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The Arctic region shows a particularly high susceptibility to climate change, which historically manifests in an amplification of the near-surface warming in the Arctic relative to the global mean. This Arctic amplification (AA) has impacts on the climate system also beyond the northern polar regions, which highlights the importance to adequately represent it in numerical models. While state-of-the-art climate models widely agree on the presence of AA, they simulate a large spread in the magnitude of Arctic-amplified warming. This thesis addresses the need to evaluate the performance of global climate models in projecting AA and its most important drivers. For the latter, the focus is on the three amplifying climate feedbacks (ACFs) that largely drive the meridional warming structure leading to AA. The ACFs include the sea-ice-albedo feedback (SIAF), the Planck feedback, and the lapse-rate feedback (LRF). These feedbacks arise from the relevant changes in Arctic sea ice, near-surface temperatures, and the deviation from the near-surface temperature change through the atmosphere, respectively. In the thesis, two observational constraints are presented to narrow the range of climate models of the sixth Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) regarding their projection of AA and the ACFs in both past and future climate. While for the past, the models representation of near-surface processes can often be directly evaluated against observations, it is particularly the LRF that is difficult to constrain as it incorporates the entire atmospheric warming structure. As a consequence, the historical constraint focuses on the LRF, while the future constraint gives a prediction range for the evolution of AA and all three ACFs through the 21st century. The main results are highlighted in the view of the changing atmospheric energy budget (AEB) of the Arctic under anthropogenic climate forcing. The AEB provides a framework to address Arctic climate change at large scales, and further helps to decide on the relevant aspects that provide appropriate metrics for constraining both AA and the ACFs. In other words, the perspective of a changing Arctic AEB highlights important alterations of the energetics under climate change, that further link to changes in climate aspects that partly explain the inter-model spread in simulated AA and the ACFs. The main results of the cumulative thesis are formulated on the basis of three published research papers, papers I, II, and III. Paper I addresses the Arctic AEB which is typically characterised by an equilibrium between net radiative cooling and advective heating, and mostly an absence of convection. This radiative-advective equilibrium (RAE) approximates well the energy budget and thermal structure of the Arctic atmosphere. The main outcome of paper I is that with continuous warming as simulated by CMIP6 models in an idealised setup, a deviation from the RAE increasingly develops, resulting from sea ice retreat and increased ocean-to-atmosphere heat fluxes. These changes are further concomitant with a depletion of the typical surface-based temperature inversion and a decrease in advective heating, which is byword for the convergence of atmospheric energy transport in the Arctic. Since the RAE currently explains much of the basic thermal structure of the Arctic atmosphere, those changes have the potential to further mediate the LRF. Paper II builds on paper I and evaluates the performance of climate models in representing the key aspects of the Arctic LRF in CMIP6 historical simulations that have the best estimates of the transient climate forcings during the observational period. In particular it is found that CMIP6 models that realistically simulate both the lower thermal structure of the atmosphere and the poleward atmospheric energy transport are more trustworthy in informing about the LRF and how much it contributed to Arctic warming during the past few decades. The evaluation is based on observations of surface-based temperature inversions during the year-long Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) expedition, and atmospheric energy transport convergence computations from reanalyses. Paper III expands the constraint approach of paper II and carries out an emergent constraint (EC) on future AA and the ACFs that further elaborates on the physical relationships between the constraining metrics and future climate projections. Previous work has highlighted that parts of the inter-model spread in simulated AA is explained through the spread in contemporaneous sea ice loss across climate models. The thesis confirms this link by showing that CMIP6 models with a stronger climatological sea ice loss project a stronger AA in the future under the assumption of a high emission scenario. By further linking the degree of future ice loss to the current-climate sea ice amount in CMIP6 models, paper III facilitates an EC on the future evolution of AA and the ACFs. In particular, models with a lower contemporary