Cette thèse cible l’étude d’une organisation sociotechnique pluraliste, le Réseau de centres d’excellence ArcticNet, établi depuis 2003 au sein de l’Université Laval et financé par le programme fédéral des Réseaux de centres d’excellence (RCE). Ce programme, effectif depuis 1988, est issu d’une initiative du ministère de l’Industrie Canada et des trois Conseils fédéraux de financement de la recherche scientifique (CRSNG, CRSH et IRSC). Par sa dimension interdisciplinaire et interinstitutionnelle, le RCE ArcticNet sollicite la mise en place de divers accommodements sur une thématique environnementale controversée, celle du développement de l’Arctique canadien côtier. Notre approche se concentre sur la description de ces collaborations pluralistes et l’analyse des stratégies de consensus mises en place par une organisation universitaire médiatrice. Si cette étude illustre le cas d’ArcticNet, elle questionne toutefois deux réalités d’ensemble: (1) D’un point de vue théorique, prépondérant dans cette thèse, les enjeux environnementaux et de développement durable s’inscrivent dans les nouvelles réalités de la production des connaissances portées par une coévolution entre science et société, contribuant à l’expansion des domaines de R&D ciblés; et, (2) D’un point de vue empirique illustratif, les éléments de formation et d’évolution d’un réseau sociotechnique intersectoriel et les stratégies des scientifiques dans la recherche et le développement de l’Arctique canadien côtier présentent un profil basé sur l’accommodement des parties prenantes. Cette recherche adhère au postulat épistémologique des théories des organisations sociotechniques pluralistes, plutôt qu’aux modèles théoriques de la société/économie de la connaissance. L’étude regroupe un total de 23 entrevues recueillies en 2008 et en 2010 auprès de l’administration, de membres scientifiques et de partenaires d’ArcticNet, suivant une logique de témoignage. Elle ouvre ainsi une nouvelle réflexion sur leur milieu de pratique de la science, plus particulièrement des sciences de l’environnement, vers lequel la société actuelle oriente la nouvelle production des connaissances, à travers les divers financements de la recherche et du développement. / Cette thèse cible l’étude d’une organisation sociotechnique pluraliste, le Réseau de centres d’excellence ArcticNet, établi depuis 2003 au sein de l’Université Laval et financé par le programme fédéral des Réseaux de centres d’excellence (RCE). Ce programme, effectif depuis 1988, est issu d’une initiative du ministère de l’Industrie Canada et des trois Conseils fédéraux de financement de la recherche scientifique (CRSNG, CRSH et IRSC). Par sa dimension interdisciplinaire et interinstitutionnelle, le RCE ArcticNet sollicite la mise en place de divers accommodements sur une thématique environnementale controversée, celle du développement de l’Arctique canadien côtier. Notre approche se concentre sur la description de ces collaborations pluralistes et l’analyse des stratégies de consensus mises en place par une organisation universitaire médiatrice. Si cette étude illustre le cas d’ArcticNet, elle questionne toutefois deux réalités d’ensemble: (1) D’un point de vue théorique, prépondérant dans cette thèse, les enjeux environnementaux et de développement durable s’inscrivent dans les nouvelles réalités de la production des connaissances portées par une coévolution entre science et société, contribuant à l’expansion des domaines de R&D ciblés; et, (2) D’un point de vue empirique illustratif, les éléments de formation et d’évolution d’un réseau sociotechnique intersectoriel et les stratégies des scientifiques dans la recherche et le développement de l’Arctique canadien côtier présentent un profil basé sur l’accommodement des parties prenantes. Cette recherche adhère au postulat épistémologique des théories des organisations sociotechniques pluralistes, plutôt qu’aux modèles théoriques de la société/économie de la connaissance. L’étude regroupe un total de 23 entrevues recueillies en 2008 et en 2010 auprès de l’administration, de membres scientifiques et de partenaires d’ArcticNet, suivant une logique de témoignage. Elle ouvre ainsi une nouvelle réflexion sur leur milieu de pratique de la science, plus particulièrement des sciences de l’environnement, vers lequel la société actuelle oriente la nouvelle production des connaissances, à travers les divers financements de la recherche et du développement.

