Thèse (M.Sc. )--Université Laval, 2007. / Titre de l'écran-titre (visionné le 5 mai 2008). Bibliogr.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence, France / Le détroit de Nares constitue l'un des trois domaines de l'Archipel Arctique Canadien (AAC) reliant l'océan Arctique à la baie de Baffin. Le potentiel d'eau douce transporté via ces détroits atteint, au sud de la baie de Baffin, la mer du Labrador, et module ainsi les caractéristiques physico-chimiques des eaux de surface et de sub-surface de cette région, siège de la formation d'une des composantes majeures de la circulation profonde de l'Atlantique Nord. Le détroit de Nares, à la frontière est de l'AAC, est à 80% couvert de glace de mer pendant 11 mois de l'année sous l'influence (1) de l'apport de banquise multi-annuelle provenant de l'océan Arctique au Nord, et (2) de la formation in situ de glace de mer. L'histoire hydrologique de cette région est donc intimement liée à celle de ces deux composantes. Par ailleurs, ce couvert de glace régule le transport d'eaux dessalées et de glace vers la baie de Baffin, et entretient l'existence d'une zone ouverte : la polynie des eaux du nord. La polynie des eaux du nord est aujourd'hui essentiellement une polynie à chaleur latente. L'arc de glace du bassin de Kane empêche la dérive de glace de mer et d'icebergs vers la baie de Baffin, pendant que les vents puissants chassent la glace formée à la surface de la polynie. Deux processus physiques important ont alors lieu : (1) la formation de glace de mer en continue entretient la formation de saumures ou « brines », des eaux salées et froides, et (2) sous l'effet du vent, les masses d'eaux de surface sont déviées vers l'île d'Ellesmere. Un mouvement vertical est initié par la plongée des brines et le pompage d'Ekman résultant du déplacement des masses d'eaux par le vent induit la remontée d'eaux atlantiques chaudes, riches en nutriments. La remontée d'eaux atlantiques peut promouvoir la fonte de la glace en surface, ce qui confère à la polynie des eaux du nord son caractère sensible. La productivité primaire est alimentée en continu par des eaux pacifiques riches en silicates à travers le détroit de Nares et la remontée d'eaux atlantiques riches en nitrates dans la polynie, jusqu'à la rupture estivale du pont de glace qui entraine l'entrée de glace dans la polynie et l'arrêt de la remontée de nitrates. Depuis les années 1980, la durée moyenne du pont de glace est en diminution, engendrant une chute de la productivité. Le détroit de Nares a été affecté durant la période post-glaciaire par (1) un retrait rapide des calottes groenlandaise et innuitienne, initialement ancrées sur le fond et convergeant au niveau du détroit de Nares, (2) une baisse importante du niveau marin (rebond isostatique) et (3) des conditions variables de glace de mer pérenne ou saisonnière. Ces trois phénomènes, dont la chronologie et le synchronisme à l'échelle régionale sont très mal contraints, font du détroit de Nares un domaine unique d'examen de la réponse de la cryosphère marine et continentale à un changement climatique rapide tel celui amplifié aujourd'hui dans les régions arctiques sous le forçage du réchauffement global. Les archives sédimentaires prélevées lors des campagnes (2014 et 2016) du NGCC Amundsen dans le cadre de l'ANR GreenEdge et du programme canadien ArcticNet offrent une opportunité unique de reconstituer l'histoire post-glaciaire à tardi-holocène de la région. Notre travail repose sur une analyse multi-proxies de ces archives incluant pour chaque carotte une étude sédimentologique approfondie (granulométrie et lithofaciès), une analyse micropaléontologique (assemblages de foraminifères benthiques et planctoniques), des mesures géochimiques continues de la distribution d'éléments majeurs et mineurs (banc XRF core-scanner), des analyses minéralogiques (q-XRD) et des mesures biogéochimiques (biomarqueurs de la glace de mer IP25 et HBI III). Nos résultats nous ont amené à proposer un âge d'ouverture pour le détroit de Nares situé entre 9 et 8.3 mille ans avant l'actuel (cal. ka BP), avec un âge probable autour de 8.5-8.3 cal. ka BP. Les conditions environnementales suivant la connexion de l'océan Arctique avec la baie de Baffin ont été très variables en lien avec le maximum thermique holocène (induisant de très fortes températures atmosphériques) et l'apport important d'eau de fonte lié au recul des calottes. Dans un environnement plus glacio-distal, un minimum de couvert de glace de mer est observé entre 8.1 et 7.5 cal. ka BP. Avec la chute de températures atmosphériques, le couvert de glace de mer saisonnière est