Alors que les températures de l'air se réchauffent dans le nord circumpolaire, plus spécifiquement depuis les années 1990 au Nunavik, des changements thermiques et géomorphologiques dans le pergélisol ont été observés. Les longues séries de données de températures du sol pour une même zone d'étude sont rares, ce qui rend difficile la comparaison de la réponse des températures du sol en profondeur dans différents types de dépôts de surface à un endroit restreint. Comme des différences ont déjà été observées dans les réponses thermique et géomorphologique de différents dépôts de surface, et pour un même dépôt de surface selon la forme de terrain, des variations à l'échelle locale peuvent être anticipées. En particulier, les palses et les lithalses sont des formes de terrain qui évoluent toutes deux dans des sédiments glaciomarins très sensibles au dégel. La phase de dégradation de ces formes, qui provoque un affaissement du sol et des changements dans le territoire, mérite d'être comprise davantage. Cette recherche a pour objectifs de (1) déterminer comment les températures du sol répondent au changement climatique dans trois types de dépôts de surface, soit le roc, des sables et graviers et des sédiments glaciomarins, (2) d'analyser l'évolution du régime thermique d'une palse et d'une lithalse et de (3) mieux comprendre l'évolution morphologique de palses et de lithalses en relation avec les changements dans leur régime thermique. Afin de répondre au sous-objectif (1), les températures du sol couvrant une période de 20 à 30 ans à trois sites près de la communauté de Kangiqsualujjuaq au Nunavik ont été analysées, soit dans le roc, dans un delta fluvioglaciaire (sables et graviers) et dans une lithalse dans les sédiments glaciomarins riches en glace près du littoral. Les résultats ont montré qu'il existe une variabilité dans la réponse thermique de différents dépôts de surface pour une même zone d'étude restreinte. Les variations du climat à court terme et les tendances climatiques régionales sont bien transmises en profondeur dans le roc sec hautement conducteur et sont également reflétées dans l'épaisseur de la couche active. Dans les sables et graviers, le regel est retardé jusqu'à tard dans l'hiver avec une période zéro en raison du développement d'une nappe phréatique perchée dans la couche active qui s'est épaissie. Il a également été conclu au terme de cette première partie du travail que la lithalse est devenue isotherme près de 0 ºC en raison de la libération de la chaleur latente le long du profil, ce qui limite les réponses des températures du sol en profondeur aux variations du climat. La deuxième partie du travail répond aux sous-objectifs (2) et (3) par une analyse des températures du sol d'une palse et d'une lithalse jusqu'à 18 m de profondeur enregistrées sur une période de 27 ans, et par une analyse de photographies aériennes datées de 1964, 1984, 2003, 2010 et 2021 couvrant un champ de palses et un champ de lithalses. Les résultats ont montré que la superficie en pergélisol a diminué de 69 % pour les lithalses et de 41 % pour les palses sur 57 ans. En particulier, les lithalses se sont dégradées 2 fois plus rapidement que les palses pour la période 2003-2010 (2,3 %/an) et 3 fois plus rapidement pour la période 2010-2021 (2,2 %/an). En effet, les taux de thermokarst ont ralenti pour les palses entre 2010 et 2021 (0,73 %/an) durant le bref refroidissement climatique de 2010-2015, en comparaison avec la période 2003- 2010 (0,96 %/an). Le régime thermique des palses répond encore aux changements climatiques de façon marquée en raison de l'effet isolant de leur couche de tourbe. Les températures du sol se sont réchauffées sur toute la période d'étude dans la palse et dans la lithalse, et ce, plus rapidement dans les années 1990, puis plus lentement à partir des années 2000 à cause de l'effet de la chaleur latente de fusion dans les profils thermiques. Nous avons conclu qu'aucun des deux profils n'a encore atteint la phase isotherme, ni même « presque-isotherme », comme de légères variations de température étaient encore perceptibles à 18 m de profondeur en 2020 dans les deux formes de terrain. Ces résultats font ressortir une contradiction entre les deux parties de ce travail : le profil thermique de la lithalse avait d'abord été décrit comme isotherme alors que l'analyse plus fine des données a finalement montré que ce n'est pas encore vraiment le cas. Ce concept a par ailleurs été mieux défini. L'utilisation des expressions pergélisol, profil, phase, stade ou conditions « presque-isotherme(s) » est recommandée comme nous pouvons penser que de tels profils ne deviennent jamais vraiment isotherme, ou complètement bloqués près de 0 ºC, avant la dégradation finale du pergélisol. Des