La banquise arctique décroît en étendue, en épaisseur et en âge. Autrefois pluriannuelle et épaisse, la glace de mer est aujourd'hui remplacée par une glace saisonnière mince qui se forme et disparaît au sein d'une même année. Ces transformations s'accompagnent d'une modification des propriétés structurelles et par conséquent, d'un changement des quantités de lumière transmises et disponibles pour la photosynthèse. Pour mieux évaluer les impacts des grands bouleversements que subit la banquise sur la production primaire en Arctique à la base des chaînes trophiques, les liens intrinsèques entre les propriétés structurelles et optiques doivent être étudiés plus attentivement pour développer une meilleure intuition du transfert radiatif dans le milieu. Cependant, les mesures optiques *in situ* à l'intérieur de la glace acquises par le passé sont peu nombreuses et sont limitées en qualité; la majorité ayant été inférée à partir d'instruments volumineux perturbant le milieu, créant de l'auto-ombrage et offrant une faible résolution verticale et angulaire. De là s'est établi l'objectif principal de ce projet de recherche, soit la conception d'un instrument passif miniaturisé pour la collecte de la distribution angulaire de la luminance spectrale en différents points spatiaux à l'intérieur de la glace de mer arctique. La solution retenue est une caméra 360-degrés grand public composée de deux systèmes électro-optiques à large champ de vue. Cette dernière capte les rayons dans toutes les directions et à l'intérieur trois bandes spectrales visibles. Ces types de caméras sont compactes, faciles d'usage, peu coûteuses et accessibles. Dans un premier temps, les méthodes d'étalonnage et de caractérisation pour son usage en tant que radiomètre scientifique sont détaillées. Une évaluation de la justesse de l'étalonnage à partir d'une série temporelle de luminance d'un ciel partiellement nuageux mesurée avec la caméra et un radiomètre commercial fiable (C-OPS, Biospherical Inc.) a dévoilé des écarts relatifs sous 21 %. En deuxième temps, le capteur a été testé lors de deux sorties terrain; soit dans une glace pluriannuelle en Haute Arctique et dans une glace de première année côtière dans la Baie-des-Chaleurs. À l'intérieur de trous de 5 cm de diamètre, la géométrie du champ lumineux a été acquise en plusieurs profondeurs couvrant les épaisseurs totales de 2.0 m et 0.8 m pour les glaces de l'Arctique et de la Baie-des-Chaleurs respectivement. Tous les éclairements et plusieurs propriétés optiques apparentes ont pu être calculés dont les cosinus moyens de la luminance, montrés pour la première fois sous forme de profils dans la glace de mer. De plus, nous présentons une première tentative d'inversion manuelle des propriétés optiques inhérentes résolues en profondeur en ajustant les éclairements observés et simulés avec le modèle HydroLight. Dans la couche interne, les coefficients de diffusion réduit entre 0.8-4.8 m$^\textup{-1}$ pour la glace pluriannuelle et entre 2.8-6.4 m$^\textup{-1}$ pour la glace saisonnière ont été inférés. Les propriétés optiques inhérentes des deux sites sont dans des plages similaires à celles d'études antérieures en comparant leurs paramètres de similarité. / The Arctic ice pack is decreasing in extent, thickness, and age. Once multi-year and thick, the sea ice is now replaced by seasonal thin ice that forms and melts within the same year. These transformations come with changes in structural properties and consequently, modifications of the amount of transmitted light fluxes available for photosynthesis. To better asses the impacts of these great disruptions of the ice pack on primary production in the Arctic, the intrinsic links between structural and optical properties need to be studied more closely to improve our intuition of the radiative transfer inside the medium. However, *in situ* internal optical properties collected previously are few and limited in quality; most of them have been inferred from bulky instruments disturbing the ice, creating self-shadow as well as offering low vertical and angular resolution. This led to the main objective of this research project being the development of a miniaturized passive instrument to collect the angular distribution of the spectral radiance at given spatial positions inside sea ice. To this end, the selected solution is a consumer-grade 360-degree camera composed of two electro-optical assemblies having wide field of view that capture light rays in all directions inside three visible spectral bands. These types of cameras are compact, easy to use, inexpensive, and widely available. First, the calibration and characterization methodologies for its usage as a scientific radiometer are detailed. An evaluation of the calibration accuracy was performed by comparing the camera measurements of a partly cloudy sky radiance time series with a reliable commercial radiometer (C-OPS, Biospherical Inc.), which revealed relative errors below 21 %. Secondly, we tested the sensor during two field trips: inside multi-year ice in the High Arctic and in landfast first-year ice in Chaleur Bay. Inside 5-centimeter diameter holes, the light field geometry was captured at several depths covering the total thicknesses of 2.0 m and 0.8 m for the Arctic and Chaleur Bay ice respectively. From these measurements, we computed all the irradiances quantity and several apparent optical properties including the average cosines of the angular radiance distributions given for the first time as a vertical profile in sea ice. We also show a first attempt in manually inverting the inherent optical properties by fitting the observed irradiances with the ones simulated from HydroLight radiative transfer model. In interior ice, reduced scattering coefficients between 0.8-4.8 m$^\textup{-1}$ for the multi-annual ice and between 2.8-6.4 m$^\textup{-1}$ for the seasonal ice were inferred. The inherent optical properties of both sites are within ranges of values reported by previous studies when comparing similarity parameters.

