Depuis plusieurs décennies, l'environnement arctique est en proie à de nombreux changements notamment dus à l'activité humaine. L'Arctique est en effet très sensible aux espèces polluantes issues de l'industrie de masse ainsi qu'au réchauffement global accéléré par les émissions anthropogéniques. Leurs impacts sur les écosystèmes boréaux, visibles dès les années 1970, (Schindler et Smol, 2006) ont motivé de nombreuses études. Ainsi a été démontrée l'importance des sources ponctuelles et du transport atmosphérique longue distance sur la pollution des zones arctiques. Un des composants clés de l'écosystème arctique est le manteau neigeux saisonnier, car en directe interaction avec l'atmosphère, le sol et les systèmes aquatiques. La neige contient de nombreuses espèces chimiques, microorganismes, particules et impuretés qui en font un milieu chimiquement et biologiquement dynamique, siège de réactions et d'interactions diverses. L'important interface atmosphère - neige (milieu poreux) donne notamment lieu à de nombreuses réactions d'oxydoréduction photo-induites impliquées dans des cycles chimiques complexes. Néanmoins, peu de choses sont connues sur l'interaction entre les différentes espèces contenues dans le manteau neigeux, et si on sait désormais que les microorganismes y ont une activité significative, on ignore tout ou presque des interactions chimiques éventuelles. Lors de la fonte du manteau neigeux, ce sont toutes les espèces qui y ont été stockées et formées in situ qui seront libérées dans l'écosystème aquatique. Ainsi le manteau neigeux saisonnier constitue un réservoir et réacteur crucial d'espèces chimiques, biologiques et contaminantes pour l'environnement arctique. Le cycle du mercure est dominé par deux systèmes de réactions majeurs : 1) l'oxydo-réduction (Hg0 Hg2+) ; et 2) la méthylation-déméthylation (Hg2+ CH3Hg+ CH3HgCH3). Les espèces formées par méthylation sont le monométhylmercure CH3Hg+ (aussi appelé méthylmercure, noté MMHg) et le diméthylmercure CH3HgCH3 (noté DMHg). Dans les régions polaires, le mercure élémentaire gazeux atmosphérique est rapidement oxydé et déposé en très grande quantité lors d'épisodes appelés AMDEs (Atmospheric Mercury Depletion Events) survenant au printemps polaire (Schroeder et al., 1998; Steffen et al., 2008). Durant ces épisodes, la neige se comporte comme une " éponge " à mercure et retient des concentrations en mercure très élevées (de l'ordre de la centaine de ng/L). Plusieurs campagnes de terrain ont montré que le mercure pouvait être soit oxydé soit réduit dans le manteau neigeux (Lalonde et al., 2002; Dommergue et al., 2003; Poulain et al., 2004) bien qu'il soit admis que la plus grande partie du mercure divalent déposé dans le manteau neigeux est réduit puis réémis dans l'atmosphère (Poulain et al., 2004; Kirk et al., 2006). Le mercure stocké par le manteau neigeux est libéré dans les eaux de fontes en période de réchauffement, en partie sous forme monométhylée (MMHg) (Loseto et al., 2004; St. Louis et al., 2005). Un récapitulatif de la chimie du mercure ainsi que de sa réactivité en arctique et dans le manteau neigeux est présenté en chapitre introductif de cette thèse. L'objectif des travaux présentés dans ce manuscrit est de clarifier l'influence de la chimie du manteau neigeux saisonnier arctique sur la réactivité du mercure qu'il contient, en particulier celle de sa forme méthylmercure. Comment s'y retrouve-t-il ? Est-il transporté dans la neige ou s'y forme-t-il à partir d'autres espèces mercurielles ? Quel rôle joue le manteau neigeux sur la boucle méthylée du cycle du mercure ? Les résultats présentés ci-après exploitent les données d'échantillons de neige saisonnière, collectés entre avril et juin 2011 autour du site côtier de Ny-Ålesund, dans la région du Kongsfjorden (Svalbard). La thèse est divisée en six parties, subdivisées en chapitres. La première partie présente les connaissances de la biogéochimie du mercure ainsi que de la physico-chimie du manteau neigeux nécessaires à la compréhension des parties de développement qui suivent. La deuxième partie présente les différentes méthodes analytiques utilisées pour obtenir notre jeu de données à partir des échantillons de terrain. Il comprend aussi la description d'un dispositif de dosage d'ultra-traces de MMHg que nous avons développé au laboratoire, bien qu'il n'ait pas eu l'aboutissement nécessaire pour analyser nos échantillons. Ce travail de développement analytique fait partie intégrante du travail de thèse et a mobilisé beaucoup de temps et de moyens ; il permet aujourd'hui un dispositif fonctionnel dont les performances doivent encore être précisées. La mise en place de ce dispositif est décrite de manière très complète en abordant un point de vue très pratique sur problèmes rencontrés et leurs solutions. Suit un court mais indispensable chapitre de description du site d'étude, de la méthodologie de terrain et des conditions géochimiques et météorologiques du milieu étudié. Dans la troisième partie, dédiée à l'étude de la chimie de la neige, nous commencerons par quelques observations sur la dynamique du mercure dans le manteau neigeux avant d'aborder dans un deuxième chapitre la chimie du manteau neigeux saisonnier avec une méthodologie nouvelle dans ce domaine, impliquant des rapports de concentrations d'espèces chimiques (Robinson et al., 2006). Cette approche a permis d'identifier les principales sources d'espèces chimiques dans le manteau neigeux