conditions presque-isothermes décrivent du pergélisol chaud avec un très faible gradient thermique en profondeur qui répond très peu aux tendances climatiques. Les résultats de ce travail pourront être intégrés aux modèles climatiques et aux modèles de prédiction de la réponse du pergélisol au changement climatique, qui ne considèrent pas ce niveau de détails actuellement. / As air temperatures are warming in the circumpolar north, more specifically since the 1990s in Nunavik, thermal and geomorphological changes have been observed in permafrost. Long-term ground temperature datasets for a restricted study area are rare, which often does not allow to compare the response of various surficial deposits at depth in a restricted area. As differences have already been observed in thermal and geomorphological responses of various surficial deposits, and within one kind of deposit according to landform type, local variations can be anticipated. Palsas and lithalsas are landforms who both evolve in highly thaw-sensitive glaciomarine sediment. The degradation phase of these landforms, who induces ground thaw settlement and landscape changes, should be further understood. The objectives of this study are (1) to determine how ground temperatures respond to climate change in three types of surficial deposits: in bedrock, in sands and gravels and in glaciomarine sediment; (2) to analyze the evolution of the thermal regime of a palsa and of a lithalsa; and (3) to better understand the morphological evolution of palsas and lithalsas in relation to changes in their thermal regime. In order to meet objective (1), ground temperatures covering a period of 20 to 30 years at three sites near the Kangiqsualujjuaq community in Nunavik were analyzed: in bedrock, in a fluvioglacial delta (sands and gravels), and in a lithalsa in ice-rich glaciomarine sediment near the coast. Results have shown that a variability in the thermal response exists for different surficial deposits within the same restricted study area. Short-term climate variations and regional climatic trends are well transmitted at depth in dry highly conducive bedrock and are also reflected in active layer thickness. In sands and gravels, freeze-back is delayed until late in the winter with a zero-curtain period due to the development of a perched water table in the thickened active layer. It has been concluded at the end of the first part of this work that the lithalsa has become isothermal near 0 ºC because of the liberation of latent heat along the profile, which impedes ground temperature responses at depth to climate variations. The second part of this work meets objectives (2) and (3) through ground temperature analysis of a palsa and a lithalsa down to a depth of 18 m recorded over 27 years, and through aerial photograph analysis, dated in 1964, 1984, 2003, 2010 and 2021, covering a palsa field and a lithalsa field. Results have shown that permafrost areal extent diminished by 69% for lithalsas and by 41% for palsas over 57 years. In particular, lithalsas degraded twice as fast than palsas for the 2003-2010 period (2.3%/yr) and 3 times faster for the 2010-2021 period (2.2%/yr). Indeed, thermokarst rates slowed for palsas between 2010 and 2021 (0.73%/yr) during the brief 2010-2015 climatic cooling, in comparison with the 2003-2010 period (0.96%/yr). The permafrost thermal regime of palsas still shows a marked response to climate change due the insulating effect of their peat cover. Ground temperatures warmed over the whole study period in the palsa and in the lithalsa; more rapidly in the 1990s, then more slowly from the 2000s onwards because of the effect of latent heat of fusion in the thermal profiles. We concluded that neither of the two profiles has reached the isothermal phase, and not even the 'near-isothermal' phase, as slight temperature variations were still detected at a depth of 18 m in 2020 in both landforms. These results highlight a contradiction between the two parts of this work: the thermal profile of the lithalsa was first described as isothermal, while more detailed analysis of the data ultimately showed that this is not yet really the case. This concept has also been better defined. The use of the terms 'near-isothermal' permafrost, profile, phase, stage or conditions is recommended as we can assume that such profiles never truly become isothermal, or completely stalled near 0ºC, before final permafrost degradation. Near-isothermal conditions describe warm permafrost with a very low thermal gradient at depth that responds very little to climatic trends. The results of this work can be integrated into climatic models and models predicting the response of permafrost to climate change, which do not currently consider this level of detail.