Les concentrations de diméthylsulfure (DMS) à la surface de l’eau ont été déterminées dans la baie de Baffin et dans l'archipel Arctique canadien au cours des étés 2017 (juillet-août) et 2018 (juillet). Plus de 3500 mesures de DMS ont été obtenues à l’aide d’un spectromètre de masse couplé à une trappe cryogénique et une membrane d’échanges gazeux (ACT-MIMS). Ces dernières ont été réalisées parallèlement à des mesures continues de la salinité, la température, la fluorescence (proxy pour la Chlorophyll a (Chl a)) et du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR), ainsi que des mesures discrètes de diméthylsulfoniopropionate (DMSP). Les concentrations de DMS ont variées de 2 ordres de grandeur allant de 0.2 à 43.0 nmol L-1 en 2017 et de 1.6 à 55.0 nmol L-1 en 2018. Des points chauds de fortes concentrations de DMS (> 10 nmol L-1 ) ont été observés en association avec des fronts hydrographiques importants, ainsi que dans des eaux côtières à forte productivité. Dans les eaux libres du nord de la baie de Baffin, un gradient longitudinal des concentrations de DMS (croissant d'ouest en est, entre 1.0 nmol L-1 et 11.2 nmol L-1 ) était positivement corrélé avec les mesures de salinité, de température de surface et de Chl a. Ces résultats suggèrent que la dynamique du DMS est intimement liée aux propriétés physicochimiques et à la signature biologique des masses d'eau dans ce secteur. Des cas de forte concentration de DMS ont été observés à la lisière de la banquise de première année, renforçant le rôle de plus en plus reconnu de la glace de mer dans le cycle du DMS marin. Dans le nord de la mer du Labrador et du détroit de Davis, les concentrations de DMS en eaux libres ont présenté des différences jour-nuit de 2 ordres de grandeur avec des concentrations plus élevées la nuit, plus faibles le jour et des minimums à midi. Bien qu’il soit possible que ces résultats aient été influencés par d’autres facteurs, les concentrations de DMS ont diminué linéairement avec l’augmentation du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) en 2017 ainsi qu'en 2018. Ces résultats suggèrent que, dans certaines régions, les concentrations de DMS peuvent être caractérisées par des variations importantes (> 10 nmol L-1 ) et rapides (< 24 h) qui seraient négligées par l’interpolation des données, où les données in situ sont manquantes. La présence de points chauds localisés de DMS démontre le potentiel d'utilisation d'instruments automatisés à haute résolution tels que l’ACT-MIMS afin de résoudre la distribution spatiale du DMS et contribuer à l'amélioration de la précision des prédictions des modèles d'émission du DMS. / Sea surface dimethylsulfide (DMS) concentrations were determined in Baffin Bay and parts of the Canadian Arctic Archipelago during the summers of 2017 (July-August) and 2018 (July). More than 3500 DMS measurements were obtained using a mass spectrometer coupled with a cryogenic trap and a gaseous exchange membrane (ACT-MIMS). These measurements were performed alongside continuous quantification of sea surface salinity (SSS), sea surface temperature (SST), fluorescence (proxy for Chlorophyll a (Chl a)), photosynthetically active radiation (PAR) and discrete measurements of dimethylsulfoniopropionate (DMSP). Concentrations of DMS varied over 2 orders of magnitude, from ca. 0.2 to 43.0 nmol L-1 in 2017, and from ca. 1.6 to 55.0 nmol L-1 in 2018. Surface water DMS hotspots (> 10 nmol L-1 ) were observed in association with hydrographic frontal structures, as well as in high productivity coastal waters. In the open water of northern Baffin Bay, an increasing west-to-east gradient of DMS concentrations was positively correlated with SSS, SST and Chl a, suggesting that upper ocean dynamics of DMS are linked to the physicochemical properties and biological signature of water masses in this sector. High DMS concentrations were observed at the ice-edge of ponded first-year ice providing further evidence to the increasingly recognized role sea ice plays in the cycling of marine DMS. In the northern Labrador Sea and Davis Strait, DMS exhibited day-night trends of 2 orders of magnitude with highest concentrations at night and midday minimums. Although it is possible these results were influenced by other factors, concentrations of DMS decreased with increasing PAR in 2017 as well as in 2018. These results suggest that, in some regions, DMS concentrations may be characterized by large (> 10 nmol L -1 ) and rapid (< 24 h) variations that would be neglected by data interpolation where in situ data are still sparse. The presence of localized DMS hotspots demonstrates the potential of using high-resolution automated instruments such as the ACT-MIMS to resolve the spatial distribution of DMS and contribute to the improvement of the accuracy of DMS emission model predictions.