sea ice amount project a larger magnitude of AA by setting the stage for stronger climatological ice loss and near-surface warming, linking to the relevant ACFs. From the corresponding prediction it is evident that AA is expected to continue at a warming rate that is more than twice or three times larger than global-mean warming. Furthermore, the three ACFs continue to contribute to Arctic warming, with the SIAF leading the warming contribution response. Lastly, the consideration of statistically strong and physically plausible relationships across climate models makes the EC a valuable technique to constrain climate model simulations in conjunction with observations. This thesis highlights the potential of combining the advantages of both presented constraints: Using multiple process-relevant aspects instead of one singular metric (paper II), but considering the mechanistic couplings between these metrics and the climate projection of interest (paper III) will improve our model-evaluation techniques and further help guiding the design of future climate simulations.:Summary of the dissertation List of papers Author’s contribution Supervision statement 1 Introduction 2 Research focus 3 The Arctic atmospheric energy budget 3.1 The atmospheric column model 3.2 The annual atmospheric energy budget 4 Arctic amplification and climate feedbacks 4.1 Amplifying climate feedbacks 4.2 A comment on process coupling 5 Methods and data 5.1 Energy budget equations 5.2 Quantifying Arctic amplification and climate feedbacks 5.3 Climate model data 5.3.1 CMIP6 idealised simulations 5.3.2 CMIP6 historical simulations 5.3.3 CMIP6 ssp585 simulations 5.4 Observational constraints 5.4.1 Constraint on historical Arctic lapse-rate feedback 5.4.2 Constraint on future Arctic amplification and relevant climate feedbacks 6 Results 6.1 Paper I - Deviations from the Arctic radiative-advective equilibrium under anthropogenic climate change 6.2 Paper II - Constraining the Arctic lapse-rate feedback during past decades by contemporary observations 6.3 Paper III - Constraining future Arctic amplification and the relevant climate feedbacks based on the recent sea ice climatology 7 Summary and outlook References Lists Acknowledgements Appendix A: Paper I Appendix B: Paper II Appendix C: Paper III

<p align="justify">The Southern Ocean (ca. 20% of the world ocean surface) is a key place for the regulation of Earth climate thanks to its capacity to absorb atmospheric carbon dioxide (CO2) by physico-chemical and biological mechanisms. The biological carbon pump is a major pathway of absorption of CO2 through which the CO2 incorporated into autotrophic microorganisms in surface waters is transferred to deep waters. This process is influenced by the extent of the primary production and by the intensity of the remineralization of organic matter along the water column. So, the annual cycle of sea ice, through its in situ production and remineralization processes but also, through the release of microorganisms, organic and inorganic nutrients (in particular iron)into the ocean has an impact on the carbon cycle of the Southern Ocean, notably by promoting the initiation of phytoplanktonic blooms at time of ice melting.</p><p><p align="justify">The present work focussed on the distribution of organic matter (OM) and its interactions with the microbial network (algae, bacteria and protozoa) in sea ice and ocean, with a special attention to the factors which regulate the biological carbon pump of the Southern Ocean. This thesis gathers data collected from a) late winter to summer in the Western Pacific sector, Western Weddell Sea and Bellingshausen Sea during three sea ice cruises ARISE, ISPOL-drifting station and SIMBA-drifting station and b) summer in the Sub-Antarctic and Polar Front Zone during the oceanographic cruise SAZ-Sense.</p><p><p align="justify">The sea ice covers were typical of first-year pack ice with thickness ranging between 0.3 and 1.2 m, and composed of granular and columnar ice. Sea ice temperature ranging between -8.9°C and -0.4°C, brines volume ranging between 2.9 to 28.2% and brines salinity from 10 to >100 were observed. These extreme physicochemical factors experienced by the microorganisms trapped into the semi-solid sea ice matrix therefore constitute an extreme change as compared to the open ocean. Sea ice algae were mainly composed of diatoms but autotrophic flagellates (such as dinoflagellates or Phaeocystis sp.) were also typically found in surface ice layers. Maximal algal biomass was usually observed in the bottom ice layers except during SIMBA where the maxima was localised in the top ice layers likely because of the snow and ice thickness which limit the light available in the ice cover. During early spring, the algal growth was controlled by the space availability (i.e. brine volume) while in spring/summer (ISPOL, SIMBA) the major nutrients availability inside sea ice may have controlled algal growth. At all seasons, high concentrations of dissolved and particulate organic matter were measured in sea ice as compared to the water column. Dissolved monomers (saccharides and amino acids) were accumulated in sea ice, in particular in winter. During spring and summer, polysaccharides constitute the main fraction of the dissolved saccharides pool. High concentrations of transparent exopolymeric particles (TEP), mainly constituted with saccharides, were present and their gel properties greatly influence the internal habitat of sea ice, by retaining the nutrients and by preventing the protozoa grazing pressure, inducing therefore an algal accumulation. The composition as well as the vertical distribution of OM in sea ice was linked to sea ice algae.