côtier, et notamment d'y identifier les principales sources de MMHg. Le troisième chapitre de cette partie s'appuie sur les résultats sur la chimie de la neige pour discuter de la nature de la source principale de MMHg, en raisonnant sur la chimie globale de la neige et des traceurs de source. Nous y développons une nouvelle explication de l'apport de MMHg dans la neige étudiée - basée sur nos résultats et étayée par une littérature fournie - clarifiant ainsi le faisceau d'hypothèses habituellement évoqué pour expliquer la présence de MMHg dans le manteau neigeux. Nous n'identifions pas de formation de MMHg in situ dans le manteau neigeux côtier étudié. En réponse et en complément à la partie précédente, la quatrième partie traite de la dynamique du MMHg dans la neige et l'eau de fonte. Dans un premier chapitre sont présentés les résultats d'une étude d'un puits de neige sur le glacier Kongsvegen (une année d'accumulation), un site éloigné de la côte du Kongsfjorden. En utilisant la même méthodologie que précédemment, nous observons un processus chimique reliant le MMHg à d'autres espèces chimiques, qui est certainement identifiable uniquement en raison des faibles concentrations et de la stabilité de ce manteau neigeux dans le temps. En se basant sur les résultats d'une étude de laboratoire sur la formation de MMHg (Gåardfeldt et al., 2003), nous attribuons les relations entre ces espèces chimiques à une réaction de méthylation du mercure in situ. L'importance de cette réaction dans le budget de MMHg du manteau neigeux ainsi que les implications potentielles de cette observation préliminaire y sont évaluées et discutées. Un dernier chapitre présentera les observations concernant le méthylmercure dans l'eau de fonte, en complément des résultats présentés plus tôt. Les cinquième et sixième parties sont constituées respectivement d'une discussion conclusive et des annexes.

Le 22 Août 2005 une crue intense s'est produite sur le bassin versant du Vorz, détruisant partiellement le hameau de la Gorge. Cet évènement a mis en évidence les difficultés à anticiper les conditions hydrométéorologiques en montagne où elles sont extrêmement variables spatialement et temporellement, et souvent faiblement instrumentées. De ce constat est né le projet de mettre en place un réseau d'instrumentation hydrométéorologique original sur le bassin versant du Vorz, afin d'y observer les phénomènes naturels et hydrologiques s'y produisant, de mieux les appréhender, et de construire les outils et méthodes nécessaires à leur modélisation. Après deux saisons de mesures, les premiers résultats ont montré que le réseau mis en place permet d'obtenir des informations à haute résolution spatiale et temporelle sur les processus hydrométéorologiques. Malgré son installation dans le milieu difficile de la montagne (accessibilité, froid, énergie,...), une très bonne fiabilité a pu être mise en avant, ainsi que des perspectives de transposition à d'autres bassins versants, et ce, pour un faible coût financier. L'originalité du réseau est de réaliser un multi-échantillonnage de nombreux paramètres hydrométéorologiques (pluviométrie, température, neige, insolation,...), avec des résolutions spatiales (10 à 50 mètres) et temporelles (horaire à moins) permettant d'envisager une modélisation hydrologique à différentes échelles, aussi bien pour la gestion des ressources en eau (long terme) que pour la prévention des crues (court terme). Les capteurs mis en place constituent un ensemble complémentaire et indissociable de divers instruments de mesure: iButtons (air et sol), totalisateurs, pluviomètres, appareils photographiques. La mise au point d'un capteur de mesure innovant de cartographie automatique de la couverture neigeuse (SnoDEC), à partir d'images photographiques classiques, prises à pas de temps régulier (5 à 7 images par jours) a été réalisée au cours de ce travail. Il permet de quantifier l'hérogénéité spatiale et temporelle des phénomènes d'enneigement sur le versant, prépondérants sur son hydrologie, au vue de la persistance nivale (5 à 10 mois). L'ensemble de ce dispositif permet de disposer d'une importante base de données, et de mettre en oeuvre différentes techniques d'interpolations des variables hydrométéorologiques sur l'ensemble du bassin versant. Ainsi, des cartographies précises du champ de température et de pluviométrie seront disponibles au pas de temps journalier. En outre, le capteur SnoDEC permettra d'analyser et quantifier l'hétérogénétité spatio-temporelle (altitude, exposition, vitesse de fonte,...) de la couverture nivale. A partir de ces données, on pourra mieux appréhender les mécanismes hydrologiques en jeu sur le site et dessiner les contours des modélisations futures. Dans le même temps, les données disponibles pourront être combinées afin de mettre en évidence des phénomènes difficilement mesurables (limite pluie/neige, inversion thermiques,...), qui serviront à l'avenir à contraindre de manière précise les modèles nivologiques et hydrologiques. Au travers des différents paramètres instrumentés, et grâce à l'utilisation de l'imagerie, ce réseau est capable de mesurer des variables relevant de nombreux champs disciplinaires (dynamique glaciaire, cyle végétatif,...). Il s'inscrit ainsi, par son approche interdisciplinaire, dans une volonté de mise en place d'un réseau de mesure à coût limité, destiné à l'ensemble des acteurs de l'étude et la recherche des milieux de la montagne.