établi de façon régulière à partir de 7.5 cal. ka BP, mais ce n'est qu'à partir de 5.5 cal. ka BP que le pont de glace du bassin de Kane s'inscrit durablement au printemps et en été. La polynie est initiée à partir de 5.5 cal. ka BP, mais elle repose sur une chaleur essentiellement latente. Ce n'est qu'à partir de 4.5 cal. ka BP, lorsque les températures atmosphériques sont assez froides, que la formation de brines est assez importante pour engendrer le transport vertical d'eaux atlantiques. A partir de 3.7/3.0 cal. ka BP, le pont de glace nord est présent de façon quasi-pérenne, ce qui empêche l'entrée de glace de mer arctique épaisse dans le détroit de Nares et abouti à la fragilisation du pont de glace dans le bassin de Kane. Le détroit de Nares devient libre de glace de façon saisonnière et, du fait de l'absence de convection, les eaux de la région nord de la baie de Baffin deviennent stratifiées. Le rétablissement du pont de glace du bassin de Kane est limité à une courte période centrée autour de 500 ans avant l'actuel. / Nares Strait is one of three channels of the Canadian Arctic Archipelago (CAA) which connect the Arctic Ocean to Baffin Bay. The CAA throughflow is a major component of ocean circulation in western Baffin Bay. Nares Strait borders the CAA to the east, separating Ellesmere Island from Greenland, and is 80% covered in sea ice 11 months of the year. The heavy sea ice cover is constituted of (1) Arctic (multi-year) sea-ice having entered the strait by the north, and (2) locally formed first year sea ice, which consolidates the ice cover. The hydrological history of the area is intimately linked to the formation of land-fast sea ice in the strait, constituting ice arches. The seaice cover in Nares Strait regulates freshwater (liquid and solid) export towards Baffin Bay, and is integral to the formation of an area of open water in northernmost Baffin Bay: The North Water polynya. Nares Strait has been at the heart of major geomorphological changes over the past 10,000 years. Its deglacial and post-glacial history is marked by (1) rapid retreat of the Greenland and Innuitian ice-sheets which coalesced along Nares Strait during the Last Glacial Maximum, (2) post-glacial shoaling associated to isostatic rebound, and (3) variable multi-year and seasonal sea ice conditions. Little is known about the evolution of these three environmental components of the Nares Strait history, and they are poorly constrained in terms of chronology and synchronism with other regional changes. Nares Strait and its eventful Holocene history provide a unique case study of the response of the marine and continental cryosphere to rapid climate change, such as that affecting Arctic regions in modern times. The marine sediment archives that were retrieved during the ANR GreenEdge and ArcticNet (2014 and 2016) cruises of CCGS Amundsen offer a unique opportunity to investigate the Deglacial to Late Holocene history of Nares Strait. Our reconstructions are based on a multi-proxy study of these cores, including sedimentologic (grain size and lithofacies), geochemical (XRF), mineralogical (q-XRD), micropaleontological (planktic and benthic foraminiferal assemblages), and biogeochemical (sea ice biomarkers IP25 and HBI III). Our results include an age for the Deglacial opening of Nares Strait between 9.0 and 8.3 cal. ka BP, with the event likely occurring closer to the later bracket of the timeframe (i.e., ca 8.5-8.3 cal. ka BP). This event established the throughflow from the Arctic Ocean towards northernmost Baffin Bay. Environmental conditions were highly unstable in the Early Holocene, and marine primary productivity was limited. A period of minimum sea-ice cover occurred from ca 8.1 to 7.5 cal. ka BP, during the Holocene Thermal Maximum, when atmospheric temperatures were higher than today in Nares Strait. Sea-ice cover became more stably established as a seasonal feature around 7.5 cal. ka BP and primary productivity related to ice edge blooms increased. Eventually, the duration of the ice arches increased and they were present in spring and into the summer from 5.5 to 3.7 cal. ka BP, which allowed the inception of the North Water polynya. The North Water reached its maximal potential between 4.5 and 3.7 cal. ka BP, when warmer Atlantic-sourced water upwelled in the polynya, providing nutrients for primary productivity. The establishment of a near-perennial ice arch in northern Nares Strait prevented export of multi-year sea ice into Nares Strait and hindered the formation of the southern ice arch, ultimately resulting in a less productive polynya over the past ca 3.0 cal. ka BP.