L'importance climatique des hautes latitudes est exacerbée par le contexte actuel du réchauffement climatique, de part de leur forte sensibilité à ces changements et en raison des rétroactions globales majeures qu'elles sont susceptibles d'engendrer. La modélisation offre un moyen d'estimer ces impacts dans les temps passés, présents et futurs, tout en quantifiant les incertitudes procédant des imperfections de notre connaissance de ces environnements et de leur représentation. L'amélioration et l'évaluation de la représentation des hautes latitudes dans les modèles de climat globaux répondent donc à de forts enjeux scientifiques et sociétaux : c'est dans ce cadre précis que s'inscrit mon travail de thèse. Le gel des sols est une spécificité majeure des régions circum-arctiques, porteuse d'implications climatiques aux plans thermiques, hydrologiques et biogéochimiques. Une paramétrisation des impacts hydrologiques du gel des sols a été introduite dans le schéma hydrologique multi-couches du modèle de surfaces continentales ORCHIDEE : ses effets sur le contenu en eau des sols et le régime hydrologique des principaux bassins de l'Arctique ont été évalués par comparaison à des données de terrain, révélant la plus-value d'une telle représentation mais aussi les lacunes résiduelles de la modélisation, qui touchent à l'absence de représentation des réservoirs temporaires d'eau de surface et, sans doute, d'une paramétrisation sous-maille du gel des sols. Parallèlement, une représentation des effets thermiques du gel des sols développée pour un modèle antérieur à ORCHIDEE a été révisée et évaluée à différentes échelles spatiales par comparaison à des données observationnelles : si la représentation de l'énergie de chaleur latente augmente la température des sols soumis au gel saisonnier, un biais froid subsiste dans la modélisation, imputable à une représentation imparfaite de la neige. Une étude de sensibilité conduite sur cette variable en confirme les implications thermiques mais aussi biogéochimiques à l'échelle des régions circum-arctiques, sous-tendues par les importantes quantités de matière organique que ces régions renferment. Alors que les caractéristiques de la neige sont souvent représentées comme spatialement uniformes dans les modèles de climat globaux, la simple prise en compte du caractère particulièrement isolant de la neige de taïga engendre des changements importants dans le cycle du carbone aux hautes latitudes, et souligne les incertitudes entachant notre représentation actuelle de ces écosystèmes. Les propriétés thermiques de la neige n'en sont pas l'unique vecteur, mais une évaluation détaillée de notre modélisation sur un site de permafrost arctique (station de Bayelva, Svalbard) désigne la neige comme une source majeure des incertitudes associées à notre modélisation des hautes latitudes, au travers de représentations inadaptées de son albédo, sa rugosité de surface, son contenu variable en eau liquide pouvant accommoder de l'eau de pluie. En termes hydrologiques, l'absence de représentation spécifique des zones de montagne, des caractéristiques hydrauliques des sols à granulométrie grossière du Haut-Arctique, et des nombreuses étendues d'eau libre des régions circum-arctiques, limite notre capacité à représenter raisonnablement des principales caractéristiques de l'hydrologie de surface de ces régions. Le diagnostique de ces limites définit autant de potentiels d'amélioration de la modélisation des hautes latitudes, sources possibles de développements futurs.