</p><p><p align="justify">Besides, the distribution of microorganisms and organic compounds in the sea ice was also greatly influenced by the thermodynamics of the sea ice cover, as evidenced during a melting period for ISPOL and during a floodfreeze cycle for SIMBA. The bacteria distribution in the sea ice was not correlated with those of algae and organic matter. Indeed, the utilization of the accumulated organic matter by bacteria seemed to be limited by an external factor such as temperature, salinity or toxins rather than by the nature of the organic substrates, which are partly composed of labile monomeric saccharides. Thus the disconnection of the microbial loop leading to the OM accumulation was highlighted in sea ice.</p><p><p align="justify">In addition the biofilm formed by TEP was also involved in the retention of cells and other compounds(DOM, POM, and inorganic nutrients such as phosphate and iron) to the brine channels walls and thus in the timing of release of ice constituents when ice melts. The sequence of release in marginal ice zone, as studied in a microcosm experiments realized in controlled and trace-metal clean conditions, was likely favourable to the development of blooms in the marginal ice zone. Moreover microorganisms derived from sea ice (mainly <10 µm) seems able to thrive and grow in the water column as also the supply of organic nutrients and Fe seems to benefit to the pelagic microbial community.</p><p><p align="justify">Finally, the influence of the remineralization of organic matter by heterotrophic bacterioplankton on carbon export and biological carbon pump efficiency was investigated in the epipelagic (0-100 m) and mesopelagic(100-700 m) zones during the summer in the sub-Antarctic and Polar Front zones (SAZ and PFZ) of the Australian sector (Southern Ocean). Opposite to sea ice, bacterial biomass and activities followed Chl a and organic matter distributions. Bacterial abundance, biomass and activities drastically decreased below depths of 100-200 m. Nevertheless, depth-integrated rates through the thickness of the different water masses showed that the mesopelagic contribution of bacteria represents a non-negligible fraction, in particular in a diatom-dominated system./</p><p><br><p><p align="justify">L’océan Antarctique (± 20% de la surface totale des océans) est un endroit essentiel pour la régulation du climat de notre planète grâce à sa capacité d’absorber le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique par des mécanismes physico-chimique et biologique. La pompe biologique à carbone est un processus majeur de fixation de CO2 par les organismes autotrophes à la surface de l’océan et de transfert de carbone organique vers le fond de l’océan. Ce processus est influencé par l’importance de la production primaire ainsi que par l’intensité de la reminéralisation de la matière organique dans la colonne d’eau. Ainsi, le cycle annuel de la glace via sa production/reminéralisation in situ mais aussi via l’ensemencement de l’océan avec des microorganismes et des nutriments organiques et inorganiques (en particulier le fer) a un impact sur le cycle du carbone dans l’Océan Antarctique, notamment en favorisant l’initiation d’efflorescences phytoplanctoniques dans la zone marginale de glace.</p><p><p align="justify">Plus précisément, nous avons étudié les interactions entre le réseau microbien (algues, bactéries et protozoaires) et la matière organique dans le but d’évaluer leurs impacts potentiels sur la pompe biologique de carbone dans l’Océan Austral. Deux écosystèmes différents ont été étudiés :la glace de mer et le milieu océanique grâce à des échantillons prélevés lors des campagnes de glace ARISE, ISPOL et SIMBA et lors de la campagne océanographique SAZ-Sense, couvrant une période allant de la fin de l’hiver à l’été.