En raison de la fonte pluriannuelle des glaces dans l'Océan Arctique et de la fonte de la calotte glaciaire du Groenland, les communautés microbiennes sont exposées à de plus grandes fluctuations de salinité au cours de la saison de croissance et dans de vastes zones géographiques. Les Eaux du Nord très productives ont subi des changements marqués dans les tendances saisonnières de la chlorophylle de surface observées grâce à la télédétection et les données in situ, mais l'interprétation de ces données en termes d'espèces reste difficile puisque la phénologie de la communauté et la variabilité spatio-temporelle sont encore inconnues. Il est essentiel de bien comprendre la dynamique des assemblages de phytoplancton et d'autres espèces microbiennes pour comprendre les réponses des écosystèmes face au changement global. De plus, les grandes fluctuations de salinité ou stress salin et le choc osmotique sont parmi les principaux facteurs environnementaux limitant la croissance et la productivité des plantes et des microorganismes. Pour combler ce manque de connaissance, nous avons premièrement appliqué le séquençage d'amplicon à haut débit pour étudier les communautés microbiennes d'eucaryotes arctiques d'été et d'automne des deux côtés du nord de la baie de Baffin sur plus de 12 ans (2005 à 2018). Ces communautés sont soumises à des régimes de stratification et de courants opposés. Deuxièmement, nous avons étudié la réponse transcriptionnelle d'une microalgue associée à la glace exposée à des salinités progressivement décroissantes afin de mieux comprendre la capacité génétique de cette algue à tolérer les fluctuations de salinité, ainsi que d'identifier les gènes de stress clés. Enfin, nous avons combiné une approche métagénomique comparative avec le séquençage des amplicons d'ARNr 18S pour étudier les capacités fonctionnelles, la diversité et la dynamique des microorganismes dans la colonne d'eau supérieure du nord de la baie de Baffin pendant deux étés consécutifs (2017-2018). Nous avons constaté que la saisonnalité était un facteur majeur déterminant les assemblages de communauté des eaux de surface estivales avec le complexe d'espèces Chaetoceros socialis-gelidus et Micromonas polaris dominant le phytoplancton, et les Alpha et Gammaproteobactéries dominant la communauté bactérienne. En automne, les dinoflagellés d'eau libre non-cultivés et non-décrits étaient favorisés. Nos résultats suggèrent que la production automnale de l'Arctique, due à des conditions d'eau libre plus longue, pourrait ne pas refléter une floraison printanière dominée par les diatomées, comme le prévoient certains scénarios des saisons sans glace plus longues. Par ailleurs, une réponse progressive et une adaptation spécifique aux conditions arctiques froides et salines ont été observées avec l'expression différentielle de plusieurs protéines antigel, comme la protéine de liaison à la glace et une acyl-estérase toutes deux impliquées dans l'adaptation au froid. Nos résultats suggèrent que la protéine de liaison à la glace peut également jouer un rôle crucial dans l'adaptation à un changement rapide de salinité et à la survie cellulaire. Par ailleurs, grâce à l'annotation fonctionnelle, nous avons examiné les gènes impliqués dans la protection des photosystèmes, la régulation osmotique et les protéines antigel, cruciales pour l'acclimatation à un environnement froid. L'utilisation de la génomique comparative permettrait de révéler les évolutions des familles de gènes conférant l'adaptation des microorganismes aux transitions entre eau salée et eau douce. Ce travail de thèse aura des implications non seulement pour l'Arctique où les communautés de surface