L'importance climatique des hautes latitudes est exacerbée par le contexte actuel du réchauffement climatique, de part de leur forte sensibilité à ces changements et en raison des rétroactions globales majeures qu'elles sont susceptibles d'engendrer. La modélisation offre un moyen d'estimer ces impacts dans les temps passés, présents et futurs, tout en quantifiant les incertitudes procédant des imperfections de notre connaissance de ces environnements et de leur représentation. L'amélioration et l'évaluation de la représentation des hautes latitudes dans les modèles de climat globaux répondent donc à de forts enjeux scientifiques et sociétaux : c'est dans ce cadre précis que s'inscrit mon travail de thèse. Le gel des sols est une spécificité majeure des régions circum-arctiques, porteuse d'implications climatiques aux plans thermiques, hydrologiques et biogéochimiques. Une paramétrisation des impacts hydrologiques du gel des sols a été introduite dans le schéma hydrologique multi-couches du modèle de surfaces continentales ORCHIDEE : ses effets sur le contenu en eau des sols et le régime hydrologique des principaux bassins de l'Arctique ont été évalués par comparaison à des données de terrain, révélant la plus-value d'une telle représentation mais aussi les lacunes résiduelles de la modélisation, qui touchent à l'absence de représentation des réservoirs temporaires d'eau de surface et, sans doute, d'une paramétrisation sous-maille du gel des sols. Parallèlement, une représentation des effets thermiques du gel des sols développée pour un modèle antérieur à ORCHIDEE a été révisée et évaluée à différentes échelles spatiales par comparaison à des données observationnelles : si la représentation de l'énergie de chaleur latente augmente la température des sols soumis au gel saisonnier, un biais froid subsiste dans la modélisation, imputable à une représentation imparfaite de la neige. Une étude de sensibilité conduite sur cette variable en confirme les implications thermiques mais aussi biogéochimiques à l'échelle des régions circum-arctiques, sous-tendues par les importantes quantités de matière organique que ces régions renferment. Alors que les caractéristiques de la neige sont souvent représentées comme spatialement uniformes dans les modèles de climat globaux, la simple prise en compte du caractère particulièrement isolant de la neige de taïga engendre des changements importants dans le cycle du carbone aux hautes latitudes, et souligne les incertitudes entachant notre représentation actuelle de ces écosystèmes. Les propriétés thermiques de la neige n'en sont pas l'unique vecteur, mais une évaluation détaillée de notre modélisation sur un site de permafrost arctique (station de Bayelva, Svalbard) désigne la neige comme une source majeure des incertitudes associées à notre modélisation des hautes latitudes, au travers de représentations inadaptées de son albédo, sa rugosité de surface, son contenu variable en eau liquide pouvant accommoder de l'eau de pluie. En termes hydrologiques, l'absence de représentation spécifique des zones de montagne, des caractéristiques hydrauliques des sols à granulométrie grossière du Haut-Arctique, et des nombreuses étendues d'eau libre des régions circum-arctiques, limite notre capacité à représenter raisonnablement des principales caractéristiques de l'hydrologie de surface de ces régions. Le diagnostique de ces limites définit autant de potentiels d'amélioration de la modélisation des hautes latitudes, sources possibles de développements futurs. / Focus has recently increased on high-latitude climatic processes as awareness rose about the extreme sensitivity of the Arctic to climate change and its potential for major positive climate feedbacks. Modelling offers a powerful tool to assess the climatic impact of changes in the northern high-latitude regions, as well as to quantify the range of uncertainty stemming from the limits of our knowledge and representation of these environments. My PhD project, dedicated to the improvement of a land-surface model for high-latitude regions and the evaluation of its performances, tackles therefore an issue of concern both for science and society. Soil freezing is a major physical process of boreal regions, with climatic implications. Here, a parameterization of the hydrological effects of soil freezing is developed within the multi-layer hydrological scheme of the land-surface model ORCHIDEE, and its performance is evaluated against observations at different scales, including remotely-sensed data. Taking the hydrological impact of soil freezing into account improves our representation of soil moisture and river discharges over the pan-Arctic land-surface area. However, residual inaccuracies suggest that potential for improvement lies in the representation of temporary surface water reservoirs like floodplains, surface ponding, and, possibly, the introduction of a subgrid variability in soil freezing. Hydrological modelling at high latitudes would also benefit from a specific treatment of mountainous areas and a revision of soil textural input parameters to account for abundant coarse-grained soils in the High-Arctic. Concomitantly, the thermal parameterization of soil freezing in ORCHIDEE is revised and evaluated against field data: latent heat effects yield a reduction but no suppression of a model cold bias in winter soil temperatures, part of which is imputed to the coarse representation of snow in the model. A sensitivity study performed on the insulative properties of taiga vs. tundra snow over the pan-Arctic terrestrial domain confirms the thermal implications of snow and outlines its consequences for carbon cycling at high-latitudes, calling for an appropriate representation of snow-vegetation interactions. Snow is furthermore implicated in identified flaws of the modelled surface energy balance, the components of which are precisely compared with a one-year high quality dataset collected at an Arctic permafrost site in Svalbard. Inaccuracies are diagnosed to stem from the representation of albedo, surface roughness and liquid water percolation and phase change within the snowpack. These diverse