</p><p><p align="justify">La glace de mer est un environnement très particulier dans lequel les microorganismes planctoniques se trouvent piégés lors de la formation de la banquise et dans lesquels ils subissent des conditions extrêmes de température et de salinité, notamment. Les banquises en océan ouvert étudiées (0,3 à 1,2 m d’épaisseur, températures de -8.9°C à -0.4°C, volumes relatifs de saumure de 2.9 à 28.2% et salinités de saumures entre 10 et jusque >100) étaient composées de glace columnaire et granulaire. Les algues de glace étaient principalement des diatomées mais des flagellés autotrophes (tels que des dinoflagellés ou Phaeocystis sp.) ont été typiquement observés dans les couches de glace de surface. Les biomasses algales maximales se trouvaient généralement dans la couche de glace de fond sauf à SIMBA où les maxima se trouvaient en surface, probablement en raison de l’épaisseur des couches de neige et de glace, limitant la lumière disponible dans la colonne de glace. Au début du printemps, la croissance algale était contrôlée par l’espace disponible (càd le volume des saumures) tandis qu’au printemps/été, la disponibilité en nutriments majeurs a pu la contrôler. A toutes les saisons, des concentrations élevées en matière organique (MO) dissoute et particulaire on été mesurées dans la glace de mer par rapport à l’océan. Des monomères dissous (sucres et acides aminés) étaient accumulés dans la glace, surtout en hiver. Au printemps et été, les polysaccharides dissous dominaient le réservoir de sucres. La MO était présente sous forme de TEP qui par leurs propriétés de gel modifie l’habitat interne de la glace. Ce biofilm retient les nutriments et gêne le mouvement des microorganismes. La composition et la distribution de la MO dans la glace étaient en partie reliées aux algues de glace. De plus, la thermodynamique de la couverture de glace peut contrôler la distribution des microorganismes et de la MO, comme observé lors de la fonte de la glace à ISPOL et lors du refroidissement de la banquise à SIMBA. La distribution des bactéries n’est pas corrélée avec celle des algues et de la MO dans la glace. En effet, la consommation de la MO par les bactéries semble être limitée non pas par la nature chimique des substrats mais par un facteur extérieur affectant le métabolisme bactérien tel que la température, la salinité ou une toxine. Le dysfonctionnement de la boucle microbienne menant à l’accumulation de la MO dans la glace a donc été mis en évidence dans nos échantillons.</p><p><p align="justify">De plus, le biofilm formé par les TEP est aussi impliquée dans l’attachement des cellules et autres composés aux parois des canaux de saumure et donc dans la séquence de largage lors de la fonte. Cette séquence semble propice au développement d’efflorescences phytoplanctoniques dans la zone marginale de glace. Les microorganismes originaires de la glace (surtout ceux de taille < 10 μm) semblent capables de croître dans la colonne d’eau et l’apport en nutriments organiques et inorganiques apparaît favorable à la croissance des microorganismes pélagiques.</p><p><p align="justify">Enfin, l’influence des activités hétérotrophes sur l’export de carbone et l’efficacité de la pompe biologique à carbone a été évaluée dans la couche de surface (0-100 m) et mésopélagique (100-700 m) de l’océan. Au contraire de la glace, les biomasses et activités bactériennes suivaient les distributions de la chlorophyll a et de la MO. Elles diminuent fortement en dessous de 100-200 m, néanmoins les valeurs intégrées sur la hauteur de la colonne d’eau indiquent que la reminéralisation de la MO par les bactéries dans la zone mésopélagique est loin d’être négligeable, spécialement dans une région dominée par les diatomées.</p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les réchauffements climatiques associés aux activités anthropiques ont soumis les écosystèmes arctiques à des changements rapides qui menacent leur stabilité à court terme. La diminution dramatique de la banquise arctique est une des conséquences les plus concrètes de ce réchauffement. Dans ce contexte, comprendre et prédire comment les systèmes arctiques évolueront est crucial, surtout en considérant comment les flux de carbone (C) de ces écosystèmes - soit des puits nets, soit des sources nettes de CO2 pour l'atmosphère - pourraient avoir des répercussions importantes sur le climat. Le but de cette thèse est de dresser un portrait saisonnier de l’activité bactérienne afin de déterminer l’importance de sa contribution aux flux de carbone en Arctique. Plus spécifiquement, nous caractérisons pour la première fois la respiration et le recours à la photohétérotrophie chez les microorganismes du golfe d’Amundsen. Ces deux composantes du cycle du carbone demeurent peu décrites et souvent omises des modèles actuels, malgré leur rôle déterminant dans les flux de C non seulement de l’Arctique, mais des milieux marins en général. Dans un premier temps, nous caractérisons la respiration des communautés microbiennes (RC) des glaces de mer. La connaissance des taux de respiration est essentielle à l’estimation des flux de C, mais encore limitée pour les milieux polaires. En effet, les études précédentes dans le golfe d’Amundsen n’ont pas mesuré la RC. Par la mesure de la respiration dans les glaces, nos résultats montrent des taux élevés de respiration dans la glace, de 2 à 3 fois supérieurs à la colonne d'eau, et une production bactérienne jusqu’à 25 fois plus importante. Ces résultats démontrent que la respiration microbienne peut consommer une proportion significative de la production primaire (PP) des glaces et pourrait jouer un rôle important dans les flux biogéniques