La prédétermination de la hauteur de départ des avalanches représente un défi majeur pour l'évaluation du risque en montagne. Cette hauteur constitue en effet un ingrédient d'entrée important des procédures de zonage et de cartographie du risque. Dans cette thèse, nous présentons un formalisme rigoureux dans lequel les distributions de hauteur de départ d'avalanche sont exprimées à travers un couplage des facteurs mécaniques et météorologiques. Le critère de stabilité du système plaque - couche fragile est étudié en utilisant une analyse mécanique par éléments finis prenant en compte l'hétérogénéité spatiale des propriétés mécaniques. Considérant qu'une avalanche ne peut se produire que si la hauteur de chute de neige dépasse une hauteur critique correspondant au critère de stabilité, les distributions de hauteur de départ obtenues à partir du modèle mécanique sont couplées avec la distribution des chutes de neige extrêmes sur 3 jours. Nous montrons que ce modèle couplé est capable de reproduire des données de terrain de 369 avalanches naturelles de plaque à La Plagne (France). Non seulement la queue de la distribution en loi puissance, correspondant à des épaisseurs de plaque élevées, mais aussi le corps de la distribution pour les plaques moins épaisses, sont bien reproduits par le modèle. Les avalanches petites à moyennes semblent être essentiellement contrôlées par la mécanique, tandis que les grosses avalanches et l'exposant de la loi puissance associé, sont influencés par un couplage mécanique - météorologique fort. Par ailleurs, nous démontrons que la distribution obtenue est fortement dépendante de l'espace, et, en utilisant les processus max-stables permettant une interpolation spatiale rigoureuse, notre modèle couplé est utilisé pour obtenir des cartes de hauteur de départ d'avalanche pour différentes périodes de retour sur l'ensemble des Alpes françaises. / The evaluation of avalanche release depth distributions represents a major challenge for hazard management in mountaineous regions. This depth constitutes an important input ingredient of hazard mapping procedures. This PhD thesis presents a rigorous formalism in which these distributions are expressed through a coupling of mechanical and meteorological factors. The stability criterion of a layered snowpack is investigated using a finite-element analysis accounting for the spatial heterogeneity of weak-layer mechanical properties. Considering that an avalanche can occur only if the snowfall depth exceeds a critical value corresponding to a stability criterion, release depth distributions obtained from the mechanical model are coupled with the distribution of 3-day extreme snowfalls. We show that this coupled model is able to reproduce field data from 369 natural slab avalanches in La Plagne (France). Not only the power-law tail of the distribution, corresponding to large slab depths, but also the core of the distribution for shallow slab depths, are well represented. Small to medium-sized avalanches appear to be controlled mainly by mechanics, whereas large avalanches and the associated power-law exponent, are influenced by a strong mechanical-meteorological coupling. Finally, we demonstrate that the obtained distribution is strongly space dependent, and, using max-stables processes allowing a rigorous spatial interpolation, our coupled model is used to obtain release depth maps for given return periods in the whole French Alps.

La situation en Antarctique est complexe. Continent peu connu et isolégéographiquement,les processus qui contrôlent son bilan de masse et son bilan d'énergie sont encore mal compris. Dans ce contexte, l'étude de la température de surface connaît un intérêt grandissant de la part de la communauté scientifique. En effet, en contrôlant fortement la température de la neige jusqu'à des dizaines, voire des centaines, de mètres sous la surface, la température de surface influence l'état thermique de la calotte du plateau antarctique, sa dynamique et, par conséquent, son bilan de masse. De plus, en agissant sur les émissions de flux thermiques infrarouges et sur les flux turbulents de chaleurs sensibles et latents, la température de surface est directement liée au bilan énergétique de surface du plateau antarctique. L'analyse de la température de surface et l'étude des processus physiques à l'origine de sa variabilité participent à l'amélioration de la compréhension du bilan énergétique de surface, étape nécessaire pour déterminer l'état actuel de sa calotte et faire des prévisions sur sa potentielle contribution à l'élévation du niveau des mers. Ce travail de thèse participe à cet effort en s'intéressant au cycle diurne de la température de surface et aux différents facteurs contribuant à sa variabilité spatiale et temporelle sur le plateau antarctique. Il débute par une évaluation de différentes données entre 2000 et 2012 montrant le bon potentiel de la température de surface MODIS qui peut dès lors être utilisée comme donnée de référence pour l'évaluation des modèles et réanalyses. Un biais chaud systématique de 3 à 6°C dans la réanalyse ERA-interim de la température de surface est ainsi mis en évidence sur le plateau antarctique. L'observation du cycle diurne de la température de surface a, quant à elle, permis d'identifier la densité superficielle parmi ses facteurs de variabilité. Sur les premiers centimètres du manteau neigeux où se concentrent la majorité des échanges de masse et d'énergie entre l'atmosphère et la calotte antarctique, la densité de la neige est une donnée cruciale car elle agit sur l'absorption du rayonnement solaire dans le manteau neigeux mais également sur la conductivité thermique du manteau et donc sur la propagation de la chaleur entre la surface et les couches en profondeur. La densité superficielle de la neige présente cependant de nombreuses incertitudes sur sa variabilité spatio-temporelle et sur les processus qui la contrôlent. De plus, ne pouvant être mesurées qu'in situ, les données de densité superficielle en Antarctique sont restreintes géographiquement. Cette thèse explore une nouvelle application de la température de surface consistant à estimer la densité superficielle de la neige via une méthode d'inversion de simulations numériques. Une carte de la densité superficielle en Antarctique a ainsi pu être produite en minimisant l'erreur de simulation sur l'amplitude diurne. / The antarctic ice sheet is a key element in the climate system and an archive of past climate variations. However, given the scarcity of observations due to the geographical remoteness of Antarctica and its harsh conditions, little is known about the processes that control its mass balance and energy. In this context, several studies focus on the surface temperature which controls the snow temperature up to tens, if not hundreds, of meters beneath the surface. It also influences the thermal state of the antarctic ice sheet, its dynamics, and thus, its mass balance. Surface