Nous étudions d'abord l'influence du mode annulaire Sud (SAM) sur la circulation méridienne de retournement Atlantique (AMOC) dans une simulation de contrôle avec IPSLCM4. Une phase positive du SAM, correspondant à une intensification des vents d'Ouest soufflant au Sud de 45° S, entraîne après 8 ans une accélération de l'AMOC, via une téléconnection atmosphérique peu réaliste. Une accélération de l'AMOC suit de 70 ans une phase positive du SAM, due à la propagation d'anomalies de sel du Sud vers le Nord de l'Atlantique. Ensuite, nous étudions dans quelle mesure l'Oscillation Multidécennale Atlantique (AMO) reflète les fluctuations de l'AMOC. Nous utilisons un filtre basé sur un modèle linéaire inverse (LIM) pour décomposer la température de surface de l'océan (SST) Atlantique Nord en une partie liée à la dérive globale, une à El Nino (ENSO), une à la variabilité de basse fréquence du Pacifique, et un résidu. Dans la simulation historique de IPSLCM5, enlever la dérive globale de l'AMO avec LIM induit de meilleures corrélations avec l'AMOC que lorsque ce signal est soustrait par une dérive linéaire. Enlever l'influence de ENSO de l'AMO améliore très légérement ses corrélations avec l'AMOC, tandis qu'enlever la variabilité de basse fréquence du Pacifique les dégrade. La robustesse de ces résultats est vérifiée dans des simulations de contrôle avec 5 modèles. Cette déconstruction de l'AMO est aussi effectuée dans les observations. Enfin, l'impact du forçage volcanique sur les liens AMO-AMOC est étudié dans une simulation du dernier millénaire avec IPSLCM4.

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Les tendances spatiales et temporelles du mercure en Arctique ont été étudiées au travers de l’analyse de ce métal dans les tissus durs, i.e. dents et poils, des phoques annelés (Phoca hispida) et des ours polaires (Ursus maritimus). Aucune influence du sexe sur les concentrations n’a été détectée dans les tissus de ces deux espèces alors que l’âge est apparu comme un facteur d’influence important.Deux tendances spatiales ont été observées dans les tissus de ces deux espèces : un premier gradient d’augmentation du mercure de l’Est vers l’Ouest de l’Arctique, i.e. de Svalbard, vers le Groenland et enfin, l’Arctique canadien, et un second du Sud vers le Nord de l’Arctique canadien, résultant très probablement de la minéralogie du socle rocheux, mais aussi potentiellement de facteurs biotiques et abiotiques.Une tendance à l’augmentation des concentrations de mercure a été globalement détectée entre la période préindustrielle et la fin du XXe siècle. Cependant, les variations temporelles associées à la seconde partie du XXe siècle révèlent une augmentation continue dans l’Ouest de l’Arctique et une tendance à la diminution dans l’Est de l’Arctique, cette différence étant probablement liée à des apports distincts des masses d’air atmosphériques à ces deux régions. Par ailleurs, une composante de variabilité climatique pourrait contribuer aux variations observées ces dernières décennies en influençant les habitudes alimentaires de ces prédateurs marins arctiques. Ainsi, les isotopes stables d’azote et de carbone s’avèrent être un outil essentiel à coupler aux études sur les tendances de mercure pour permettre de déterminer la part d’un changement dans le régime alimentaire ou dans les niveaux environnementaux.Cette étude a mis en évidence l’importance des poils comme tissu de monitoring non-invasif et pertinent pour un suivi régulier voire annuel tandis que l’utilisation des dents s’avère être plus adaptée à la reconstruction de tendances sur le long-terme. / The spatial and temporal trends of mercury in the Arctic have been studied through the analysis of this metal in hard tissues, i.e. teeth and hair, in ringed seals (Phoca hispida) and polar bears (Ursus maritimus). Sex had no influence on the mercury concentrations while age was a significant factor. Two distinct spatial trends were observed in the tissues of these two species: a first gradient of augmentation from the East to the West of the Arctic, i.e. from Svalbard towards Greenland and the Canadian Arctic, and a second one, from the South to the North of the Canadian Arctic, resulting probably from a combination of the global mineralogy in the Arctic with biotic and abiotic factors. An increasing trend in mercury concentrations has been detected globally between the preindustrial period and the end of the 20th century. However, the temporal trends detected in the second part of the 20th century revealed an increase in the West Arctic while a decrease was observed in the East Arctic. This difference seems to be due to a distinct input of the atmospheric air masses to the two regions. Besides, a climatic variability could contribute to the variations observed these last decennials by influencing the habitat and the feeding habits of the marine predators. Thus, the determination of the stable isotopes seems to be essential to combine to the study of the mercury trends. Finally, this study has showed the importance of hair as a non-invasive and relevant biomonitoring tissue on a regular or annual sampling base, while the use of the teeth seems to be more adequate for reconstructing long-term trends of mercury.