L’environnement périglaciaire en général et les régions de permafrost en particulier, connus pour être très sensibles au changement climatique actuel, sont le sujet de beaucoup d’études sur les émissions de gaz à effet de serre. En effet, le dégel de ces milieux engendre la mobilisation d’une quantité importante de matière organique, précédemment piégée par le froid, favorisant les émissions de dioxyde de carbone et/ou de méthane. L’objectif premier, du présent travail, est de contribuer à l’étude des gaz enfermés dans certains types de glace de ces régions afin de mieux quantifier leur impact potentiel sur le climat.<p>Dans un premier temps, une analyse multiparamétrique a été menée sur deux coins de glace du nord de la Sibérie dans la cadre d’une collaboration avec l’Alfred Wegener Institut (Allemagne). Cette première approche a révélé que l’analyse conjointe de la cristallographie, de l’orientation des axes optiques, du contenu en gaz total et de la composition en gaz des coins de glace est un outil puissant, complémentaire aux analyses des isotopes stables, pour comprendre les conditions paléo-climatiques qui ont régi la construction des coins de glace. Cette étude soutient également l’hypothèse de variations spatiales importantes de l’origine des masses d’air durant les variations climatiques du Pléistocène.<p>Dans un deuxième temps, une analyse des caractéristiques de la glace annuelle de 4 lacs du nord de la Suède a été réalisée afin d’étudier le rôle de la couverture de glace sur les émissions de gaz à effet de serre. En effet, les lacs de ces régions contribuent fortement aux émissions de méthane durant la période d’eau libre et très peu d’études ont analysé la quantité de méthane emprisonnée dans la glace hivernale et relâchée au printemps. Ce projet nous a amené à établir une nouvelle classification des bulles dans la glace de lac basée sur leur contenu en méthane, leur origine, leur forme et leur densité. Il nous a également permis de montrer que plusieurs facteurs interviennent sur le contenu en gaz dans la couverture de glace :le système hydrologique, la variation de la pression atmosphérique, la variabilité des émissions et potentiellement la proximité des sédiments sont autant de facteurs qui déterminent le contenu en gaz. L’analyse de la composition des gaz a révélé que la composition observée dans la glace est sensiblement différente de celle observée durant les périodes d’eau libre. Nous avons également, pour la première fois, établit un budget des émissions de méthane relâchées par la fonte de la couverture de glace au niveau mondial.<p>Cette étude a été complétée par l’analyse des isotopes 13C des gaz des différents types de bulles de notre classification en collaboration avec l’Université d’Utrecht. Nous avons alors mis en évidence que la couverture de glace influence l’équilibre biogéochimique dans l’eau en favorisant l’oxydation du méthane en dioxyde de carbone.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Iqaluit, capitale territoriale et plaque tournante du transport aérien dans l’est de l’Arctique canadien, possède un aéroport en mauvais état et mal adapté à l’augmentation prévue du trafic aérien pour les prochaines années. En effet, la piste, les voies d’accès et le tarmac sont endommagés par des processus de fissuration, d’effondrement et d’affaissement. Le présent travail vise, à l’aide de l’analyse des données climatiques et du régime thermique du pergélisol, de la cartographie des dépôts de surface et des formes associées au pergélisol, de la cryostratigraphie et de l’analyse de documents d’archives, à localiser les secteurs et les causes des problèmes géotechniques de l’aéroport. Les résultats obtenus confirment que les conditions initiales du terrain ont un impact considérable sur la stabilité actuelle des infrastructures. De plus, la présence de l’infrastructure elle-même a pour effet de modifier les conditions de surface entraînant un ajustement du régime thermique du pergélisol à ces nouvelles conditions.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Salluit est situé au nord du Nunavik et le pergélisol y est généralement riche en glace. L'objectif de ce projet est de simuler les changements d'épaisseur de la couche active à moyen terme (2010-2025) pour deux types de dépôts qui sous-tendent de nombreuses infrastructures. Pour se faire, un modèle géothermique unidimensionnel est employé pour simuler les transferts de chaleur dans le pergélisol. Des données de températures de l'air et de couvert nival dérivées de séries climatiques provenant d'un modèle régional du climat (MRC) servent à forcer le modèle géothermique. L'approfondissement de la couche active montre une forte relation avec les températures de l'air estivales. De plus, la profondeur de dégel varie de façon marquée en l'espace de quelques années. Les sols argileux pourraient subir une augmentation de l'épaisseur de la couche active d'environ 30 cm et les tills, une augmentation d'environ 80 cm, par rapport aux observations de 2007.