temperature is also directly linked to the surface energy balance through its impact on thermal and surface turbulent heat flux emissions. Thus, surface temperature analysis and the study of physical processes that control surface temperature variability contribute to the better understanding of the surface energy balance, which is a necessary step to identify the actual state of the antarctic ice sheet and forecast its impact on sea level rise. This thesis work contributes to this effort by focusing on the surface temperature diurnal cycle and various factors impacting spatial and temporal surface temperature variability on the Antarctic Plateau. First, an evaluation of MODIS data, done by comparison with in situ measurements, shows MODIS great potential in the observation of the surface temperature of the Antarctic Plateau under clear-sky conditions. Hourly MODIS surface temperature data from 2000 to 2011 were then used to evaluate the accuracy of snow surface temperature in the ERA-Interim reanalysis and the temperature produced by a stand-alone simulation with the Crocus snowpack model using ERA-Interim forcing. It reveals that ERA-Interim has a widespread warm bias on the Antarctic Plateau ranging from +3 to +6°C depending on the location. Afterwards, observations of the surface temperature diurnal cycle allow an identification of the surface density as a factor of surface temperature variability. On the topmost centimeters of the snowpack where most mass and energy exchanges between the surface and atmosphere happen, density is critical for the energy budget because it impacts both the effective thermal conductivity and the penetration depth of light. However, there are considerable uncertainties around surface density spatio-temporal variability and the processes that control it. Besides, since surface density can only be measured in situ, surface density measurements in Antarctica are restricted to limited geographical areas. Thus, this thesis also explores a new application of surface temperature by estimating surface density in Antarctica based on the monotonic relation between surface density and surface temperature diurnal amplitude. A map of surface density is obtained by minimising the simulation error related to diurnal amplitude of the surface temperature.

The objective of this study is to assess the uncultured bacterial diversity in the snowpack of the Mont Blanc (MtBl) glacier containing Saharan dust deposited during four dust events during the period 2006 – 2009 by means of molecular phylogenetics. The final goal is to discover the bacteria that could be involved in the establishment of snow microbiota. Bacterial diversity was evaluated using rybotyping and subsequent sequencing of partial (V3-V5) and full-length 16S rRNA genes. For comparison purpose we also studied following samples: “clean” MtBl snow containing no Saharan dust; Saharan sand collected in Tunisia; Saharan dust collected in Grenoble (200 m a.s.l.) and recovered later on MtBl (4250 m a.s.l.). In order to verify possible microbial activity in situ, both rDNA and rRNA approaches were implemented for the “clean” snow sample. To evaluate the survival/colonization abilities of bacterial phylotypes recovered in snow samples with Saharan dust, we analyzed their closest strain physiology as well as sources of environmental clones using a threshold of ≥98% sequence similarity. For the result interpretation, we also used data on dust elemental composition and dust particles size distribution. As a result 8 clone libraries (including rRNA-based one) were constructed using V3-V5 16S rRNA gene sequences for 5 snow samples (4 with Saharan dust and one “clean”), sample of Saharan dust collected in Grenoble and Saharan sand sample. Furthermore, 4 clone libraries were generated using full-length 16S rRNA gene amplicons obtained from 4 of the above snow samples (three with Saharan dust and one ‘clean'). Species content and dominant phylotypes and their assigning to major divisions varied significantly in alpine snow on a Mont Blanc glacier associated with four depositions of Saharan dust over a 3-year. Dominant phylotypes revealed are belonged to Actinobacteria, Proteobactreia, Firmicutes, Deinococcus-Thermus, Bacteroidetes and Cyanobacteria. Such variability was detected by both partial and full-length 16S rRNA gene sequencing and seems to be caused more by conditions of dust transport than bacterial load from the original dust source. Also the preservation period of dust in snowpack could affect the species composition. Thirteen icy phylotypes as candidates into snow microbiota establishing were recognized in snow containing Saharan dust and only two in “clean” snow sample. Of them, both dominant and minor phylotypes of Cyanobacteria, Proteobacteria, Actinobacteria и Firmicutes were revealed. Data on the closest strain physiology of recognized icy phylotypes suggests that representatives of genera Massilia (Betaproteobacteria), Tumebacillus (Firmicutes), Phormidium and Stigonema (both Cyanobacteria) are most relevant findings in terms of propagation in snow. By analyzing 16S rRNA from the “clean” snow containing no Saharan dust and comparing the data with those obtained for 16S rDNA library, it has been shown that Stigonema-like cyanobacterium identified could be propagating in snow at subzero temperature. Among all identified phylotypes, 10% were categorized as HA-phylotypes based on their con-specificity (≥98% similarity) with normal (non-pathogenic) human microbiome representatives. Furthermore, 11% out of all phylotypes showed less than 90% similarity with known taxa, thus, presenting novel taxa. Sequencing of both partial (V3-V5) and full-length 16S rRNA genes permitted to describe microbial diversity more fully and get more detailed picture. / The objective of this study is to assess the uncultured bacterial diversity in the snowpack of the Mont Blanc (MtBl) glacier containing Saharan dust deposited during four dust events during the period 2006 – 2009 by means of molecular phylogenetics. The final goal is to discover the bacteria that could be involved in the establishment of snow microbiota. Bacterial diversity was evaluated using rybotyping and subsequent sequencing of partial (V3-V5) and full-length 16S rRNA genes. For comparison purpose we also studied following samples: “clean” MtBl snow containing no Saharan dust; Saharan sand collected in Tunisia; Saharan dust collected in Grenoble (200 m a.s.l.) and recovered later on MtBl (4250 m a.s.l.). In order to verify possible microbial activity in situ, both rDNA and rRNA approaches were implemented for the “clean” snow sample. To evaluate the survival/colonization abilities of bacterial phylotypes recovered in snow samples with Saharan dust, we analyzed their closest strain physiology as well as sources of environmental clones using a threshold of ≥98% sequence similarity. For the result interpretation, we also used data on dust