L’Arctique est victime de bouleversements majeurs en raison des changements climatiques. Contrairement au régime général pour la zone économique exclusive, l'article 234 de la Convention des Nations unies sur le droit de la mer de 1982 autorise les États côtiers à adopter et à imposer des standards nationaux (plutôt qu'internationaux) pour prévenir et maîtriser la pollution du milieu marin par les navires mais seulement dans les zones de leur zone économique exclusive recouvertes par les glaces « pendant la majeure partie de l'année ». Or, les données et rapports scientifiques prévoient qu'en raison du réchauffement climatique exacerbé dans la région, l'océan Arctique sera libre de glace pendant plusieurs mois chaque année, et ce, à compter de 2050. Une telle transformation physique semblerait remettre en cause l'applicabilité de l'article 234 et les droits qui en découlent pour les États côtiers. Le mémoire propose donc d'aborder cet enjeu en analysant le contexte et les motivations des États au moment où l'article 234 a été adopté. Une attention particulière sera portée à l’étude du développement du droit de la mer moderne ainsi qu’aux négociations entourant l’article 234, en vue de formuler des arguments en faveur de son applicabilité future, basés sur les méthodes d’interprétation des traités. / The Arctic region is the victim of major upheavals due to climate change. Unlike the general regime for the exclusive economic zone, Article 234 of the 1982 United Nations Convention on the Law of the Sea allows coastal states to adopt and impose national (rather than international) standards to prevent and control the pollution of the marine environment by ships, but only in areas of their exclusive economic zone covered by ice "for most of the year". However, the data and scientific reports predict that due to exacerbated global warming in the region, the Arctic Ocean will be free of ice for several months each year, starting in 2050. Such a physical transformation would seem to call into question the applicability of Article 234 and the resulting rights of coastal States. This thesis therefore proposes to address this issue by analyzing the context and the motivations of the States at the time when Article 234 was adopted. Particular attention will be paid to the study of the development of the modern law of the sea as well as to the negotiations around Article 234, in order to formulate arguments in favor of its future applicability, based on treaty interpretation methods.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 février 2024) / Les activités minières dans les régions arctiques se développent de plus en plus en raison de la demande croissante de ressources minérales. Cependant, l'exploitation minière en conditions arctiques présente une série de défis géomécaniques. Des variations de température peuvent se produire tout au long de l'année dans les régions arctiques, ce qui peut influencer le comportement du massif rocheux et sa stabilité autour de l'excavation. Cependant, la compréhension des mécanismes de rupture du massif rocheux dans les excavations souterraines en conditions arctiques reste limitée. Ce mémoire se concentre sur le rôle des grandes structures géologiques, identifiées comme des facteurs clés affectant la stabilité des excavations développées en conditions arctiques. Une approche multidisciplinaire a été adoptée pour aborder le sujet. Le travail initial comprenait une revue de la littérature complète qui a établi le cadre théorique pour comprendre le comportement de massif rocheux dans le pergélisol. Des études de terrain menées par la suite à la Mine Raglan, au Canada, ont permis d'identifier une étude de cas pour examiner un phénomène de rupture de dièdre. Les études de terrain ont porté sur l'impact de la température sur l'étendue des surbris lors du développement de galeries souterraines dans des conditions arctiques variables. La résistance au cisaillement des discontinuités rocheuses naturelles a été évaluée par des essais de cisaillement direct sur des échantillons de péridotite dans des conditions non gelées et gelées. Les résultats sur la résistance au cisaillement des discontinuités rocheuses ont été introduits dans un modèle tridimensionnel à l'échelle du terrain utilisant la méthode des éléments discrets (DEM). Le modèle DEM intègre la géométrie complexe de l'excavation et le régime structural, qui entraîne la formation de dièdres, afin d'étudier la