Située dans la région de la rivière Biscarat au Nunavik, l'étude a été réalisée grâce à 18 profils de sols situés sous les sillons de polygones de toundra, un profil au géoradar, deux forages et les données climatiques d'une station automatique locale. Cinq phases de développement du réseau polygonal ont été reconstituées: 1. émersion et fissuration thermique initiale du sol (1041 ans cal. BP); 2. interruption de la fissuration et sédimentation localisée entre 900-700 cal. BP ; 3. réactivation de la fissuration entre 700-50 ans cal. BP ; 4. interruption de la fissuration (1900-1950); 5. fissuration sporadique (depuis 1960). Ces données permettent de mieux définir les conditions régissant l'activité des coins de glace actifs présents sous les sillons des réseaux dans une région climatiquement à la limite méridionale favorable du développement de ces formes. Malgré le réchauffement actuel, le climat demeure propice à une fissuration sporadique du réseau polygonal.

L’apport de chaleur induit par les constructions routières est susceptible d’affecter le régime thermique du pergélisol sous-jacent et de causer des dommages importants. Sur l’Alaska Highway au Yukon (Canada), des problèmes d’instabilités sont fréquemment observés et certains sont localisés aux abords des ponceaux. En autorisant la libre circulation de l’air et de l’eau à travers une conduite, des perturbations thermiques additionnelles sont infligées au sol environnant. De plus, une mauvaise gestion du drainage de l’eau aux abords des ouvrages aggrave la sévérité des instabilités. Afin de documenter ces perturbations, deux ponceaux ont été instrumentés sur l’Alaska Highway au Yukon. Le premier est situé au site expérimental de Beaver Creek; le deuxième est proche de la frontière avec l’Alaska. Les températures du sol autour des ponceaux et la température de l’air dans les ponceaux ont été enregistrées pendant une année; tandis que la température de l’eau et le débit ont été enregistrés pendant deux printemps et étés. La collecte de ces données a permis de concevoir un modèle 2D sur le logiciel TEMP/W représentant le remblai et le ponceau de Beaver Creek. En parallèle, les données ont servi à valider un modèle mathématique établi basé sur des principes physiques. Ce modèle permet de calculer le flux de chaleur transmis au sol en fonction du débit et de la température de l’eau. Par la suite, des simulations de variation de débit et de température de l’eau ont été appliquées dans le modèle mathématique. Les différents flux de chaleur correspondants ont été appliqués sur le modèle thermique 2D afin de déterminer l’influence du débit et de la température de l’eau sur les températures du sol sous le ponceau. Des simulations similaires ont été conduites en faisant varier des paramètres de conception comme la présence ou non de l’isolant. Ce mémoire présente donc trois objectifs principaux; 1) l’amélioration des connaissances relatives à l’effet de la circulation de l’eau à travers un ponceau sur le régime thermique du sol sous-jacent; 2) la documentation sur le régime thermique autour de ponceaux routiers; et 3) l’étude de l’influence du débit et de la température de l’eau sur la stabilité thermique du sol. Finalement, une méthode de conception de système de drainage, permettant de limiter l’impact d’un ponceau sur la profondeur de dégel du sol sous-jacent, est présentée dans le présent mémoire. / Heat sources induced by road construction are likely to affect the thermal regime of underlying permafrost and cause significant damage. On the Alaska Highway in Yukon (Canada), instability problems have been observed and some are located close to culverts. Culverts allow free water and air circulation through the buried pipe. Thus, additional thermal disturbances occur at that location. In addition, poor water management around the embankment exacerbates instabilities. To document these disturbances, two culverts were monitored; one is located at the Beaver Creek test site and the second is close to the U.S Border. Air temperature within and soil temperatures around the culverts were recorded for one year, while water temperature and flow rate were recorded during two thawing seasons. The