de CO2 entre les glaces de mer et l’atmosphère (Nguyen et Maranger, 2011). Dans un second temps, nous mesurons la respiration des communautés microbiennes pélagiques du golfe d’Amundsen pendant une période de 8 mois consécutif, incluant le couvert de glace hivernal. En mesurant directement la consommation d'O2, nous montrons une RC importante, mesurable tout au long de l’année et dépassant largement les apports en C de la production primaire. Globalement, la forte consommation de C par les communautés microbiennes suggère une forte dépendance sur recyclage interne de la PP locale. Ces observations ont des conséquences importantes sur notre compréhension du potentiel de séquestration de CO2 par les eaux de l’Océan Arctique (Nguyen et al. 2012). Dans un dernier temps, nous déterminons la dynamique saisonnière de présence (ADN) et d’expression (ARN) du gène de la protéorhodopsine (PR), impliqué dans la photohétérotrophie chez les communautés bactérienne. Le gène de la PR, en conjonction avec le chromophore rétinal, permet à certaines bactéries de capturer l’énergie lumineuse à des fins énergétiques ou sensorielles. Cet apport supplémentaire d’énergie pourrait contribuer à la survie et prolifération des communautés qui possèdent la protéorhodopsine. Bien que détectée dans plusieurs océans, notre étude est une des rares à dresser un portrait saisonnier de la distribution et de l’expression du gène en milieu marin. Nous montrons que le gène de la PR est présent toute l’année et distribué dans des communautés diversifiées. Étonnamment, l’expression du gène se poursuit en hiver, en absence de lumière, suggérant soit qu’elle ne dépend pas de la lumière, ou que des sources de photons très localisées justifie l’expression du gène à des fins sensorielles et de détection (Nguyen et al., soumis au journal ISME). Cette thèse contribue à la compréhension du cycle du C en Arctique et innove par la caractérisation de la respiration et de l’efficacité de croissance des communautés microbiennes pélagiques et des glaces de mer. De plus, nous montrons pour la première fois une expression soutenue de la protéorhodopsine en Arctique, qui pourrait moduler la consommation de C par la respiration et justifier son inclusion éventuelle dans les modélisations du cycle du C. Dans le contexte des changements climatiques, il est clair que l'importance de l’activité bactérienne a été sous-estimée et aura un impact important dans le bilan de C de l'Arctique. / Arctic ecosystems are undergoing rapid changes, primarily due to unprecedented climatic warming as a function of anthropogenic activities, which threaten their short-term stability. One of the most dramatic impacts has been the loss and change in annual sea ice. Understanding and predicting how these systems will evolve is crucial, especially if considering how carbon (C) fluxes from these ecosystems – either net sinks or net CO2 sources for the atmosphere – could have important repercussions on global climate. The objective of this thesis is to establish a seasonal portrait of bacterial activity to characterize its contribution to Arctic carbon fluxes. Specifically, we quantify for the first time microbial respiration in sea-ice and the water column and explore the use of photoheterotrophy by microorganism over an annual cycle in the Amundsen Gulf of the Arctic Ocean. These components of carbon cycling remain poorly understood and infrequently directly measured. As a consequence they are either extrapolated or omitted from models, despite their significant role in C dynamics not only in the Arctic, but also in marine systems in general. First, we characterise respiration in sea-ice microbial communities (CR). An understanding of respiration rates is essential for accurate estimation of C fluxes, but the role of respiration in sea ice is poorly understood. This work represents the first comprehensive evaluation of respiration in polar sea ice to date. Using novel O2 consumption measurements in sea-ice, we found high respiration rates in sea-ice, 2 to 3 times higher than in the water column and bacterial production rates up to 25 times higher. These results show that microbial respiration can consume a significant portion of sea ice primary production (PP) and play a key role in biogenic CO2 fluxes between sea-ice and the atmosphere (Nguyen and Maranger, 2011). Second, we measure respiration of pelagic microbial communities of Amundsen Gulf over an eight-month period, including under the winter ice-cover. By measuring directly O2 consumption, we show high CR, measurable over the whole year and greatly surpassing C inputs from PP. Globally, high C consumption by microbial communities supports a high reliance on internal recycling of local PP. These observations have important consequences on our understanding of the CO2 sequestering potential of the Arctic Ocean (Nguyen et al., 2012) Finally, we describe the seasonal patterns in presence (DNA) and expression (RNA) of the proteorhodospin (PR) gene, involved in bacterial photoheterotrophy. The PR gene, combined with the retinal