sont soumises à de grandes fluctuations de salinité, de température et de lumière, mais il contribuera également aux connaissances fondamentales dans les domaines de la production de biocarburants et de la prévision des efflorescences algales potentiellement nuisibles. / As the Arctic Ocean freshens due to multiyear ice and Greenland Ice Sheet melt, the microbial communities are being exposed to greater salinity fluctuations over the growth season and across wide geographic areas. Although remote sensing and limited in situ data have shown that the highly productive North Water has undergone marked changes in the seasonal patterns of surface chlorophyll. Interpreting this data in terms assemblages of species is difficult since the community phenology and spatiotemporal variability is unknown. Understanding the dynamics of phytoplankton and other microbial species assemblages is critical to understand ecosystem responses to global change. Moreover, greater salinity fluctuations or salt stress and osmotic shock are among the main environmental factors limiting the growth and productivity of plants and microorganisms. To address this knowledge gap, firstly, high throughput amplicon sequencing was applied to investigate summer-fall Arctic microbial communities from two sides of Northern Baffin Bay over 12 years (2005 to 2018), that are subjected to very different stratification and major current regimes. Secondly, we investigated the transcriptional response of an ice-associated microalga exposed to progressively decreasing salinities to gain a deeper understanding of the genetic capacity of this alga to tolerate salinity fluctuations, as well as to identify key stress genes. And lastly, we combined comparative metagenomic approach with 18S rRNA amplicon sequencing to investigate the functional capacities, diversity and dynamics of the microorganisms in upper water column of the Northern Baffin Bay during two consecutive summers (2017-2018). We found that seasonality was a major factor determining communities with summer species complex Chaetoceros socialis-gelidus and Micromonaspolaris dominating phytoplankton and Alpha and Gammaproteobacteria dominating bacterial community. In autumn uncultured undescribed open water dinoflagellates were favored. Our results suggest that Arctic autumn production due to longer open water conditions may not mirror a diatom dominated spring bloom as projected in some scenarios of longer ice-free seasons. Furthermore, a gradual response and specific adaptation to cold saline Arctic conditions were seen with differential expression of several antifreeze proteins, an ice-binding protein and acyl-esterase involved in cold adaptation. Our results suggest that ice-binding protein may also have a crucial role for the adaptation of a rapid change of salinity, by providing survival advantage to the cells. Moreover, through functional annotation, we examined potential genes involved in photosystem protection, osmotic regulation and antifreeze proteins, to be crucial for acclimatization to cold environment. The use of comparative genomics would reveal evolutions of gene families conferring adaptation of microorganisms to transitions between salt and fresh water. The combination of these several methodologies provides invaluable insights into the composition, the metabolic repertoire and putative functional profile of a microbial assemblage. This thesis work will have implications not only for the Arctic where surface communities are subject to large fluctuations in salinity and light but will also contribute to fundamental knowledge in the fields of biofuel production and harmful algal bloom prediction.