data collection allowed the design of a 2D model in TEMP/W representing thermal conditions around the Beaver Creek culvert. Then, these data were used to validate an established mathematical model based on the physical principles of heat transfer. The mathematical model calculates the heat flux transmitted to the ground as a function of water temperature and flow rate. Subsequently, variations of flow rate and water temperature were applied to the mathematical model. The corresponding heat fluxes were applied to the 2D thermal model in TEMP/W to determine the influence of flow rate and water temperature on soil temperatures below the culvert. Similar simulations were conducted with design parameters, such as the presence or absence of the insulation. This thesis 1) enhanced knowledge of the effects of flow rate and water temperature through a culvert on the soil thermal regime; 2) documented the thermal regime around culverts; and 3) studied the influence of flow rate and water temperature on the thermal regime. Finally, a drainage system design method is presented which aims to minimize the impact of a culvert on the thaw depth.

A partir de températures de surface mesurées sur une base régulière et répétitive par des capteurs embarqués sur des satellites, il a été décidé de produire des cartes de températures de surface, d’indices de gel et de dégel et de limites de répartition du pergélisol sur les territoires arctiques et subarctiques. Le territoire cartographié est le territoire du Québec-Labrador. Les températures mesurées par satellite ont été comparées avec les températures de différentes stations situées en région de pergélisol continu, en Alaska et au Québec (chapitre 1). Les coefficients de corrélations sur l’ensemble des stations entre les températures de l’air et les « Land Surface Temperatures » (LST) du capteur MODIS des satellites Aqua et Terra sont tous supérieurs à 0.80. Ces mesures ont donc un extraordinaire potentiel pour déterminer les températures de surface sur le vaste territoire nordique où les stations de mesures sont très dispersées dans l’espace. Comme le territoire couvert par les satellites est de 2300 km à chaque passage (ils passent deux fois par jour), la possibilité de couvrir des étendues régionales à peu de frais est immense. Cependant, les régions arctiques connaissent un ennuagement assez important et les données satellitaires ne sont pas continues sur l’année. Leur nombre est tout de même suffisant pour établir une interpolation temporelle sur chaque pixel. Au chapitre 2, il est montré que le modèle mathématique utilisé permet de calculer les températures moyennes annuelles et les indices de gel à partir des LST très bien corrélées, et les indices de dégel corrélés de façon satisfaisante avec ceux calculés aux stations. A partir de ces comparaisons entre les pixels et les stations présentes dans un pixel, les cartes ont été produites. L’analyse de ces cartes, moyenne annuelle, indice de gel et de dégel montre des similitudes dans les régions où les données existent mais surtout établissent une représentation originale sur les parties de territoire où aucune station de mesures n’existe et apportent un élément nouveau à la compréhension du climat du Québec-Labrador. Au chapitre 3, les indices habituels qui servent à délimiter le pergélisol sur des échelles régionales sont appliqués à ce territoire. Là encore, il est démontré que la limite sud du pergélisol continu ainsi dessinée est comparable à celle des cartes existantes. Toutefois, mesurées entre 2000 et 2005, les conditions thermiques propres à cette limite ont récemment migré vers le nord. Le modèle mis au point dans cette thèse est une avancée exceptionnelle pour la cartographie du pergélisol. / From near surface temperatures measured by sensors onboard satellites, at a regular and repeated time, it has been decided to produce near surface temperature, freezing and thawing indices maps and permafrost distribution boundaries in Arctic and Subarctic regions. The mapped area is the Quebec-Labrador territory. Land Surface Temperatures (LST) retrieved from the MODIS sensor on Aqua and Terra satellites were compared as well as possible with soil and