequel a permis de sélectionner des prédicteurs forts de l’occupation humaine selon les conditions climatiques en place. Le troisième article décrit une étude exploratoire qui bâtit sur les modèles d’adéquation de l’habitat produits ci-avant dans la réalisation d’analyses mixtes de chemins de moindre coût (least-cost path analysis). Grâce à ces modèles, il a été possible de comparer les routes potentielles pour l’entrée des HAM en Europe selon les conditions climatiques chaude ou froide, en plus d’étudier l’impact de ces oscillations sur les axes de mobilité au sein du continent et sur l’interconnexion des différentes régions habitables. Les analyses effectuées dans le cadre de cette thèse montrent que les HAM du début du Paléolithique supérieur étaient bel et bien sensibles aux changements climatiques et au risque écologique. Les détériorations environnementales associées aux périodes stadiaires ont considérablement réduit la taille de leur espace vital en Europe, en plus d’avoir limité la connectivité entre les régions habitables. Dans le même ordre d’idées, la prise de décision spatiale était sensible à la variabilité climatique, et donc à la prédictibilité des ressources dans le paysage. Cette gestion du risque écologique chez Homo sapiens, en plus de sa capacité à s’adapter aux changements climatiques, s’inscrit parmi les capacités adaptatives qui ont plausiblement joué un rôle important dans la survie et le succès de l’espèce. Finalement, selon les résultats, les HAMs ont probablement profité d’une extension de leur habitat durant un épisode stadiaire pour se disperser en Europe. / The research described in this thesis focuses on the environmental conditions that saw the first human dispersal from the Aurignacian technocomplex in Europe, at the beginning of the Upper Paleolithic. In other words, this project contributes to discussions on the transition from the Middle Paleolithic to the Upper Paleolithic, a period that saw the replacement of Europe’s Neanderthal populations by incoming populations of anatomically modern humans (AMHs). This turning point in the history of our species took place during Marine Isotope Stage 3 (MIS 3), a period of repeated and cyclical climate change between 60,000 and 24,000 years before present. The impact of these climatic changes on population dynamics is a widely discussed topic among researchers. This research makes a definite contribution to this discourse by assessing the sensitivity of HAMs to climate change and ecological risk, as well as investigating the impacts of the different MIS 3 climatic conditions on their spatial behaviour and initial dispersal in Europe. The thesis is structured around three research articles. The first article acts as a data collection step and aims to select a corpus of reliable, chronologically controlled archaeological assemblages. Indeed, an obstacle to the study of human-environment interactions during MIS 3 is the clear association between archaeological occupations and millennial climatic events. A critical review of published dates for the Aurignacian archaeological culture, a survey of environmental studies related to dated levels and a Bayesian classification of these dates and archaeological layers within the different cold and warm cycles of this period were carried out. In the second article, the resulting database was used to produce habitat suitability models for the interstadials and stadials of MIS 3. These models use fine-resolution paleoclimatic reconstructions(15 km, interpolated to 1 km) representing precipitation and temperature trends, as well as their interannual variability (some 50 predictors were tested). The models were produced using the Random Forest machine learning algorithm, which was used to select strong predictors of human occupation based on prevailing climatic conditions. The third article describes an exploratory study that builds on the habitat suitability models produced above in carrying out least-cost path analysis. Thanks to these models, it was 6 possible to compare potential routes for HAMs to enter Europe under warm and cold climatic conditions, and to study the impact of these oscillations on mobility routes within the continent and on the interconnection of different habitable regions. The analyses carried out as part of this thesis show that early Upper Palaeolithic HAMs were indeed sensitive to climate change and ecological risk. Environmental deterioration associated with stadial periods considerably reduced the size of their suitable landmassin Europe, in addition to limiting connectivity between habitable regions. Similarly, spatial decision-making was sensitive to climatic variability, and therefore to the predictability of resources in the landscape. This ecological risk management in Homo sapiens, as well as their ability to adapt to climate change, are plausibly part of the adaptive capacities that played an important role in the survival and success of the species. Finally, according to the results, HAMs probably took advantage of an extension of their habitat during a stadial episode to disperse across Europe.

Le but de cette thèse est de caractériser les variations climatiques des derniers 200 ka à travers l'étude de quatre spéléothèmes du sud de la France, datés par U-Th. Nous nous sommes focalisés sur l'étude des stades isotopiques marins MIS 6, 5 et 3. Les principaux résultats obtenus sont les suivants : - mise en évidence d'oscillations milléniales au MIS6 entre 175 et 165 ka. L'enregistrement isotopique haute résolution (10 à 300 ans) de la base du plancher stalagmitique de la grotte de Villars indique pour la première fois dans la région ces oscillations climatiques rapides qui peuvent être mises en relation avec des figures similaires récemment mises à jour par les concrétions chinoises. - estimation de l'amplitude du réchauffement associée à l'avant-dernière déglaciation. La confrontation du δ18Oc de la calcite, du δ18O des inclusions fluides et du ∆47 de la calcite suggère que (1) si l'équilibre isotopique a été satisfait, le réchauffement associé à la Terminaison II serait de 20°C, (2) si on considère un effet cinétique alors le réchauffement corrigé de cet effet serait de 14°C. La constance de la composition de l'eau de l'infiltration pendant cette déglaciation s'explique par le jeu des différents facteurs influant sur ce paramètre. - amélioration de la chronologie et de la caractérisation dans le SW de la France des événements climatiques milléniaux de la dernière glaciation (MIS3). L'enregistrement de la stalagmite Vil14 daté par MC-ICP-MS constitue désormais la meilleure chronologie de cette période dans la grotte de Villars et permet d'attribuer un âge précis aux limites des interstades (13, 12 et fin du 14). La fin des interstades identifiés était manifestement associée à un refroidissement abrupt et à l'installation d'un permafrost de courte durée. La cessation de croissance définitive de cet échantillon simultanément aux deux autres confirme le durcissement du refroidissement du MIS3 vers 30ka. En multipliant ce type de données quantifiées et datées de façon absolue, on contribue à la meilleure compréhension des mécanismes climatiques.