Les palses sont des buttes de tourbe ou de sol minéral qui possèdent un noyau de pergélisol et qui sont répandues dans la zone de pergélisol discontinu. Malgré la grande répartition de forêts se maintenant sur des sols pergelés, les palses boisées se trouvent seulement en Amérique du Nord. L’objectif de cette étude est de déterminer l’influence du couvert forestier sur le régime thermique des palses boisées dans la région de la rivière Boniface (57°45’ N, 76°00’ O) où elles sont colonisées par l’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). Afin d’atteindre cet objectif, la température du sol et l’épaisseur du mollisol de palses boisées et de palses non boisées, organiques et minérales, ont été comparées en 2009, 2010 et 2011. L’épaisseur de neige, l’épaisseur de l’horizon organique, le couvert végétal, les dimensions des palses et le dénivelé ont également été mesurés. De manière générale, une couche de matière organique épaisse maintient une température du sol basse et un mollisol mince. En été, le mollisol est moins épais et la température du sol est plus basse dans les milieux forestiers que dans les milieux exposés à la radiation solaire. Par contre, en hiver, le couvert nival plus épais chez les palses boisées favorise le maintien d’une température du sol plus élevée que chez les palses non boisées. La matière organique et le couvert arborescent semblent favoriser de longues périodes-zéro autant au printemps qu’en automne. Cependant, l’effet du couvert forestier sur la température du sol dépend de la température de l’air et du régime des précipitations nivales. La répartition de l’épaisseur du mollisol sur une palse dépend de la topographie, de l’épaisseur de la matière organique et de la présence d’arbres. Ainsi, le régime thermique des palses boisées est différent de celui des palses non boisées. Le maintien et l’intégrité à long terme des palses boisées et des palses non boisées vont dépendre des variations de température de l’air, mais également du régime des précipitations nivales.

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.

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.

La croissance démographique, le surpeuplement des logements, les pressions de développement urbain et économique ainsi que le réchauffement climatique provoquant le dégel du pergélisol sont des facteurs qui incitent à mieux planifier l'aménagement du territoire dans les communautés inuites du nord du Canada. Une meilleure connaissance des conditions locales du pergélisol favorise une meilleure prise de décision et, par le fait même, favorise en partie l'adaptation des communautés face au réchauffement climatique tout en les aidant à planifier l’expansion que commande l’immense besoin en logements. L’étude des types de fondation par rapport aux conditions du pergélisol dans la communauté d’Inukjuak souligne la nécessité de l’intégration des connaissances sur le pergélisol dans le processus d’aménagement du territoire dans la communauté. / The rising population, overcrowded housing, the pressure of urban and economic development and the warming climate are all factors that create the necessity of better land use planning in the communities of Nunavik, Canada. In this context, the link between land use planning and permafrost knowledge is strong. A better understanding of the permafrost conditions supports better decision making and therefore promotes a better adaptation of the communities facing the challenge of climate change and better planning of village growth due to more housing development. The study of the foundation types on permafrost terrain in the community of Inukjuak shows the necessity of the technical integration of the permafrost in the land use planning process in the community.

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.