stabilité des excavations souterraines dans des conditions arctiques variables. Les résultats de ce mémoire révèlent que les conditions arctiques affectent considérablement la résistance au cisaillement des discontinuités, ce qui à son tour a un impact sur la rupture des dièdres souterrains par le mécanisme de glissement. Ce mémoire nous permet de mieux comprendre comment les grandes structures au sein du massif rocheux influencent la stabilité des excavations souterraines dans des conditions arctiques changeantes. / Mining activities are significantly expanding near arctic regions due to the growing demand for mineral resources. Mining in arctic conditions presents a series of geomechanical challenges. Temperature variations can occur over the year and influence the rockmass behaviour and the stability of excavations in rock. However, there has been limited understanding of the rockmass failure mechanism in underground excavations developed in permafrost regions. This thesis focuses on the role of large and persistent geological structures, identified as key factors affecting the stability of underground excavations developed under these conditions. A multi-disciplinary approach was adopted to explore the subject. A comprehensive literature review set the theoretical framework for understanding the rockmass behaviour in permafrost. Field investigations at Raglan Mine, Canada, led to the identification of a wedge failure event that was used to examine the impact of large structures on the rock mass stability in arctic conditions. The impact of temperature on overbreak extent during the development of underground drifts in varying arctic conditions was also investigated in a series of case studies. The shear strength of natural rock discontinuities was assessed through direct shear testing on peridotite samples from the mine under non frozen and frozen conditions. The results on the shear strength of rock discontinuities were introduced in a field-scale 3D Discrete Element Method (DEM) model that simulated the structurally driven mechanism of the fall of ground at the mine. The DEM model integrated the complex geometry of the excavation and the structural regime that results in wedge formation to investigate the stability underground excavations under varying arctic conditions. The results of this thesis reveal that arctic conditions significantly influence the shear resistance of rock discontinuities. Temperature variations can control the stability of underground wedges formed around underground excavations in rock. This research increases our understanding of how large structures within the rockmass govern the stability of underground excavations under varying arctic conditions.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mai 2023) / L'amplification polaire du changement climatique, qui conduit les hautes latitudes à se réchauffer près de deux fois plus vite que les régions tempérées, entraîne la diminution progressive de certaines zones englacées du globe comme celle du pergélisol en Arctique. En profondeur, le dégel du pergélisol modifie le régime hydrologique du bassin-versant associé, impactant les ressources en eau et les écosystèmes aquatiques qui en dépendent. En surface, il se traduit par une augmentation de la couche active et une fragilisation de la stabilité du sol mettant en danger la durabilité des infrastructures locales. Dans ce contexte, il parait indispensable d'établir une carte de suivi long-terme de l'évolution du pergélisol à l'échelle de l'arctique afin d'anticiper les dangers associés à son dégel. Cependant, l'accès difficile et les conditions extrêmes de l'Arctique complexifient grandement l'observation directe, continue et à grande échelle du pergélisol. Si certaines cartes du pergélisol existent déjà, leur résolution est faible et elles restent statiques dans le temps. Cette thèse présente des méthodes indirectes de suivi annuel du dégel du pergélisol, à l'échelle de l'arctique et avec une résolution de l'ordre du bassin-versant puis du pixel. Ces méthodes sont l'analyse de récession de bassin-versant et l'interférométrie d'images radar de surface (InSAR), appliquées à des régions pergélisolées. D'une part, l'analyse de récession reflète, indirectement et à l'échelle du bassin-versant, la dynamique du pergélisol souterrain. En effet, selon Brutsaert (2005), le temps de récession d'un bassin-versant pergélisolé serait inversement proportionnel à la profondeur