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La diminution de la couverture de glace de mer due au réchauffement de l'Arctique pourrait entraîner des changements complexes et indéterminés dans l'apport en nourriture qui pourraient altérer le fonctionnement des écosystèmes marins de l'Arctique. Les organismes benthiques sont des membres essentiels du réseau trophique de l'Arctique et constituent une source de nourriture importante pour les consommateurs des niveaux trophiques supérieurs. Dans l'océan Arctique, les consommateurs benthiques dépendent en grande partie des pulsations saisonnières de l'approvisionnement en nourriture provenant du phytoplancton (c.-à-d. la communauté pélagique) et des algues de glace de mer (c.-à-d. la communauté sympagique), mais nous ignorons encore comment les changements de la productivité primaire pourraient influer sur la dynamique trophique benthique. Afin de prévoir les tendances futures de la dynamique et du fonctionnement des écosystèmes, il est de plus en plus important de comprendre les facteurs environnementaux et biologiques qui influencent les interactions trophiques, les régimes alimentaires des consommateurs benthiques, et la cooccurrence des espèces dans les régions sujettes à des changements environnementaux rapides. En utilisant de multiples marqueurs trophiques, trois études connexes ont été réalisées et présentées dans cette thèse dans le but de (i) déterminer les facteurs qui influencent l'écologie trophique et la structure du réseau trophique benthique; (ii) quantifier la contribution relative du carbone sympagique dans le régime alimentaire des consommateurs benthiques et établir le rôle de la concentration de glace de mer dans le régime alimentaire des consommateurs benthiques et la structure du réseau trophique; et (iii) déterminer le rôle des individus dans les interactions trophiques et la structure du réseau trophique benthique. Dans le chapitre 1, nous avons étudié la structure du réseau trophique de la communauté macrobenthique à l'échelle de l'Arctique pancanadien afin de déterminer les facteurs influençant la dynamique des niches écologiques. Nous avons trouvé que la niche écologique fluctuait entre les régions présentant des concentrations différentes de glace de mer (SIC) sous l'effet d'une série de facteurs, notamment les conditions environnementales, les ressources disponibles et les pressions biotiques comme la prédation et la compétition. Les résultats ont mis en évidence une réduction de la richesse isotopique (c.-à-d. longueurs et largeurs de chaînes trophiques plus courtes) associée aux zones ayant des concentrations de glace de mer faibles et élevées, ce qui suggère une homogénéité et une faible variabilité des ressources consommées par les organismes. En revanche, nous avons observé une augmentation de la richesse isotopique (c.-à-d. une niche plus étendue) dans les zones de glace avec une concentration de glace de mer modérée, ce qui correspond à une plus grande hétérogénéité dans les sources de nourriture basale et des consommateurs utilisant des niches trophiques individuelles. Nos résultats appuient l'idée que la glace de mer est un facteur déterminant important de la dynamique et de la structure du réseau trophique benthique dans l'océan Arctique canadien. Dans le chapitre 2, les régimes alimentaires de la macrofaune benthique des grands fonds marins et la structure de son réseau alimentaire ont été étudiés dans la région de la baie de Baffin. Nous sommes les premiers à combiner des biomarqueurs lipidiques de type isoprénoïdes hautement ramifiés (HBI) avec des rapports d'isotopes stables (δ¹³C, δ¹⁵N) pour mieux comprendre la relation entre la disponibilité des sources de carbone dans les sédiments et l'assimilation et le transfert du carbone sympagique dans le réseau alimentaire benthique. Les HBI ont révélé une corrélation entre la consommation par les organismes benthiques de carbone organique particulaire dérivé de la glace de mer et les concentrations de glace de mer. D'après nos résultats, les diminutions de la quantité de carbone sympagique atteignant les fonds marins pourraient entraîner des changements temporels dans la composition des régimes alimentaires des consommateurs benthiques, les affectant de différentes manières selon leur guilde alimentaire et leur degré de plasticité alimentaire, ce qui pourrait alors affecter la dynamique du transfert de carbone. Dans le chapitre 3, les isotopes stables (δ¹³C, δ¹⁵N) ont été utilisés en conjonction avec l'approche des ellipses bayésiennes pour explorer les tendances spatiales des niches isotopiques quant à leur chevauchement et à leur largeur pour trois ophiures cooccurrentes: Ophiacantha bidentata, Ophiocten sericeum et Ophiopleura borealis, dans des régions arctiques spécifiques de la baie de Baffin (BB), de l'archipel arctique canadien (CAA), et de la polynie des eaux du Nord (NOW). Les différences de disponibilité et de diversité des aliments à l'échelle locale ont entraîné la variabilité de l'utilisation des ressources entre les stations au niveau individuel, ce qui a affecté les interactions trophiques, les chevauchements de niche et les structures de niche isotopique des ophiures. Nous avons observé un plus grand chevauchement de niches dans la région hautement productive de NOW, où les consommateurs présentaient une sélectivité alimentaire similaire, tandis que les régions présentant une plus grande concentration de glace de mer présentaient une augmentation de la ségrégation des niches. Enfin, les résultats ont mis en évidence que les ophiures pourraient être des espèces écologiques critiques gouvernant la dynamique, le fonctionnement et la stabilité des réseaux alimentaires benthiques dans l'océan Arctique. / Declines in sea-ice cover due to the Arctic warming could lead to complex and undetermined changes in food supply that could alter negatively the functioning of Arctic marine ecosystems. Benthic organisms are essential members of the Arctic food web, constituting an important food source for higher-trophic level consumers. In the Arctic Ocean, benthic consumers depend mainly on seasonal pulses of food supply from phytoplankton (i.e., pelagic) and sea ice-associated algae (i.e., sympagic community), yet it is still unknown how changes in primary productivity might affect benthic trophic dynamics. In order to predict future trends in ecosystem dynamics and functioning, it is becoming increasingly important to understand the environmental and biological drivers influencing trophic interactions, benthic consumer diets, and species co-occurrence in regions subject to rapid environmental changes. Using multiple trophic markers approaches, three inter-related studies were performed here with the ultimate purpose of (i) determine the drivers of