air temperatures of several stations over continuous permafrost within different tundra landscapes, in the North Slope of Alaska and Northern Quebec and Labrador (chapter 1). Correlations values (R²) established between near surface air temperatures (Tair) on all ground stations and LST from the MODIS sensor are above 0.80. This proves that LST data have a high potential to be used as regional complement of temperatures from meteorological stations. As the Terra and Aqua swath is 2300 km wide, each overpass (twice a day for both satellites), makes it possible to map vast areas at low cost. However, Arctic areas are often cloudy which results in discontinuous satellite data. The number of non-cloudy days is large enough to necessitate the calculation of a temporal interpolation between days and for each pixel. Then, in chapter 2, a mathematic model produces excellent correlations between LSTs and Tair, mean annual near surface temperatures and freezing index; correlations with thawing indices are barely satisfactory. From these correlations between pixels and ground stations, data maps are drawn. An analysis of mean annual near surface temperature, freezing and thawing indices maps shows similarities in areas where data are well known and provides some new understanding of the surface climate of Quebec-Labrador. In chapter 3, usual indices such as isotherms, which are of used to define permafrost boundaries on regional scales, are applied on this territory. Here, again, the southern limit of continuous permafrost as drawn is comparable to other existing maps. Surface thermal conditions conducive to permafrost recently migrated northward. Our model therefore offers advanced capabilities for permafrost mapping and monitoring.

Dans le cadre de la présente étude, un modèle géothermique tridimensionnel du pergélisol a été développé pour la toute première fois à l’échelle locale d’un village nordique afin d’évaluer les impacts des changements climatiques sur le pergélisol. Ce village est celui de Salluit au Québec nordique dans la zone de pergélisol continu. La majeure partie des infrastructures de ce village sont fondées sur un pergélisol salin riche en glace vulnérable aux changements climatiques. Le code numérique d’HydroGeoSphere a été modifié pour simuler la transmission de la chaleur par conduction avec changement de phase et tenir compte de la variation des propriétés thermiques du sol avec la température. Différents scénarios de changements climatiques lors du prochain siècle ont été utilisés pour alimenter le modèle géothermique. La variabilité spatiale du régime thermique du pergélisol simulée à l’échelle d’un village nordique est majeure lorsque l’hétérogénéité des dépôts, leur contenu en glace et les différentes conditions de surface observées sur le terrain sont considérés dans une modélisation numérique tridimensionnelle. L’influence des flux de chaleur latéraux dans cette modélisation produit des résultats qui sont dans certains cas significativement différents de ceux simulés au moyen d’un modèle unidimensionnel, particulièrement pour les sols sous d’importantes congères. Selon les scénarios de changements climatiques jugés pessimistes pour le maintien du pergélisol, un talik permanent se formera à partir de la seconde moitié du 21ième siècle sous les congères, en bordure d’un remblai routier où la neige et l’eau de fonte s’accumule à la surface d’un sol mal drainé et dans l’argile saline du secteur nord-est du village de Salluit. L’épaisseur maximale du talik à la fin du 21ième siècle varie entre 1,3 et 19,3 m respectivement dans l’argile et le roc sous les congères, alors qu’elle est de 2,8 m dans l’argile saline du secteur nord-est. Seuls les tills et le roc recouverts par d’importantes congères seront affectés par la présence d’un talik à la toute fin du 21ième siècle advenant un réchauffement climatique optimiste. Une dégradation plus importante du pergélisol sous les remblais routiers que pour un même sol en terrain naturel sous un couvert nival mince est à prévoir selon les scénarios climatiques pessimistes. Les infrastructures contruites sur des remblais seront potentiellement affectées par des tassements différentiels.