elemental composition and dust particles size distribution. As a result 8 clone libraries (including rRNA-based one) were constructed using V3-V5 16S rRNA gene sequences for 5 snow samples (4 with Saharan dust and one “clean”), sample of Saharan dust collected in Grenoble and Saharan sand sample. Furthermore, 4 clone libraries were generated using full-length 16S rRNA gene amplicons obtained from 4 of the above snow samples (three with Saharan dust and one ‘clean'). Species content and dominant phylotypes and their assigning to major divisions varied significantly in alpine snow on a Mont Blanc glacier associated with four depositions of Saharan dust over a 3-year. Dominant phylotypes revealed are belonged to Actinobacteria, Proteobactreia, Firmicutes, Deinococcus-Thermus, Bacteroidetes and Cyanobacteria. Such variability was detected by both partial and full-length 16S rRNA gene sequencing and seems to be caused more by conditions of dust transport than bacterial load from the original dust source. Also the preservation period of dust in snowpack could affect the species composition. Thirteen icy phylotypes as candidates into snow microbiota establishing were recognized in snow containing Saharan dust and only two in “clean” snow sample. Of them, both dominant and minor phylotypes of Cyanobacteria, Proteobacteria, Actinobacteria и Firmicutes were revealed. Data on the closest strain physiology of recognized icy phylotypes suggests that representatives of genera Massilia (Betaproteobacteria), Tumebacillus (Firmicutes), Phormidium and Stigonema (both Cyanobacteria) are most relevant findings in terms of propagation in snow. By analyzing 16S rRNA from the “clean” snow containing no Saharan dust and comparing the data with those obtained for 16S rDNA library, it has been shown that Stigonema-like cyanobacterium identified could be propagating in snow at subzero temperature. Among all identified phylotypes, 10% were categorized as HA-phylotypes based on their con-specificity (≥98% similarity) with normal (non-pathogenic) human microbiome representatives. Furthermore, 11% out of all phylotypes showed less than 90% similarity with known taxa, thus, presenting novel taxa. Sequencing of both partial (V3-V5) and full-length 16S rRNA genes permitted to describe

Les avalanches de plaque représentent un risque naturel majeur dont la prévision demeure très difficile. Le manque de lois constitutives fiables à l’échelle du matériau rend difficiles les tentatives de modélisation de ce phénomène. Plus spécifiquement, la réponse mécanique de la neige durant et après la rupture, dans des régimes de chargements rapides , demeure relativement méconnue. La nature particulièrement fragile du matériau au sein de ce régime de déformation rend ardue la réalisation d’expériences et complique l’observation à l’échelle microstructurale.Dans ce travail de thèse, un modèle numérique de neige fondé sur la Méthode des Éléments Discrets a été développé en tant qu’alternative aux expériences. Le modèle nous permet de simuler la réponse de la neige à des chargements mécaniques en tenant compte de la microstructure réelle du matériau grâce à l’intégration d’images acquises par microtomographie à rayons X en entrée du modèle. La neige est considérée comme un matériau granulaire cohesif, et une méthode originale a été développée afin de modéliser la forme de chaque grain. Les grains individuels sont ensuite assemblés pour reconstituer la matrice de la neige grâce à la prise en compte de lois de contact cohésives.Le modèle a été utilisé afin d’explorer la réponse mécanique macroscopique de différent échantillons de neige à un chargement mixte normal-cisaillant. Trois modes de rupture ont été observés dans tous les échantillons de neige testés, en fonction du niveau de contrainte normale appliquée : une rupture en cisaillement localisée pour des niveaux de contrainte normale faibles (mode A), un effondrement normal induit par rupture en cisaillement à des niveaux intermédiaires de contrainte normale (mode B) et un effondrement normal pour des valeurs de contrainte normale élevées (mode C). Ces différents modes de rupture produisent une enveloppe de rupture fermée dans l’espace des contraintes, ce pour les différents types de neige étudiés.Les mécanismes internes conduisant à l’effondrement normal des échantillons ont été étudiés plus en détail à l’échelle microscopique. Il a été montré que ce mode de rupture était associé à un mécanisme de flambement des chaînes de force. En outre, la stabilité de ces chaînes de force semble être contrôlée par les contacts entre les éléments des chaînes et les grains environnants. La rupture de ces contacts, observée dans les modes B et C, autorise le développement du flambement des chaînes de force et aboutit à l’effondrement volumique. / Dry slab snow avalanches represent a major natural hazard that is extremely difficult to manage. Attempts to model this phenomenon are hindered by the lack of a constitutive law that would describe the mechanical behaviour of snow on a material scale. In particular, relatively little is known on the failure and post-failure response of snow at high loading-rates. The highly fragile nature of the material in this deformation regimerenders experimental investigation difficult and complicates observation at the microstructural level.As an alternative to experiments, a Discrete Element Method-based numerical model of snow is developed in this thesis. The model enables us to simulate the response of snow to mechanical loading, while accounting for actual snow microstructure by using X-ray attenuation images of snow microstructure as input. Snow is considered as a cohesive granular material and an original methodology is developed in order to model the shape of each grain. Individual grains are bound into the snow matrix by modelling cohesion between neighbouring grains.The model is then used to explore the macroscopic mechanical response of different snow samples to mixed-mode loading. Three typical modes of failure are observed in all tested snow samples, depending on the level of applied normal stress: a localized shear failure at low normal stress (mode A), a shear failure-induced volumetric collapse at intermediate levels of normal stress (mode B), and a normal failure and collapse for high values of normal stress (mode C). The observed failure modes result in closed failure envelopes and no qualitative difference is observed between the mechanical responses of different snow types.The internal mechanisms that lead to volumetric collapse are further examined on the microscale. Force chain buckling is identified as a trigger of this material instability. Additionally, force chain stability appears to be controlled by the contacts between the force chain members and the surrounding grains. The failure in these contacts, which is evidenced in modes B and C, allows force chain buckling to develop and results in subsequent volumetric collapse.