trophic ecology and benthic food web structure; (ii) quantify the relative contribution of sympagic carbon in benthic consumers' diets and establish the role of sea-ice concentration (SIC) in benthic consumers' diets and food web structure; and (iii) determine the role of individuals in trophic interactions and benthic food web structure. In Chapter 1, the food web structure of the macrobenthic community was studied at a Pan-Canadian Arctic scale to identify drivers of ecological niche dynamics. The ecological niche fluctuated between areas with different SIC by a series of drivers including environmental conditions, resource supply, and biotic pressures such as predation and competition. Results highlighted a reduction in the isotopic richness (i.e., shorter chain length and width) linked to ice areas with low and high SIC, suggesting homogeneity and low variability of resources consumed by organisms. In contrast, an increase in isotopic richness (i.e., broad niche) was observed in ice areas with moderate SIC, implying higher heterogeneity in basal food sources and consumers using individual trophic niches. Our results support the idea that sea ice is an important driver of benthic food web dynamics and structure across the Canadian Arctic Ocean. In Chapter 2, deep-sea benthic macrofauna diets and food web structure were studied in the Baffin Bay region. We were the first at combining highly branched isoprenoid (HBI) lipid biomarkers and stable isotope ratios (δ¹³C, δ¹⁵N) to better understand the relationship between the availability of carbon sources in sediments and the assimilation and transfer of sea-ice algae carbon through the benthic food web. Highly branched isoprenoid (HBI) biomarkers revealed a correlation between sea ice-derived particulate organic carbon (Sympagic carbon or SC) consumption in benthic organisms and sea-ice concentrations. Based on our results, decreases in the quantity of SC reaching the seabed could lead to temporal changes in the composition of benthic consumer diets, affecting them in different ways according to their feeding guilds and degree of dietary plasticity that could, in turn, affect carbon transfer dynamics. In Chapter 3, stable isotopes (δ¹³C, δ¹⁵N) in conjunction with the Bayesian ellipses approach were used to explore spatial trends in population isotopic niche width and overlap of three coexisting ophiuroids: Ophiacantha bidentata, Ophiocten sericeum, and Ophiopleura borealis, in specific Arctic regions of Baffin Bay (BB), Canadian Arctic Archipelago (CAA), and North Water Polynya (NOW). Differences in the availability and the diversity of local food items drove variability of resource utilization across stations at the individual-level, which in turn affected trophic interactions, niche overlaps, and isotopic niche structures of ophiuroids. A greater niche overlap was associated with the highly productive region of NOW, where consumers exhibited similar food selectivity, whereas regions with more sea-ice concentration (SIC) showed an increase in niche segregation. Finally, results highlighted that brittle stars could be critical ecological species driving dynamics, functioning and stability of benthic food webs in the Arctic Ocean.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'obtention d'un aperçu microscopique de la structure interne et de la biologie de la glace de mer a traditionnellement été limitée à des méthodes d'échantillonnage destructives et intrusives par carottes de glace. Dans cette étude, nous présenterons un système révolutionnaire d'imagerie microscopique in situ conçu pour étudier les microstructures internes et les micro-organismes présents dans la glace de mer, sans avoir recours aux techniques d'échantillonnage conventionnelles. Ce nouveau système offre une vue inédite en temps réel de la vie dans cet environnement unique. La nature complexe et hétérogène de la glace de mer, avec sa matrice de glace, ses canaux de saumure, ses bulles d'air et ses diverses impuretés, a posé de nombreux défis d'ingénierie pour la mise au point de ce système d'imagerie. Le système développé est un microscope de terrain à multi-illumination et à géométrie d'imagerie réflective. Nous avons effectué des tests de validation dans la glace de mer de première année entre le 20 avril et le 3 mai 2023 dans la baie de Baffin. Malgré la fragilité inhérente à la matrice de la glace de mer, notre système d'imagerie nous a permis de capturer des images de microstructures et de micro-organismes avec des détails satisfaisants. La conception matérielle et logicielle de l'endoscope est présentée ainsi que les résultats de l'acquisition des images de la microstructure et de micro-organismes. Ces résultats démontrent collectivement le potentiel de ce nouveau système d'imagerie microscopique in situ à révolutionner la façon dont nous étudions la glace de mer et à fournir une compréhension plus approfondie de ses microstructures complexes et de ses micro-organismes vivants. Cette innovation recèle un immense potentiel pour faire progresser notre compréhension de la dynamique écologique, des processus biogéochimiques et des adaptations des micro-organismes dans la glace de mer. / Gaining microscopic insight into the internal structure and biology of sea ice has traditionally been limited to destructive and intrusive ice core sampling methods. In this study, we introduce a groundbreaking in situ microscopic imaging system designed to study the internal micro-structures and microorganisms within sea ice, all without the need for conventional sampling techniques. This novel system offers a never-before-seen real-time view of life within this unique environment. The complex and heterogeneous nature of sea ice, including its water crystal lattice, brine channels, air bubbles, and various impurities, presented numerous engineering challenges for developing this imaging system. The developed system is a field microscope with multi-illumination and *en-face* geometry. We conducted validations tests in first-year Arctic interior sea ice between April 20th and May 3rd 2023 in Baffin Bay. Despite the inherent fragility of the sea-ice matrix, our imaging system allowed us to capture images of microstructures and biota in satisfying detail. The hardware and software design of the endoscope are presented along with acquisition results of the microstructure and biota images. These findings collectively demonstrate the potential for this new in situ microscopy imaging system to revolutionize the way we study sea ice and provide a deeper understanding of its complex microstructures and living microorganisms. This innovation holds immense potential for advancing our understanding of ecological dynamics, biogeochemical processes, and microorganism adaptations in sea ice environments.

