Le réchauffement climatique prédit pour les prochaines décennies, aura des impacts majeurs sur le pergélisol qui sont très peu documentés pour l’instant. La présente étude a pour but d’évaluer ces impacts sur les propriétés mécaniques du pergélisol et sa stabilité à long terme. Une nouvelle technique d’essai de pénétration au cône à taux de déformation contrôlé, a été développée pour caractériser en place le pergélisol. Ces essais géotechniques et la mesure de différentes propriétés physiques ont été effectués sur une butte de pergélisol au cours du printemps 2000. Le développement et l’utilisation d’un modèle géothermique 1D tenant compte de la thermodépendance du comportement mécanique ont permis d’évaluer que les étendues de pergélisol chaud deviendraient instables à la suite d’un réchauffement de l’ordre de 5 °C sur cent ans. En effet, la résistance mécanique du pergélisol diminuera alors rapidement jusqu’à ll, 6MPa, ce qui correspond à une perte relative de 98% de la résistance par rapport à un scénario sans réchauffement.

L'objectif de ce mémoire est de développer une approche pour évaluer, à l'échelle régionale, l'impact des changements climatiques sur l'évolution des habitats des poissons en régions nordiques. En première partie, les performances du modèle unidimensionnel de lac MyLake ont été évaluées dans le contexte d'une étude internationale de comparaison de modèles (ISIMIP). Cela a permis de vérifier que le modèle est applicable à une large gamme de lacs. 62 lacs ont été calibrés en utilisant un algorithme d'évolution différentielle. Le nombre de mesures de température, la superficie de lacs et leur localisation géographique jouent un rôle sur les performances du modèle. Les indicateurs de performance suggèrent que le modèle performe bien, même pour les lacs en dehors des régions nordiques pour lesquels le modèle a été conçu. Ensuite, MyLake a été utilisé pour simuler la dynamique couplée de la température, de l'oxygène et la lumière dans 210 lacs suédois. Le modèle a d'abord été calibré pour 12 lacs pour lesquels une grande quantité de données de terrain était disponible. Par la suite, les paramètres du modèle ont été extrapolés avec des régressions linéaires en utilisant les caractéristiques morphométriques des lacs comme prédicteur. Cela a permis de modéliser le reste des lacs sans avoir à calibrer le modèle, c'est-à-dire en l'absence d'observations in situ. Les simulations ont été forcées par la météo locale issue des scénarios climatiques, projetés par six modèles de circulation générale. Elles montrent que les petits lacs deviendront plus chauds dans le futur, avec une durée plus courte du couvert de glace. L'oxygène dissous devrait augmenter à la fin de l'hiver, et diminuer en fin d'été, entrainant une perte d'habitat pour les poissons prédateurs d'eaux froides. Ces résultats montrent la faisabilité de la modélisation à une échelle régionale lorsque peu de données de terrain sont disponibles. / This Master's thesis aims to develop an approach to assess at the regional scale, the impact of climate change on the evolution of fish habitats in northern regions. In the first part, we evaluated the performance of the one-dimensional lake model MyLake in the context of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP). This analysis verifies that the model applies to a wide range of lakes. We conducted a calibration of 62 lakes using the differential evolution algorithm. The number of temperature observations, the surface area of lakes, and their geographical location exert control over the performance of the model. Nevertheless, the performance indicators show the model performs well even for lakes outside the northern regions. Then, the MyLake model was used to simulate the coupled dynamics of temperature, oxygen, and light in 210 Swedish lakes. We first calibrated MyLake for 12 lakes, for which a large number of field data was available. Next, the model parameters were extrapolated with linear regressions using the morphometric characteristics of the lakes as a predictor. Those relationships between parameters and characteristics made it possible to simulate the rest of the lakes without having to calibrate the model in the absence of in situ data. Climate projections drove the model from six global climate models (GCM) produced by the CORDEX project, along with the two climate scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5). The simulations show that the small lakes will become warmer in the future, with a shorter duration of the ice cover. The simulations also predict that the dissolved oxygen to increase at the end of winter and decrease at the end of summer, leading to a loss of habitat for cold water predatory fish. These results show the feasibility of modelling at a regional scale when little field data is available.