de dégel du pergélisol. Après analyse de 336 bassins arctiques, cette relation de proportionnalité se révèle complexifiée par l'étendu du pergélisol, les conditions climatiques du bassin, sa topographie et ses propriétés hydrauliques. Ces complexifications hydrologiques sont simulées avec Hydrogeosphere (HGS) à travers un model conceptuel 3D de bassin-versant arctique. Les simulations montrent que l'ouverture de tàlik sous le cours d'eau ainsi que la pente des berges du cours d'eau participent à l'augmentation de la verticalité et de la connectivité des écoulements souterrains ainsi qu'à la non-linéarité du réservoir. Ces résultats limitent l'applicabilité de la méthode d'analyse de récession basée sur le modèle de Brutsaert (2005) aux bassins-versants plats et sous-couverts de pergélisol continu uniquement. Pour les autres bassins-versants arctiques, d'autres modèles d'analyse de récession doivent être développés pour pouvoir en déduire la dynamique du pergélisol. Par ailleurs, la méthode InSAR permet de traduire la vitesse déformation du terrain arctique en vitesse de dégel du pergélisol souterrain. Cette étude s'appuie sur la méthode d'analyse de Daout et al. (2017), appliquée à plus large échelle, sur une région de 390,000 km² dans les basses terres de la baie d'Hudson. Pour cette région, l'étude estime une épaisseur de couche active de 64 cm et un taux d'affaissement de terrain de 2.5 mm/an sur 2015-2021. Si ces résultats nécessitent 15 ans de données satellites pour pouvoir être traduits en taux de dégel du pergélisol, la méthode InSAR a l'avantage d'être applicable pour n'importe quel terrain arctique et ce quel que soit l'étendu du pergélisol souterrain ou sa topographie. Chacune des méthodes offre des solutions prometteuses de cartographie haute résolution de la dynamique du pergélisol sur une large couverture spatiale et temporelle. Cette thèse donne les clefs de traduction d'un événement de récession ou d'une déformation de surface en un taux de dégel du pergélisol associé. Finalement, la transdisciplinarité de cette étude permet de confronter les résultats issus des différentes approches pour mieux les valider. Si la flexibilité et le réalisme du model 3D HGS nous ont permis de comparer les résultats issus des simulations avec ceux issus des analyses de récession des 336 bassins arctiques, il serait intéressant d'en faire de même pour les résultats issus de l'analyse InSAR. / Due to polar amplification of climate change, high latitudes are warming up twice as fast as the rest of the world. This warming leads to permafrost thawing, which modifies the subsurface hydrologic regime of draining watersheds, therefore affecting water resources and related aquatic ecosystems. At the surface, permafrost thawing increases the thickness of the overlying active layer, decreases soil stability, and jeopardizes local infrastructure sustainability. In this context, building a map of long-term permafrost evolution in Arctic regions is essential to anticipate such hazards. However, direct, continuous, and large-scale monitoring of permafrost in the Arctic is very challenging because of difficult access and unfavorable environmental conditions. Even though maps of permafrost exist, their resolution is low and they are static in time. This research presents indirect methodologies to annually update maps of Arctic permafrost at catchment or pixel scales. These methods are the recession analysis of permafrost-dominated catchments and the interferometry of Arctic-surface SAR images (InSAR). On the one hand, recession analysis allows to reflect permafrost thawing dynamics since recession slopes of Arctic catchment hydrographs are linearly related to permafrost thawing depth under Brutsaert (2005) assumptions. The recession analysis of 336 Arctic catchments reveals that the linear relationship may be complexified by the extent of the permafrost itself, the climatic conditions, the landscape topography as well as the hydraulic properties of the catchment. Hydrological complexifications and mechanisms involved when permafrost extent decreases and landscape hillslope increases are simulated with a Hydrogeosphere (HGS) 3D model of a conceptual Arctic catchment. Simulations show that river-tàlik opening and valley incision both clearly increase the verticality and the connections of subsurface flow paths as well as the non-linearity of the reservoir. These results limit the applicability of the recession