"Thèse en cotutelle : Doctorat interuniversitaire en océanographie, Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université Joseph Fourier - Grenoble I, Grenoble, France" / L’océan Arctique est marqué par une forte saisonnalité qui se manifeste par la présence d’une banquise permanente dont l’extension varie entre 6 et 15 × 106 km2. Interface plus ou moins perméable, la banquise limite les échanges atmosphère - océan et affecte le budget énergétique global en réfléchissant une part importante du rayonnement incident. Le manteau neigeux qui se forme à sa surface est un élément essentiel notamment parce qu’il contribue fortement aux propriétés optiques de la banquise. D’une part par son albédo, proche de l’unité dans le visible, qui retarde sensiblement la fonte estivale de la glace. Et d’autre part, il est majoritairement responsable de l’extinction verticale de l’éclairement dans la banquise. Or, la faible intensité lumineuse transmise à la colonne d’eau constitue un facteur limitant important à l’accumulation de biomasse des producteurs primaires souvent des micro-algues, à la base des réseaux trophiques. Le manteau neigeux en surface, par ces propriétés physiques et leurs évolutions temporelles, joue donc un rôle essentiel en impactant directement l’initiation et l’amplitude de la floraison phytoplanctonique printanière. Dans le cadre du réchauffement climatique actuel, les mutations que subit la banquise : amincissement, réduction de son extension estivale et variations des épaisseurs du manteau neigeux bouleversent d’ores et déjà la production primaire arctique à l’échelle globale et régionale. Cette thèse vise à mieux comprendre la contribution du manteau neigeux au transfert radiatif global de la banquise et de mieux estimer son impact sur la production primaire arctique. Elle s’appuie sur un jeu de données collectés lors de deux campagnes de mesures sur la banquise en période de fonte. Les propriétés physiques de la neige, SSA et densité, permettent une modélisation précise du transfert radiatif de la neige qui est validée, ensuite, par les propriétés optiques, comprenant : albédo, profils verticaux d’éclairement dans le manteau neigeux et transmittance `a travers la banquise. Au printemps, la neige marine, marquée par une importante hétérogénéité spatiale, évolue suivant quatre phases distinctes. La fonte, d’abord surfacique puis étendue à toute l’épaisseur du manteau, se caractérise par une baisse de la SSA de 25-60 m2 kg−1 à moins de 3 m2 kg−1 provoquant une diminution de l’albédo dans le proche infrarouge puis à toute longueur d’onde ainsi qu’une augmentation de l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Cette période est chaotique, marquée par une forte variabilité temporelle des propriétés optiques causées par la succession d’épisodes de fonte et de chutes de neige. Les propriétés physiques de la neige sont utilisées par un modèle de transfert radiatif afin de simuler les profils verticaux d’éclairement, l’albédo et la transmittance de la banquise. La comparaison entre ces simulations et les profils d’éclairement mesurés met en évidence la présence d’impuretés dans la neige dont leurs natures et leurs concentrations sont estimées. En moyenne, la neige échantillonnée contenait 650 ng g−1 de poussières minérales et 10 ng g−1 de suies qui réduisaient par deux l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Enfin, la modélisation de l’éclairement à toute profondeur de la banquise, représentée de manière innovante par des isolumes, est mise en relation avec l’évolution temporelle de la biomasse dans la glace. Il apparaît que la croissance des algues de glace est systématiquement corrélée avec une augmentation de l’éclairement, et ce, jusqu’`a des niveaux d’intensité de l’ordre de 0.4 μE m−2 s−1. Ces variations d’´éclairement sont dues au métamorphisme et `a la fonte de la neige en surface. Mots clés : Transfert radiatif, neige marine, albédo, transmittance, impuretés, algues de glace / The Arctic ocean shows a very strong seasonality trough the permanent presence of sea ice whose extent varies from 6 to 15 × 106 km2. As an interface, sea ice limits ocean - atmosphere interactions and impacts the global energy budget by reflecting most of the short-wave incoming radiations. The snow cover, at the surface, is a key element contributing to the optical properties of sea ice. Snow enhances further the surface albedo and thus delays the onset of the ice melt. In addition, snow is the main responsible for the vertical light extinction in sea ice. However, after the polar night, this low light transmitted to the water column is a limiting factor for primary production at the base of the oceanic food web. The snow cover, through the temporal evolution of its physical properties, plays a key role controlling the magnitude and the timing of the phytoplanktonic bloom. In the actual global warming context, sea ice undergoes radical changes including summer extent reduction, thinning and shifts in snow thickness, all of which already alter Arctic primary production on a regional and global scale. This PhD thesis aims to better constrain the snow cover contributions to the radiative transfer of sea ice and its impact on Arctic primary production. It is based on a dataset collected during two sampling campaigns on landfast sea ice. Physical properties of snow such as snow specific surface area (SSA) and density allow a precise modeling of the radiative transfer which is then validated by optical measurements including albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance in the snow. During the melt season, marine snow which shows strong spatial heterogeneity evolves fol- lowing four distinctive phases. The melting, which first appears at the surface and gradually propagates to the entire snowpack, is characterized by a decrease in SSA from 25-60 m2 kg−1 to less than 3 m2 kg−1 resulting in a decrease in albedo and an increase in sea ice transmittance. This is a chaotic period, where optical properties show a very strong temporal variability induced by alternative episodes of surface melting and snowfalls. The physical properties of snow are used in a radiative transfer model in order to calculate albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance at all depths. The comparison between these simulations and measured vertical profiles of irradiance in snow highlights the presence of snow absorbing impurities which were subsequently qualitatively and quantitatively studied. In average, impurities were composed of 650 ng g−1 of mineral dust and 10 ng g−1 of black carbon. They were responsible for a two-fold reduction in light transmitted through sea ice. The light extinction, calculated at all depths in sea ice, and represented by isolums, was compared to the temporal evolution of ice algae biomass. The results show that every significant growth in ice algae population is related to an increase of light in the ice. These growths were observed even at very low light intensities of 0.4 μE m−2 s−1. Light variations in the ice were linked by snow metamorphism and snow melting at the surface. Keywords : Radiative transfer, marine snow, snow albedo, sea ice transmittance, snow impurities, ice algae.

La glace de mer couvre jusqu’à 6% de la surface de notre planète. Autour du continent Antarctique, sa superficie varie entre 3.8 et 19 millions de km² (en février et septembre respectivement). Cette superficie présente des variations interannuelles. En parallèle, une évolution de la superficie de la glace de mer a également pour origine le réchauffement climatique global, très médiatisé à l’heure actuelle. Dans ce contexte, et étant donné le rôle que joue la banquise au sein de l’Océan Austral, des études de l’évolution de la glace de mer sont devenues fondamentales. Ce travail a pour objectif d’étudier les relations complexes qui existent entre les processus chimiques, physiques et biologiques qui se déroulent au sein de la glace de mer. La détermination des propriétés physiques et de la composition chimique des glaces de mer correspond en effet à un pré-requis indispensable à l’étude des cycles géochimiques qui existent dans la banquise. Différentes glaces de mer, naturelles ou artificielles, ont été analysées. Pour ce faire, les caractéristiques spécifiques à ce type de glace font que des méthodes d’analyse de la composition en gaz particulières ont été nécessaires. Nous avons ainsi pu montrer que le contenu et la composition en gaz des différentes glaces analysées dépendent de facteurs physico-chimiques et de facteurs biologiques. L’impact des facteurs physico-chimiques se marque lors de l’incorporation initiale des impuretés dans la glace de mer et via une diffusion "post-génétique" tant que la glace est plus chaude que –5°C. En outre, les organismes photosynthétiques sont à l’origine d’une production d’oxygène et d’une consommation de dioxyde de carbone. La composition en gaz résultante peut donc être sensiblement différente de la composition atmosphérique ou de celle des gaz dissous dans l’eau de mer sous-jacente, en été comme en hiver. Il s’agit par conséquent de sérieusement envisager l’impact potentiel de la glace de mer et des microorganismes qu’elle contient, lors du réchauffement et de la débâcle, sur les échanges entre atmosphère et océan comme sur leurs compositions respectives.