L'objectif de ce mémoire est de développer une approche pour évaluer, à l'échelle régionale, l'impact des changements climatiques sur l'évolution des habitats des poissons en régions nordiques. En première partie, les performances du modèle unidimensionnel de lac MyLake ont été évaluées dans le contexte d'une étude internationale de comparaison de modèles (ISIMIP). Cela a permis de vérifier que le modèle est applicable à une large gamme de lacs. 62 lacs ont été calibrés en utilisant un algorithme d'évolution différentielle. Le nombre de mesures de température, la superficie de lacs et leur localisation géographique jouent un rôle sur les performances du modèle. Les indicateurs de performance suggèrent que le modèle performe bien, même pour les lacs en dehors des régions nordiques pour lesquels le modèle a été conçu. Ensuite, MyLake a été utilisé pour simuler la dynamique couplée de la température, de l'oxygène et la lumière dans 210 lacs suédois. Le modèle a d'abord été calibré pour 12 lacs pour lesquels une grande quantité de données de terrain était disponible. Par la suite, les paramètres du modèle ont été extrapolés avec des régressions linéaires en utilisant les caractéristiques morphométriques des lacs comme prédicteur. Cela a permis de modéliser le reste des lacs sans avoir à calibrer le modèle, c'est-à-dire en l'absence d'observations in situ. Les simulations ont été forcées par la météo locale issue des scénarios climatiques, projetés par six modèles de circulation générale. Elles montrent que les petits lacs deviendront plus chauds dans le futur, avec une durée plus courte du couvert de glace. L'oxygène dissous devrait augmenter à la fin de l'hiver, et diminuer en fin d'été, entrainant une perte d'habitat pour les poissons prédateurs d'eaux froides. Ces résultats montrent la faisabilité de la modélisation à une échelle régionale lorsque peu de données de terrain sont disponibles. / This Master's thesis aims to develop an approach to assess at the regional scale, the impact of climate change on the evolution of fish habitats in northern regions. In the first part, we evaluated the performance of the one-dimensional lake model MyLake in the context of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP). This analysis verifies that the model applies to a wide range of lakes. We conducted a calibration of 62 lakes using the differential evolution algorithm. The number of temperature observations, the surface area of lakes, and their geographical location exert control over the performance of the model. Nevertheless, the performance indicators show the model performs well even for lakes outside the northern regions. Then, the MyLake model was used to simulate the coupled dynamics of temperature, oxygen, and light in 210 Swedish lakes. We first calibrated MyLake for 12 lakes, for which a large number of field data was available. Next, the model parameters were extrapolated with linear regressions using the morphometric characteristics of the lakes as a predictor. Those relationships between parameters and characteristics made it possible to simulate the rest of the lakes without having to calibrate the model in the absence of in situ data. Climate projections drove the model from six global climate models (GCM) produced by the CORDEX project, along with the two climate scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5). The simulations show that the small lakes will become warmer in the future, with a shorter duration of the ice cover. The simulations also predict that the dissolved oxygen to increase at the end of winter and decrease at the end of summer, leading to a loss of habitat for cold water predatory fish. These results show the feasibility of modelling at a regional scale when little field data is available.

Depuis le Sommet de Johannesburg (2002), la France s'est engagée dans la Stratégie nationale du développement durable. Les orientations de ce programme politique se fondent sur les résultats de l'expertise intergouvernementale sur l'évolution des climats. Il s'agit de solliciter la mobilisation, notamment des sciences, des médias et de l'école autour d'un compromis social d'apparence consensuelle dont est discutée ici la construction. Dans ce contexte, la recherche porte sur les logiques d'engagement d'enseignants face à la question complexe, expertisée et médiatisée de l'évolution climatique. Durant l'année scolaire 2006-2007, une expérimentation a été élaborée avec huit enseignants de lycée, de différentes disciplines scolaires. Ils ont été invités à faire des propositions pour un enseignement de l'évolution climatique dans le cadre du programme de généralisation de l'éducation au développement durable. Deux approches théoriques (communicationnelle et didactique) ont été mobilisées pour étudier leurs représentations sociales de la question climatique et de la fonction éducative. L'expérimentation révèle que les perceptions des risques climatiques et des effets de la communication didactique conduisent les enseignants à adopter diverses postures, entre enseignement de choix et éducation aux choix. Dans le cadre de l'éducation scientifique citoyenne et de l'éducation au développement durable, cette étude milite pour une éthique de la communication didactique associée à une représentation des sciences socialisées.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’océan Arctique, particulièrement sensible au changement climatique, a vu lors des dernières décennies une augmentation de sa température deux fois supérieure à la moyenne mondiale. Certains scientifiques prévoient la disparition complète de la banquise pour 2050. Du fait de la future disparition des algues de glace et de l’augmentation de la fonte du pergélisol, une réévaluation de leurs contributions respectives au stockage de CO2 est nécessaire. Dans cette étude, nous avons ainsi montré que les algues de glace possèdent une forte capacité de préservation dans les sédiments (et donc de stockage du CO2) due à l’incapacité de leurs bactéries à les reminéraliser. A l’inverse, les quantités grandissantes de pergélisol rejetées en mer sont fortement reminéralisables. L’effet conjoint de l’augmentation du rejet de CO2 lors de la dégradation du pergélisol et de la diminution de son stockage par les algues de glace devrait donc contribuer à une amplification du réchauffement climatique. / With a rise in Arctic temperatures almost twice as large as the global average in recent decades, it is at high latitude that the effects of global warming are the most evident. Thus, some scientists have already predicted the complete disappearance of sea ice for 2050. Due to the future disappearance of ice algae and the increase of permafrost thawing, a reassessment of their respective contributions to CO2 storage was required. We have shown that unlike permafrost, ice algae are highly preserved in sediments (allowing CO2 storage) due to the inability of their bacteria to remineralize them. The combined effect of increasing discharge of permafrost by Arctic rivers and decreasing storage of ice algae due to the disappearance of sea ice should thus contribute to increase the global warming.