Reposant sur une apparente antinomie, les champs du patrimoine et du sport suscitent une réflexion sur les liens qu'ils entretiennent en dépassant le schéma binaire classique tradition/modernité. Aussi le repérage d'expressions sportives pouvant relever du patrimoine culturel immatériel (tel que défini par l'Unesco en 2003) permet de questionner les mécanismes de production de cette nouvelle forme patrimoniale, ainsi que les enjeux politiques, scientifiques et méthodologiques qui leur sont liés. L'hypothèse de cette étude repose sur le postulat que le concept de patrimoine culturel immatériel peut être opératoire pour saisir le vivant et apprécier la valeur patrimoniale des pratiques ou expressions culturelles. Sa vérification empirique, par l'entrée ethnographique des jeux et sports traditionnels, met en perspective ce champ patrimonial en confrontant deux terrains d'enquête différents : les raquettes à neige au Québec (Canada) et les quilles de 9 en Gascogne (Aquitaine, France). En effet l'étude comparée de ces activités sportives autorise une analyse des fondements et des évolutions des cultures québécoises et gasconnes, ainsi que la manière dont les acteurs locaux se positionnent par rapport à leur héritage culturel. Ce faisant, ils réinventent de nouveaux processus de transmission dans un syncrétisme singulier qui bouscule les définitions accordées au sport et au patrimoine. Mots-clés : patrimoine culturel immatériel, Québec, France, jeux et sports traditionnels, patrimonialisation, sportivisation. / Although at first sight they may appear diametrically opposed, the fields of heritage and sport invite us to reflect on their relationships and to look beyond the classical binary pattern of tradition/modernity. In this way, identifying of sport practices which may fall within the intangible cultural heritage (as defined by Unesco in 2003) can help to critically examine the processes of this new form of heritage, as well as the political, scientific and methodological issues associated with them. The hypothesis of this study is based on the postulate that the concept of intangible cultural heritage can be a heuristic tool to understand living cultures and appreciate the heritage value of cultural practices and manifestations. This hypothesis is empirically tested through an ethnographic study of traditional games and sports. It puts in perspective the concept of intangible cultural heritage through two different cultural practices : that of snowshoeing in Quebec (Canada) and that of the ninepins game in Gascogne (Aquitaine, France). The comparative study of these sporting activities provides a point of entry into an analysis of the production of new cultural activities from traditional practices and how local actors position themselves with relation to their cultural heritage. In so doing, they are reinventing new transmission processes in a syncretism involving both sport and heritage which questions the definitions of these practices and each fieldwork. Key-words : intangible cultural heritage, Quebec, France, traditional games and sports, patrimonialization, sportivation.

Résumé : L'étude du couvert nival est essentielle afin de mieux comprendre les processus climatiques et hydrologiques. De plus, avec les changements climatiques observés dans l'hémisphère nord, des événements de dégel-regel ou de pluie hivernale sont de plus en plus courants et produisent des croutes de glace dans le couvert nival affectant les moeurs des communautés arctiques en plus de menacer la survie de la faune arctique. La télédétection micro-ondes passives (MOP) démontre un grand potentiel de caractérisation du couvert nival. Toutefois, a fin de bien comprendre les mesures satellitaires, une modélisation adéquate du signal est nécessaire. L'objectif principal de cette thèse est d'analyser le transfert radiatif (TR) MOP des sols, de la neige et de la glace a fin de mieux caractériser les propriétés géophysiques du couvert nival par télédétection. De plus, un indice de détection des croutes de glace par télédétection MOP a été développé. Pour ce faire, le modèle Microwave Emission Model of Layered Snowpacks (MEMLS) a été étudié et calibré afin de minimiser les erreurs des températures de brillance simulées en présences de croutes de glace. La première amélioration faite à la modélisation du TR MOP de la neige a été la caractérisation de la taille des grains de neige. Deux nouveaux instruments, utilisant la réflectance dans le proche infrarouge, ont été développés afin de mesurer la surface spécifique de la neige (SSA). Il a été démontré que la SSA est un paramètre plus précis et plus objectif pour caractériser la taille des grains de neige. Les deux instruments ont démontré une incertitude de 10% sur la mesure de la SSA. De plus, la SSA a été calibré pour la modélisation MOP a n de minimiser l'erreur sur la modélisation de la température de brillance. Il a été démontré qu'un facteur multiplicatif [phi] = 1.3 appliqué au paramètre de taille des grains de neige dans MEMLS, paramètre dérivé de la SSA, est nécessaire afin de minimiser l'erreur des simulations. La deuxième amélioration apportée à la modélisation du TR MOP a été l'estimation de l'émission du sol. Des mesures radiométriques MOP in-situ ainsi que des profils de températures de sols organiques arctiques gelés ont été acquis et caractérisés a fin de simuler l'émission MOP de ces sols. Des constantes diélectriques effectives à 10.7, 19 et 37 GHz ainsi qu'une rugosité de surface effective des sols ont été déterminés pour simuler l'émission des sols. Une erreur quadratique moyenne (RMSE) de 4.65 K entre les simulations et les mesures MOP a été obtenue. Suite à la calibration du TR MOP du sol et de la neige, un module de TR de la glace a été implémenté dans MEMLS. Avec ce nouveau module, il a été possible de démontré que l'approximation de Born améliorée, déjà implémenté dans MEMLS, pouvait être utilisé pour simuler des croutes de glace pure à condition que la couche de glace soit caractérisée par une densité de 917 kg m[indice supérieur _􀀀3] et une taille des grains de neige de 0 mm. Il a aussi été démontré que, pour des sites caractérisés par des croutes de glace, les températures de brillances simulées des couverts de neige avec des croutes de glace ayant les propriétés mesurées in-situ (RMSE=11.3 K), avaient une erreur similaire aux températures de brillances