analysis to flat catchments underlain by continuous permafrost only. For catchments with steeper slopes and with discontinuous permafrost, other models than Brutsaert (2005) should be used to interpret permafrost dynamics from recession analysis. On the other hand, InSAR analysis translates ground surface displacement into permafrost thawing rate. The proposed method is based on previous local studies and tested on the 390,000 km² region of the Hudson Bay Lowlands. For this region, the study reveals a median active layer thickness of 64 cm and a median rate of subsidence of 2.5 mm/yr over 2015-2021. While this method requires at least 15 years to translate active layer thickness and subsidence rate into permafrost thawing rate, the method has the advantage to be applicable to any type of permafrost extent or topography. Both methods provide great opportunities to map permafrost dynamics with large temporal and spatial coverage at a fine resolution. This research provides the keys to relate Arctic river hydrograph dynamics and Arctic surface deformation to permafrost thawing rate. Finally, the research transdisciplinarity allows for method comparison and validation. The flexibility and realism of the HGS model allow to compare permafrost-related outputs derived from both simulations and real-catchment hydrograph analysis. In the future, these outputs could be compared to InSAR results.

Le Haut-Arctique est caractérisé par de nombreux phénomènes climatiques et géomorphologiques extrêmes. Les températures très froides, les faibles précipitations et la couverture végétale disparate permettent une pénétration en profondeur du froid dans le sol. Ceci, combiné à un grand nombre de cycles de gel et de dégel, donne naissance à différentes formes de surface qui affectent les dynamiques d’évolution du pergélisol et induisent une variabilité verticale et latérale de la distribution des teneurs en glace dans le sol. Ce mémoire porte sur l’influence d’un lobe de solifluxion de type rocheux sur les dynamiques d’évolution du pergélisol sur l’île Ward Hunt, Nunavut (Canada). En utilisant une approche cryostratigraphique, les objectifs sont de caractériser la cryostratigraphie d’un lobe de solifluxion, ce qui permettra de proposer un modèle d’évolution du pergélisol en lien avec le déplacement de matériel par solifluxion. L’analyse cryostratigraphique a révélé que la formation du lobe de solifluxion a mené au développement syngénétique d’une couche de pergélisol avec une teneur en glace variant en fonction de la morphologie du lobe, et à l’enfouissement et la préservation d’un corps de glace massive préexistant en bas de pente. La succession verticale et latérale des cryofaciès fait état du déplacement du lobe et de l’impact que ce dernier a sur la variabilité spatiale et temporelle du pergélisol, et ce, tant sur les aspects d’aggradation liés à l’accumulation de matériel en surface que sur les aspects de dégradation associés aux réchauffements climatiques actuels. / The high Arctic is characterized by many extreme climatic and geomorphologic phenomena. Very cold temperatures, low precipitation and sparse vegetation cover, permit a deep penetration of cold in the soil. The latter, combined with a great number of freeze-thaw cycles, give rise to different surface features which in turn affect permafrost evolution dynamics and induce a vertical and lateral variability of the ice content distributions in the soil. This thesis focusses on the influence of a stone-banked solifluction lobe on permafrost evolution dynamics on Ward Hunt Island, Nunvut (Canada). By using a cryostratigraphic approach, the objectives are first, to characterize the cryostratigraphy of a solifluction lobe and second, to propose an evolution model of permafrost in reaction to the downslope displacement of material by solifluction. The cryostratigraphic analysis revealed that the solifluction lobes formation lead to the development of a syngenetic layer of permafrost with an ice content that varied according to the morphology of the lobe, and to the burial and preservation of a pre-existing body of massive ice at the base of the slope. The vertical and lateral sequence of the cryofacies presents the displacement of the lobe and its impact on spatial and temporal variability of the permafrost, that being, the aspects of aggradation related to the accumulation of material at the surface as well as degradation due to the actual climatic warming.