La modélisation physique en enceinte de gel est utilisée pour analyser les impacts du réchauffement climatique sur l'évolution des paysages en contexte périglaciaire. Les données expérimentales nous montrent (i) l'importance des conditions de saturation de la couche active dans le déclenchement des mécanismes lents et rapides des sols et (ii) l'impact des perturbations des régimes thermiques et hydriques du sol qui modifient à la fois les taux d'érosion et la dynamique des versants périglaciaires. - Lors de précipitations modérées, cryoexpulsion, cryoreptation/gélifluxion et glissements gravitaires sont autant de processus intervenant dans la modification de la morphologie du versant (érosion régressive). - Lors de précipitations intenses, les processus d'érosion rapide type coulées de débris deviennent prédominants, accélérant la dégradation du versant. Ils s'initient systématiquement (i) au niveau des pentes les plus fortes et (ii) en présence d'un pergélisol qui limite l'infiltration de l'eau en profondeur et joue le rôle de plan de glissement. Les taux d'érosion les plus forts sont enregistrés au cours des précipitations les plus intenses. Ces résultats devraient (i) constituer une aide précieuse pour établir une méthodologie de mesure in situ des systèmes périglaciaires et (ii) améliorer la connaissance sur l'évolution morphologique des versants, lorsque le réchauffement climatique augmente à la fois la profondeur du toit du pergélisol et la quantité d'eau apportée aux versants lors des dégels de printemps. Le travail doit désormais se focaliser sur le contrôle exercé par la dynamique de saturation du sol sur les processus d'érosion de versant.

L'objectif de nos travaux de thèse est de concevoir, dimensionner et fabriquer un système actif à matériaux à changement de phase (MCP) pour le rafraîchissement et réchauffement de la maison Napévomo en région Aquitaine, ce dernier participant au concours Solar Décathlon (SDE2010). L'approche proposé a pour but de fournir au lecteur suffisamment de connaissant en stockage thermique à base de MCP pour entreprendre la conception d'un système de rafraîchissement et de réchauffement d'un bâtiment passif. La démarche utilisée consisté dans un premier temps à faire l'état de l'art des systèmes de stockage thermique à base de MCP et à établir un cahier des Charges du système à concevoir. Ces données ont amèné à proposer un modèle de calcul stationnaire basé sur une approche NUT-ε moyennant la caractérisation préalable des MCP pour dimensionner et concevoir le système. Le dimensionnement étant validé en fonction des pertes de charge et le COP (coefficient de performance). Le système est fabriqué à l'échelle 1. Il est composé de quatre échangeurs Air-MCP. Chaque échangeur renferme un amas contenant de MCP. Ils sont disposés en quinconces sur des colonnes de petits tubes. Un ensemble de dispositifs expérimentaux améliorent la conductivité des MCP ainsi que l'échange thermique entre le système et son environnement. Les essais réalisés sur l'un des échangeurs montrent des résultats encourageants. Ce dernier rafraîchit l'air en 7-8 heures et il permet de régénérer les MCP en 6 heures en moyenne. Lors du concours Solar Décathlon (SDE2010), le système installé dans la maison Napévomo a montré sa capacité à assurer le rafraîchissement de l'air ambiant durant les 6 jours de la démonstraction.