simulées des couverts de neige pour des sites n'ayant pas de croutes de glace (RMSE=11.5 K). Avec le modèle MEMLS validé pour la simulation du TR MOP du sol, de la neige et de la glace, un indice de détection des croutes de glace par télédétection MOP a été développé. Il a été démontré que le ratio de polarisation (PR) était très affecté par la présence de croutes de glace dans le couvert de neige. Avec des simulations des PR à 10.7, 19 et 37 GHz sur des sites mesurés à Churchill (Manitoba, Canada), il a été possible de déterminer des seuils entre la moyenne hivernale des PR et les valeurs des PR mesurés indiquant la présence de croutes de glace. Ces seuils ont été appliqués sur une série temporelle de PR de 33 hivers d'un pixel du Nunavik (Québec, Canada) où les conditions de sols étaient similaires à ceux observés à Churchill. Plusieurs croutes de glace ont été détectées depuis 1995 et les mêmes événements entre 2002 et 2009 que (Roy, 2014) ont été détectés. Avec une validation in-situ, il serait possible de confirmer ces événements de croutes de glace mais (Roy, 2014) a démontré que ces événements ne pouvaient être expliqués que par la présence de croutes de glace dans le couvert de neige. Ces mêmes seuils sur les PR ont été appliqués sur un pixel de l'Île Banks (Territoires du Nord-Ouest, Canada). L'événement répertorié par (Grenfell et Putkonen, 2008) a été détecté. Plusieurs autres événements de croutes de glace ont été détectés dans les années 1990 et 2000 avec ces seuils. Tous ces événements ont suivi une période où les températures de l'air étaient près ou supérieures au point de congélation et sont rapidement retombées sous le point de congélation. Les températures de l'air peuvent être utilisées pour confirmer la possibilité de présence de croutes de glace mais seul la validation in-situ peut définitivement confirmer la présence de ces croutes. / Abstract : Snow cover studies are essential to better understand climatic and hydrologic processes. With recent climate change observed in the northern hemisphere, more frequent rain-on-snow and meltrefreeze events have been reported, which affect the habits of the northern comunities and the survival of arctique wildlife. Passive microwave remote sensing has proven to be a great tool to characterize the state of snow cover. Nonetheless, proper modeling of the microwave signal is needed in order to understand how the parameters of the snowpack affect the measured signal. The main objective of this study is to analyze the soil, snow and ice radiative transfer in order to better characterize snow cover properties and develop an ice lens detection index with satellite passive microwave brightness temperatures. To do so, the passive microwave radiative transfer modeling of the Microwave Emission Model of Layered Snowpacks (MEMLS) was improved in order to minimize the errors on the brightness temperature simulations in the presence of ice lenses. The first improvement to passive microwave radiative transfer modeling of snow made was the snow grain size parameterization. Two new instruments, based on short wave infrared reflectance to measure the snow specific surface area (SSA) were developed. This parameter was shown to be a more accurate and objective to characterize snow grain size. The instruments showed an uncertainty of 10% to measure the SSA of snow. Also, the SSA of snow was calibrated for passive microwave modeling in order to reduce the errors on the simulated brightness temperatures. It was showed that a correction factor of φ = 1.3 needed to be applied to the grain size parameter of MEMLS, obtain through the SSA measurements, to minimize the simulation error. The second improvement to passive microwave radiative transfer modeling was the estimation of passive microwave soil emission. In-situ microwave measurements and physical temperature profiles of frozen organic arctic soils were acquired and characterized to improve the modeling of the soil emission. Effective permittivities at 10.7, 19 and 37 GHz and effective surface roughness were determined for this type of soil and the soil brightness temperature simulations were obtain with a minimal root mean square error (RMSE) of 4.65K. With the snow grain size and soil contributions to the emitted brightness temperature optimized, it was then possible to implement a passive microwave radiative transfer module of ice into MEMLS. With this module, it was possible to demonstrate that the improved Born approximation already implemented in MEMLS was equivalent to simulating a pure ice lens when the density of the layer was set to 917 kg m−3 and the grain size to 0 mm. This study also showed that by simulating ice lenses within the snow with there measured properties, the RMSE of the simulations (RMSE= 11.3 K) was similar to the RMSE for simulations of snowpacks where no ice lenses were measured (only snow, RMSE= 11.5 K). With the validated MEMLS model for snowpacks with ice lenses, an ice index was created. It is shown here that the polarization ratio (PR) was strongly affected by the presence of ice lenses within the snowpack. With simulations of the PR at 10.7, 19 and 37 GHz from measured snowpack properties in Chucrhill (Manitoba, Canada), thresholds between the measured PR and the mean winter PR were determined to detect the presence of ice within the snowpack. These thresholds were applied to a timeseries of nearly 34 years for a pixel in Nunavik (Quebec, Canada) where the soil surface is similar to that of the Churchill site. Many ice lenses are detected since 1995 with these thresholds and the same events as Roy (2014) were detected. With in-situ validation, it would be possible to confirm the precision of these thresholds but Roy (2014) showed that these events can not be explained by anything else than the presence of an ice layer within the snowpack. The same thresholds were applied to a pixel on Banks island (North-West Territories, Canada). The 2003 event that was reported by Grenfell et Putkonen (2008) was detected by the thresholds. Other events in the years 1990 and 2000’s were detected with these thresholds. These events all follow periods where the air temperature were warm and were followed by a quick drop in air temperature which could be used to validate the presence of ice layer within the snowpack. Nonetheless, without in-situ validation, these events can not be confirmed.