Dans le cadre du réchauffement climatique, la prédiction de la hausse du niveau des mers est un défit majeur. La contribution du bilan de masse de surface de l'Antarctique constituerait la seule contribution négative à la hausse du niveau des mers. D'un autre côté, la dynamique de la calotte pourrait réagir de façon non linéaire au changement climatique, et entrainer une accélération et un amincissement de certains glaciers (Meehl et al. 2007). Pour ces deux raisons, il convient de connaître précisément le climat de l'Antarctique. Les Modèles de climat globaux reproduisent mal certain aspects du climat Antarctique : les précipitations sont surestimées à cause de la topographie côtière trop lisse ; le bilan d'énergie en surface est mal représenté car les processus physiques impliquant la neige sont représentés de façon trop grossière. C'est pourquoi nous nous intéressons à la modélisation régionale, qui offre une meilleure résolution et une meilleure représentation des processus physiques.<br /><br />Le climat de l'Antarctique implique la glace de mer, dont l'extension modifie par exemple l'humidité diponible pour l'atmosphère. Mais l'ensemble de l'océan joue également un rôle, car la formation d'eau dense près des côtes engendre des échanges relativement rapides entre la surface et l'océan profond. C'est pourquoi nous avons choisi de créer un modèle régional couplé atmosphère - glace de mer - océan. Le but de cette thèse est uniquement de développer et d'évaluer un tel modèle.<br /><br />Pour l'atmosphère, nous utilisons le Modèle Atmosphérique Régional (MAR, Gallee et al. 2005). Ce modèle a été spécialement développé pour les régions polaires. Il se distingue des autres modèles climatiques régionaux par sa représentation élaborée de la neige, et par une représentation interactive de la neige soufflée par le vent. Pour l'océan et la glace de mer, nous utilisons NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), constitué de OPA-9 (Océan PArallélisé, Madec 2007) et de LIM-2 (Louvain Ice Model, Fichefet 1997). Le modèle d'océan utilise une paramétrisation élaborée de la diffusion turbulente le long des isopycnes et de la diffusion verticale. Le modèle de glace de mer utilise un modèle thermodynamique à trois couches, des équations dynamiques basées sur la rhéologie visco-plastique. Enfin, MAR et NEMO sont couplés grâce au logiciel OASIS-3 (Valcke et al. 2003). Le modèle résultant est appelé TANGO, pour Triade Atmosphère-Neige, Glace de mer, Océan.<br /><br />Avant d'analyser des simulations de TANGO, il convient de connaître précisément le comportement de chacun des modèles lorsqu'ils sont forcés par des données. Dans un premier temps, nous testons la sensibilité de MAR à la représentation de la rugosité orographique. En simulant un cas de la littérature, nous montrons que MAR est capable de simuler des cyclones de méso-échelle ; nous montrons ensuite que le rôle des vents catabatiques côtiers dans la cyclogenèse est faible devant le rôle de l'écoulement synoptique, contrairement à ce que conjecturaient les travaux précédents. Comme les vents catabatiques côtiers dépendent fortement de la rugosité orographique des Montagnes Transantarctiques, les polynies de TANGO pourraient en dépendre ; c'est pourquoi nous avons réglé ce paramètre de façon à avoir des vents côtiers en accord avec les relevés des stations météorologiques. Enfin, nous montrons que la fraction de glace de mer a peu d'influence sur la circulation atmosphérique, probablement parce que notre méthode ne modifie pas la position des fronts de glace.<br /><br />Estimer l'apport du couplage s'avère compliqué, car une partie du comportement de TANGO vient effectivement des rétroactions physiques permises par le couplage, mais une autre partie vient du changement de "forçages". En effet, MAR voit habituellement la glace de mer se SSM/I, et NEMO voit habituellement des champs atmosphériques issus des réanalyses ERA-40 ; dans TANGO, MAR voit donc les défauts de NEMO, et inversement. Pour évaluer la capacité de TANGO à représenter des rétroactions physiques, nous avons donc réalisé un jeu de simulations dans lequel MAR est forcé par les champs de surface de NEMO, et NEMO est forcé par les champs de surface de MAR. Les comparaisons entre ces simulations et les simulations couplées montrent que la couverture de glace de mer de TANGO diffère de celle de NEMO forcé par MAR, ce qui prouve que des rétroactions sont représentées. Dans le détail, nous identifions également une rétroaction impliquant la glace produite dans une polynie à l'automne, et une rétroaction impliquant les précipitations et la température de surface de l'océan.<br /><br />Finalement, l'ensemble des évaluations de MAR sur l'océan ont permis des améliorations très récentes de MAR : H. Gallée a ainsi amélioré la prise en compte des nuages aux frontières, et les flocons de neige ont été introduits dans le schéma radiatif de façon à mieux simuler les températures de la couche limite sur la calotte. Ceci améliore également le comportement de TANGO. Cette étude souligne également l'importance du couplage, puisque la solution couplée diffère de la solution forcée, toutes paramétrisations étant égales. Nous concluons donc qu'il est nécessaire de poursuivre l'utilisation de TANGO.<br /><br />Ces travaux ouvrent d'abord des perspectives à court terme, puisqu'il faudra analyser le détail des rétroactions mises en \oe uvre de façon à tenter de mieux comprendre le climat de l'Antarctique. Ensuite, TANGO pourra être utilisé à petite échelle et haute résolution pour l'analyse des polynies et des formations des masses d'eau dense impliquées dans les circulations océaniques profondes. Une autre possibilité sera d'utiliser TANGO à l'échelle de la calotte, de façon à travailler sur la régionalisation du changement climatique en Antarctique. Enfin, à plus long terme, il sera nécessaire de travailler sur le représentation des cavités sous les plate-formes glaciaires dans TANGO.