D'après le dernier rapport du Groupe Intergouvernemental d'Experts sur l'Evolution du Climat (GIEC), la réalité d'un réchauffement majeur du climat est sans équivoque. Ce travail de thèse a consisté à dresser un bilan des changements climatiques passés et récents dans l'océan Austral et à évaluer si l'impact de ces changements sur la distribution spatiale des oiseaux marins était déjà détectable et/ou prévisible. Grâce aux données historiques d'observation en mer par bateau sur 12 espèces d'oiseaux marins, nous avons mis en évidence une diminution d'abondance chez trois espèces et des changements de distribution contrastés entre les années 1980 et 2000. Ces espèces ont la particularité d'exploiter les eaux subtropicales où le réchauffement a été plus intense pendant cette période. Les suivis télémétriques apportent des informations précieuses sur la variabilité spatio-temporelle de la distribution des zones d'alimentation. Les modèles d'habitat nous ont permis de (1) caractériser les habitats exploités d'un point de vue océanographique, (2) comprendre la réponse des oiseaux aux variations saisonnières et interannuelles du climat, et enfin (3) prédire la distribution future des habitats favorables en utilisant les projections climatiques du GIEC. Les deux espèces étudiées ciblent des zones productives où les ressources sont prédictibles dans le temps et l'espace. Les variations saisonnières de la distribution du pétrel à menton blanc (Procellaria aequinoctialis) de Kerguelen sont principalement gouvernées par la dynamique de la glace de mer alors que les manchots royaux (Aptenodytes Patagonicus) de Crozet sont étroitement liés au front polaire. Ces structures océanographiques, forcées par la température, gouvernent la distribution et l'abondance des ressources disponibles pour les prédateurs. Le réchauffement de 1 à 3°C prédit par les modèles climatiques pourrait donc avoir des conséquences importantes sur la disponibilité des proies. Ainsi, nos modèles d'habitat prédictifs ont révélé un déplacement de 300 km vers le sud des zones d'alimentation du manchot royal d'ici la fin du 21ème siècle. Un tel changement serait bien au-delà des capacités de recherche alimentaire actuelles des manchots. Malgré les incertitudes liées aux modèles et aux réponses des niveaux trophiques inférieurs, nos résultats suggèrent une forte pression de sélection sur les stratégies d'approvisionnement des oiseaux marins dans les années à venir.

Les tendances spatiales et temporelles du mercure en Arctique ont été étudiées au travers de l'analyse de ce métal dans les tissus durs, i.e. dents et poils, des phoques annelés (Phoca hispida) et des ours polaires (Ursus maritimus). Aucune influence du sexe sur les concentrations n'a été détectée dans les tissus de ces deux espèces alors que l'âge est apparu comme un facteur d'influence important.Deux tendances spatiales ont été observées dans les tissus de ces deux espèces : un premier gradient d'augmentation du mercure de l'Est vers l'Ouest de l'Arctique, i.e. de Svalbard, vers le Groenland et enfin, l'Arctique canadien, et un second du Sud vers le Nord de l'Arctique canadien, résultant très probablement de la minéralogie du socle rocheux, mais aussi potentiellement de facteurs biotiques et abiotiques.Une tendance à l'augmentation des concentrations de mercure a été globalement détectée entre la période préindustrielle et la fin du XXe siècle. Cependant, les variations temporelles associées à la seconde partie du XXe siècle révèlent une augmentation continue dans l'Ouest de l'Arctique et une tendance à la diminution dans l'Est de l'Arctique, cette différence étant probablement liée à des apports distincts des masses d'air atmosphériques à ces deux régions. Par ailleurs, une composante de variabilité climatique pourrait contribuer aux variations observées ces dernières décennies en influençant les habitudes alimentaires de ces prédateurs marins arctiques. Ainsi, les isotopes stables d'azote et de carbone s'avèrent être un outil essentiel à coupler aux études sur les tendances de mercure pour permettre de déterminer la part d'un changement dans le régime alimentaire ou dans les niveaux environnementaux.Cette étude a mis en évidence l'importance des poils comme tissu de monitoring non-invasif et pertinent pour un suivi régulier voire annuel tandis que l'utilisation des dents s'avère être plus adaptée à la reconstruction de tendances sur le long-terme.