La glace de mer Arctique connaît actuellement de profondes mutations dans sa structure et sa variabilité. Le déclin récent de la couverture estivale de glace de mer Arctique, qui a atteint un nouveau record en septembre 2012, a relancé l'intérêt stratégique de cette région longtemps oubliée. La prévision de glace de mer à l'échelle saisonnière est ainsi un problème d'océanographie opérationnelle qui pourrait intéresser nombre d'acteurs économiques (pêche, énergie, recherche, tourisme). De plus, en tant que conditions aux limites pour l'atmosphère, la glace de mer peut induire une prévisibilité de l'atmosphère à l'échelle saisonnière, au même titre que les anomalies de température de surface de l'océan sous les tropiques. Nous présentons dans cette thèse la construction d'un système de prévisions saisonnières dédié à la glace de mer Arctique avec le modèle couplé CNRM-CM5.1, développé conjointement par le CNRM-GAME et le CERFACS. Nous passons en revue la stratégie d'initialisation, la réalisation et l'évaluation des hindcasts (ou rétro-prévisions). La communauté dispose d'observations de concentration de glace de mer, mais de très peu de données d'épaisseur à l'échelle du bassin. Afin d'initialiser la glace de mer et l'océan dynamiquement et thermodynamiquement, nous avons choisi d'utiliser la composante océan-glace de mer de CNRM-CM5.1, NEMO-GELATO. L'initialisation consiste à forcer NEMO-GELATO avec les champs météorologiques issus de la réanalyse ERA-Interim, sur la période 1990-2010. Des corrections appliquées aux forçages basées sur des observations satellitaires et in-situ nous permettent d'obtenir une bonne simulation de l'océan et de la glace de mer en terme d'état moyen et de variabilité interannuelle. L'épaisseur reste néanmoins sous-estimée. Quelques propriétés de prévisibilité intrinsèque de la glace de mer Arctique sont ensuite présentées. Une étude de prévisibilité potentielle diagnostique nous a permis de distinguer deux modes de prévisibilité de la glace de mer à l'aide du volume et de la structure sous-maille d'épaisseur. Un « mode de persistance » concerne la prévisibilité de la couverture d'hiver. La surface de glace de mars est potentiellement prévisible à 3 mois à l'avance par la seule persistance, et dans une moindre mesure à l'aide des surfaces couvertes par la glace relativement fine. Un « mode de mémoire » concerne la prévisibilité de la couverture estivale. La surface de glace de septembre est potentiellement prévisible jusqu'à 6 mois à l'avance à l'aide du volume et surtout de la surface couverte par la glace relativement épaisse. Ces résultats suggèrent donc qu'une bonne initialisation du volume et de la structure d'épaisseur en fin d'hiver permettrait une bonne prévisibilité des étendues de fin d'été. Les prévisions d'été et d'hiver présentent des scores particulièrement encourageants, que ce soit en anomalies brutes ou en anomalies par rapport à la tendance linéaire. Cela suggère une prévisibilité liée à l'état initial et non aux forçages externes imposés. L'analyse des prévisions d'été montre que le volume et les structures d'épaisseur de l'état initial expliquent l'essentiel des différentes prévisions, ce qui confirme l'existence du « mode de mémoire » malgré un fort biais radiatif. L'analyse des prévisions d'hiver suggère que l'étendue initiale explique une partie des différentes prévisions, un indice du « mode de persistance » des prévisions hivernales. Une analyse régionale des prévisions d'hiver permet de préciser le rôle de l'océan dans ces prévisions, et montre dans quelle mesure nos prévisions pourraient être utilisées de manière opérationnelle, notamment en mer de Barents / Sea ice experiences some major changes in the early 21st century. The recent decline of the summer Arctic sea ice extent, reaching an all-time record low in September 2012, has woken renewed interest in this remote marine area. Sea ice seasonal forecasting is a challenge of operational oceanography that could benefit to several stakeholders : fishing, energy, research, tourism. Moreover, sea ice is a boundary condition of the atmosphere. As such, as tropical sea surface temperature, it may drive some atmosphere seasonal predictability. The goal of this PhD work was to set up a dedicated Arctic sea ice seasonal forecasting system, using CNRM-CM5.1 coupled climate model. We address the initialization strategy, the creation and the evaluation of the hindcasts (or re-forecasts). In contrast to sea ice concentration, very few thickness data are available over the whole Arctic ocean. In order to initialize sea ice and the ocean dynamically and thermodynamically, we used the ocean-sea ice component of CNRM-CM5.1, named NEMO-GELATO, in forced mode. The initialization run is a forced simulation driven by ERA-Interim forcing over the period 1990-2010. Corrections based on satellite data and in-situ measurements leads to skilful simulation of the ocean and sea ice mean state and interannual variability. Sea ice thickness seems overall underestimated, based on the most recent estimates. Some characteristics of sea ice inherent predictability are then addressed. A diagnostic potential predictability study allowed us to identify two regimes of predictability using sea ice volume and the ice thickness distribution. The first one is the 'persistence regime', for winter sea ice area. March sea ice area is potentially predictable up to 3 months in advance using simple persistence, and surface covered by thin ice to a lesser extent. The second one is the 'memory regime', for summer sea ice area. September sea ice area is potentially predictable up to 6 months in advance using volume and to a greater extent the area covered by relatively thick ice. These results suggest that a comprehensive winter volume and thickness initialization could improve the summer forecasts. Summer and winter seasonal hindcasts shows very encouraging skills, in terms of raw and detrended anomalies. These skills suggest a predicatibility from initial conditions besides predictability due to the trend. Summer forecasts analysis shows that the volume and the ice thickess distribution explains a high fraction of the variance of predicted sea ice extent, which confirms the existence of the 'memory regime'. Winter forecasts also suggest the 'persistence regime'. A regional investigation of the winter hindcast helps precising the role of the ocean in the forecasts, and shows to what extent our system predictions could be used operationally, especially in the Barents Sea