La représentation dans un modèle numérique de la circulation générale océanique de la formation des eaux denses de plateau et des intéractions entre la glace de mer, l'océan et l'atmosphère en Antarctique est indispensable pour une simulation réaliste des masses d'eau profonde et de la circulation thermohaline de l'océan global. Dans ce travail, j'ai cherché à améliorer la modélisation des phénomènes importants pour la formation et la modification des eaux denses présentes sur le plateau continental antarctique (glace de mer, ice shelves, forçage atmosphérique) dans le code d'océan/glace de mer NEMO. J'ai montré, avec des simulations régionales réalistes, que les réglages fins proposés pour le modèle de glace, l'implémentation de la paramétrisation des ice shelves, ainsi qu'une meilleure représentation des vents catabatiques ont chacun des impacts positifs sur les propriétés de la glace de mer, des polynies et des eaux de plateau. Cependant, les défauts initiaux ne sont pas totalement corrigés. Afin de rectifier les problèmes restants, des simulations sont effectuées avec un forçage atmosphérique adapté au continent Antarctique par un downscaling des réanalyses atmosphériques globales ERA40 réalisé par un modèle atmosphérique de mésoechelle. Ces simulations montrent que des améliorations bien plus importantes que celles réalisées précédemment peuvent être obtenues en changeant la température, l'humidité et le vent de surface, autant en terme de glace de mer que de densité de masses d'eau présentes sur le plateau continental. Malgré ces perfectionnements, des efforts importants restent à faire au niveau du forçage atmosphérique, du modèle de glace et des ice shelves

La morue arctique (Boreogadus saida) joue un rôle crucial dans l’écosystème marin arctique. Cette étude décrit pour la première fois la saison d’éclosion, la croissance et la survie larvaire de la morue arctique en mer de Laptev (océan Arctique sibérien). La saison d’éclosion y est hâtive et longue (janvier à juillet) par rapport aux polynies des eaux du Nord et du Nord-Est (mai et juin). La taille à l’âge était plus grande de 4 mm en 2005 (année de faible englacement) qu’en 2003 (année de fort englacement). La survie des larves dépendrait en grande partie des conditions de glace, plus spécialement de l’ampleur et de la durée de l’ouverture des polynies hivernales, caractéristique clé de la mer de Laptev qui démontre de fortes variations interannuelles. En particulier, l’absence de larve survivante pour la période de janvier à la mi-mars 2003 correspondait à l’absence de polynie dans la région d’étude. / Arctic cod (Boreogadus saida) plays a crucial role in the marine Arctic ecosystem. For the first time, the hatching season, and the early growth and survival of Arctic cod are described for the Laptev Sea. The hatching season was early and long (January to July) compared to the North Water and Northeast Water Polynyas (May-June). Length at age was 4 mm longer in 2005 (a year of low ice cover) than in 2003 (heavy ice cover). Larval survival could depend mainly on ice conditions, particularly on the extent and duration of opening of winter polynyas, a key feature of the Laptev Sea that shows strong interannual variations. In particular, the absence of surviving larvae for the period of January to mid-March 2003 coincided with the absence of polynya in the study area.