Depuis quelques années le recours à l'enneigement artificiel est de plus en plus courant dans les stations de ski des Alpes mais également dans les autres massifs français et étrangers. Cependant la production de neige nécessite l'utilisation d'un volume d'eau important, souvent pompé dans les réserves d'eau potable, les rivières, les nappes phréatiques ou encore dans les réserves collinaires. Or l'enneigement n'est pas le seul usage de l'eau dans les stations de sports d'hiver, et ce nouveau besoin concerne la saison hivernale lors des étiages des cours d'eau et des besoins pour les diverses activités. Depuis quelques années, cette technique fait l'objet de nombreuses controverses au sein de la communauté scientifique, politique et des populations locales, car les volumes d'eau pompés sont particulièrement importants. Notre recherche s'appuie sur des enquêtes auprès des acteurs impliqués, des observations de terrain et des mesures, à différentes échelles de travail. Deux modèles de production de neige sont confrontés : Avoriaz (France) et Champéry (Suisse). Les impacts des usages sur le fonctionnement hydrologique du bassin versant de la Dranse de Sous-Saix, sur le domaine d'Avoriaz, sont aujourd'hui limités et dans les deux stations la ressource est actuellement suffisante pour satisfaire tous les besoins. A ce jour les situations de pénuries d'eau et de conflits autour de la ressource sont rares, et sont dues à des problèmes de gestion. Un ensemble de propositions inspirées d'initiatives locales pour une meilleure gestion de la production de neige et des usages de l'eau a été proposé.

Chaque jour, des décisions doivent être prises quant à la quantité d'hydroélectricité produite au Québec. Ces décisions reposent sur la prévision des apports en eau dans les bassins versants produite à l'aide de modèles hydrologiques. Ces modèles prennent en compte plusieurs facteurs, dont notamment la présence ou l'absence de neige au sol. Cette information est primordiale durant la fonte printanière pour anticiper les apports à venir, puisqu'entre 30 et 40% du volume de crue peut provenir de la fonte du couvert nival. Il est donc nécessaire pour les prévisionnistes de pouvoir suivre l'évolution du couvert de neige de façon quotidienne afin d'ajuster leurs prévisions selon le phénomène de fonte. Des méthodes pour cartographier la neige au sol sont actuellement utilisées à l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), mais elles présentent quelques lacunes. Ce mémoire a pour objectif d'utiliser des données de télédétection en micro-ondes passives (le gradient de températures de brillance en position verticale (GTV)) à l'aide d'une approche statistique afin de produire des cartes neige/non-neige et d'en quantifier l'incertitude de classification. Pour ce faire, le GTV a été utilisé afin de calculer une probabilité de neige quotidienne via les mélanges de lois normales selon la statistique bayésienne. Par la suite, ces probabilités ont été modélisées à l'aide de la régression linéaire sur les logits et des cartographies du couvert nival ont été produites. Les résultats des modèles ont été validés qualitativement et quantitativement, puis leur intégration à Hydro-Québec a été discutée. / Every day, decisions must be made about the amount of hydroelectricity produced in Quebec. These decisions are based on the prediction of water inflow in watersheds based on hydrological models. These models take into account several factors, including the presence or absence of snow. This information is critical during the spring melt to anticipate future flows, since between 30 and 40 % of the flood volume may come from the melting of the snow cover. It is therefore necessary for forecasters to be able to monitor on a daily basis the snow cover to adjust their expectations about the melting phenomenon. Some methods to map snow on the ground are currently used at the Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), but they have some shortcomings. This master thesis's main goal is to use remote sensing passive microwave data (the vertically polarized brightness temperature gradient ratio (GTV)) with a statistical approach to produce snow maps and to quantify the classification uncertainty. In order to do this, the GTV has been used to calculate a daily probability of snow via a Gaussian mixture model using Bayesian statistics. Subsequently, these probabilities were modeled using linear regression models on logits and snow cover maps were produced. The models results were validated qualitatively and quantitatively, and their integration at Hydro-Québec was discussed.