La banquise arctique est une plaque de glace flottant à la surface de l'océan sur plusieurs millions de km2. La variation spatiale et temporelle de son épaisseur contrôle les échanges d'énergie mécanique et thermique entre l'atmosphère et l'océan. De ce fait, la banquise est une sorte d'isolant pour l'océan arctique, qui lui même joue un rôle déterminant dans la circulation thermohaline de l'océan mondial, et par voie de conséquence sur le climat de la planète.<br />On observe une disparition significative et progressive de la banquise depuis environ un demi siècle, disparition qui s'est accélérée au cours des dernières années, a tel point qu'elle dépasse les prévisions les plus alarmistes des modèles les plus sophistiqués.<br />Nous montrons dans cette thèse que cette sous-estimation pourrait être le résultat de l'utilisation d'un cadre de modélisation inadéquat : en considérant la banquise comme un milieu continu fluide, les modèles actuels ne parviennent pas a reproduire, entre autres, les propriétés d'intermittence et d'hétérogénéité de son champs de déformation que nous mettons en évidence. De ce fait, la fracturation de la banquise, bien que largement observable sur le terrain et/ou par satellite, n'est pas correctement reproduite. Or, elle apparait comme essentielle au regard de son contrôle sur le caractère isolant décrit plus haut.<br />Dans ce travail, nous suggérons également d'adopter un nouveau schéma de modélisation, considérant la banquise comme une plaque rigide ayant un comportement mécanique elasto-fragile.

The Southern Ocean (ca. 20% of the world ocean surface) is a key place for the regulation of Earth climate thanks to its capacity to absorb atmospheric carbon dioxide (CO2) by physico-chemical and biological mechanisms. The biological carbon pump is a major pathway of absorption of CO2 through which the CO2 incorporated into autotrophic microorganisms in surface waters is transferred to deep waters. This process is influenced by the extent of the primary production and by the intensity of the remineralization of organic matter along the water column. So, the annual cycle of sea ice, through its in situ production and remineralization processes but also, through the release of microorganisms, organic and inorganic nutrients (in particular iron)into the ocean has an impact on the carbon cycle of the Southern Ocean, notably by promoting the initiation of phytoplanktonic blooms at time of ice melting. The present work focussed on the distribution of organic matter (OM) and its interactions with the microbial network (algae, bacteria and protozoa) in sea ice and ocean, with a special attention to the factors which regulate the biological carbon pump of the Southern Ocean. This thesis gathers data collected from a) late winter to summer in the Western Pacific sector, Western Weddell Sea and Bellingshausen Sea during three sea ice cruises ARISE, ISPOL-drifting station and SIMBA-drifting station and b) summer in the Sub-Antarctic and Polar Front Zone during the oceanographic cruise SAZ-Sense. The sea ice covers were typical of first-year pack ice with thickness ranging between 0.3 and 1.2 m, and composed of granular and columnar ice. Sea ice temperature ranging between -8.9°C and -0.4°C, brines volume ranging between 2.9 to 28.2% and brines salinity from 10 to >100 were observed. These extreme physicochemical factors experienced by the microorganisms trapped into the semi-solid sea ice matrix therefore constitute an extreme change as compared to the open ocean. Sea ice algae were mainly composed of diatoms but autotrophic flagellates (such as dinoflagellates or Phaeocystis sp.) were also typically found in surface ice layers. Maximal algal biomass was usually observed in the bottom ice layers except during SIMBA where the maxima was localised in the top ice layers likely because of the snow and ice thickness which limit the light available in the ice cover. During early spring, the algal growth was controlled by the space availability (i.e. brine volume) while in spring/summer (ISPOL, SIMBA) the major nutrients availability inside sea ice may have controlled algal growth. At all seasons, high concentrations of dissolved and particulate organic matter were measured in sea ice as compared to the water column. Dissolved monomers (saccharides and amino acids) were accumulated in sea ice, in particular in winter. During spring and summer, polysaccharides constitute the main fraction of the dissolved saccharides pool. High concentrations of transparent exopolymeric particles (TEP), mainly constituted with saccharides, were present and their gel properties greatly influence the internal habitat of sea ice, by retaining the nutrients and by preventing the protozoa grazing pressure, inducing therefore an algal accumulation. The composition as well as the vertical distribution of OM in sea ice was linked to sea ice algae. Besides, the distribution of microorganisms and organic compounds in the sea ice was also greatly influenced by the thermodynamics of the sea ice cover, as evidenced during a melting period for ISPOL and during a floodfreeze cycle for SIMBA. The bacteria distribution in the sea ice was not correlated with those of algae and organic matter. Indeed, the utilization of the accumulated organic matter by bacteria seemed to be limited by an external factor such as temperature, salinity or toxins rather than by the nature of the organic substrates, which are partly composed of labile monomeric saccharides. Thus the disconnection of the microbial loop leading to the OM accumulation was highlighted in sea ice. In addition the biofilm formed by TEP was also involved in the retention of cells and other compounds(DOM, POM, and inorganic nutrients such as phosphate and iron) to the brine channels walls and thus in the timing of release of ice constituents when ice melts. The sequence of release in marginal ice zone, as studied in a microcosm experiments realized in controlled and trace-metal clean conditions, was likely favourable to the development of blooms in the marginal ice zone. Moreover microorganisms derived from sea ice (mainly <10 µm) seems able to thrive and grow in the water column as also the supply of organic nutrients and Fe seems to benefit to the pelagic microbial community. Finally, the influence of the remineralization of organic matter by heterotrophic bacterioplankton on carbon export and biological carbon pump efficiency was investigated in the epipelagic (0-100 m) and mesopelagic(100-700 m) zones during the summer in the sub-Antarctic and Polar Front zones (SAZ and PFZ) of the Australian sector (Southern Ocean). Opposite to sea ice, bacterial biomass and activities followed Chl a and organic matter distributions. Bacterial abundance, biomass and activities drastically decreased below depths of 100-200 m. Nevertheless, depth-integrated rates through the thickness of the different water masses showed that the mesopelagic contribution of bacteria represents a non-negligible fraction, in particular in a diatom-dominated system./ L’océan Antarctique (± 20% de la surface totale des océans) est un endroit essentiel pour la régulation du climat de notre planète grâce à sa capacité d’absorber le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique par des mécanismes physico-chimique et biologique. La pompe biologique à carbone est un processus majeur de fixation de CO2 par les organismes autotrophes à la surface de l’océan et de transfert de carbone organique vers le fond de l’océan. Ce processus est influencé par l’importance de la production primaire ainsi que par l’intensité de la reminéralisation de la matière organique dans la colonne d’eau. Ainsi, le cycle annuel de la glace via sa production/reminéralisation in situ mais aussi via l’ensemencement de l’océan avec des microorganismes et des nutriments organiques et inorganiques (en particulier le fer) a un impact sur le cycle du carbone dans l’Océan Antarctique, notamment en favorisant l’initiation d’efflorescences phytoplanctoniques dans la zone marginale de glace. Plus précisément, nous avons étudié les interactions entre le réseau microbien (algues, bactéries et protozoaires) et la matière organique dans le but d’évaluer leurs impacts potentiels sur la pompe biologique de carbone dans l’Océan Austral. Deux écosystèmes différents ont été étudiés : la glace de mer et le milieu océanique grâce à des échantillons prélevés lors des campagnes de glace ARISE, ISPOL et SIMBA et lors de la campagne océanographique SAZ-Sense, couvrant une période allant de la fin de l’hiver à l’été. La glace de mer est un environnement très particulier dans lequel les microorganismes planctoniques se trouvent piégés lors de la formation de la banquise et dans lesquels ils subissent des conditions extrêmes de température et de salinité, notamment. Les banquises en océan ouvert étudiées (0,3 à 1,2 m d’épaisseur, températures de -8.9°C à -0.4°C, volumes relatifs de saumure de 2.9 à 28.2% et salinités de saumures entre 10 et jusque >100) étaient composées de glace columnaire et granulaire. Les algues de glace étaient principalement des diatomées mais des flagellés autotrophes (tels que des dinoflagellés ou Phaeocystis sp.) ont été typiquement observés dans les couches de glace de surface. Les biomasses algales maximales se trouvaient généralement dans la couche de glace de fond sauf à SIMBA où les maxima se trouvaient en surface, probablement en raison de l’épaisseur des couches de neige et de glace, limitant la lumière disponible dans la colonne de glace. Au début du printemps, la croissance algale était contrôlée par l’espace disponible (càd le volume des saumures) tandis qu’au printemps/été, la disponibilité en nutriments majeurs a pu la contrôler. A toutes les saisons, des concentrations élevées en matière organique (MO) dissoute et particulaire on été mesurées dans la glace de mer par rapport à l’océan. Des monomères dissous (sucres et acides aminés) étaient accumulés dans la glace, surtout en hiver. Au printemps et été, les polysaccharides dissous dominaient le réservoir de sucres. La MO était présente sous forme de TEP qui par leurs propriétés de gel modifie l’habitat interne de la glace. Ce biofilm retient les nutriments et gêne le mouvement des microorganismes. La composition et la distribution de la MO dans la glace étaient en partie reliées aux algues de glace. De plus, la thermodynamique de la couverture de glace peut contrôler la distribution des microorganismes et de la MO, comme observé lors de la fonte de la glace à ISPOL et lors du refroidissement de la banquise à SIMBA. La distribution des bactéries n’est pas corrélée avec celle des algues et de la MO dans la glace. En effet, la consommation de la MO par les bactéries semble être limitée non pas par la nature chimique des substrats mais par un facteur extérieur affectant le métabolisme bactérien tel que la température, la salinité ou une toxine. Le dysfonctionnement de la boucle microbienne menant à l’accumulation de la MO dans la glace a donc été mis en évidence dans nos échantillons. De plus, le biofilm formé par les TEP est aussi impliquée dans l’attachement des cellules et autres composés aux parois des canaux de saumure et donc dans la séquence de largage lors de la fonte. Cette séquence semble propice au développement d’efflorescences phytoplanctoniques dans la zone marginale de glace. Les microorganismes originaires de la glace (surtout ceux de taille < 10 μm) semblent capables de croître dans la colonne d’eau et l’apport en nutriments organiques et inorganiques apparaît favorable à la croissance des microorganismes pélagiques. Enfin, l’influence des activités hétérotrophes sur l’export de carbone et l’efficacité de la pompe biologique à carbone a été évaluée dans la couche de surface (0-100 m) et mésopélagique (100-700 m) de l’océan. Au contraire de la glace, les biomasses et activités bactériennes suivaient les distributions de la chlorophyll a et de la MO. Elles diminuent fortement en dessous de 100-200 m, néanmoins les valeurs intégrées sur la hauteur de la colonne d’eau indiquent que la reminéralisation de la MO par les bactéries dans la zone mésopélagique est loin d’être négligeable, spécialement dans une région dominée par les diatomées.