chromophore, allows bacteria to capture energy from light towards energetic or sensory purposes. This additional energy source could contribute to the survival and proliferation of bacterial communities expressing the gene in the highly variable polar environment. Although PR has been found in many oceans, this study represents a unique time-series that follows the seasonal distribution and expression of the gene in a natural marine system. We show that the PR gene was present over the whole study period and widely distributed in diverse bacterial communities. Surprisingly, we observed continued PR expression over winter, in the absence of sunlight. This suggests either that the PR’s expression does not depend on light or, that other very localized photon sources could justify PR expression for detection and sensory functions (Nguyen et al., submitted to the ISME journal). This thesis contributes to the understanding of Arctic carbon cycling and includes several novel elements such as the characterization of respiration and bacteria growth efficiency in both pelagic and sea-ice habitats. The use of an alternative C pathway by bacteria in the Polar ocean was also explored for the first-time in a time-series. The observed sustained expression of the PR gene in the Arctic could modulate C consumption by respiration and justify its inclusion in future models of C cycling. In a context of climate change, it is clear that bacterial activity has been underestimated and how this will change in a warmer Arctic will have a significant impact in the ecosystem’s overall C budget.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

De récentes analyses statistiques de données satellitales et de bouées dérivantes ont révélé le caractère hautement hétérogène et intermittent de la déformation de la banquise Arctique, démontrant de ce fait que le schéma rhéologique visco-plastique utilisé traditionnellement en modélisation climatique et opérationnelle ne simule pas adéquatement le comportement dynamique des glaces ainsi que les efforts mécaniques en leur sein.Un cadre rhéologique alternatif, baptisé "Maxwell-Élasto-Fragile" (Maxwell-EB) est donc développé dans le but de reproduire correctement la dérive et la déformation des glaces dans les modèles continus de la banquise à l'échelle régionale et globale. Le modèle se base en partie sur un cade de modélisation élasto-fragile utilisé pour les roches et la glace. Un terme de relaxation visqueuse est ajouté à la relation constitutive d'élasticité linéaire ainsi qu'une viscosité effective, ou "apparente", laquelle évolue en fonction du niveau d'endommagement local du matériel simulé, comme son module d'élasticité. Ce cadre rhéologique permet la dissipation partielle des contraintes internes par le biais de déformations permanentes, possiblement grandes, le long de failles (ou "leads") lorsque le matériel est fortement endommagé ainsi que la conservation de la mémoire des contraintes associées aux déformations élastiques dans les zones où le matériel reste relativement peu endommagé.The schéma numérique du modèle Maxwell-EB est basé sur des méthodes de calcul variationnel et par éléments finis. Une représentation Eulérienne des équations du mouvement est utilisée et des méthodes dites Galerkin discontinues sont implémentées pour le traitement des processus d'advection.Une première série de simulations idéalisées et sans advection est présentée, lesquelles démontrent que la rhéologie Maxwell-Élasto-Fragile reproduit les caractéristiques principales du comportement mécanique de la banquise, c'est-à-dire la localisation spatiale, l'anisotropie et l'intermittence de la déformation ainsi que les lois d'échelle qui en découlent. La représentation adéquate de ces propriétés de la déformation se traduit par la présence de très forts gradients au sein des champs de contrainte, de déformation et du niveau d'endommagement simulés par le modèle. Des tests visant à évaluer la diffusion numérique découlant de l'advection de ces gradients extrêmes ainsi qu'à identifier certaines contraintes numériques du modèle sont ensuite présentés. De premières simulations en grandes déformations, incluant les processus d'advection, sont réalisées, lesquelles permettent une comparaison aux résultats d'une expérience de Couette annulaire sur de la glace fabriquée en laboratoire. Le modèle reproduit en partie le comportement mécanique observé. Par ailleurs, les différences entre les résultats des simulations et ceux obtenus en laboratoire permettent d'identifier certaines limitations, numériques et physiques, du modèle en grandes déformations. Finalement, le modèle rhéologique est utilisé pour modéliser la dérive et la déformation des glaces à l'échelle de la banquise Arctique. Des simulations idéalisées de l'écoulement de glace dans un chenal étroit sont présentées. Le modèle simule une propagation localisée de l'endommagement, définissant des failles en forme d'arche, et la formation de ponts de glace stables. / In recent years, analyses of available ice buoy and satellite data have revealed the strong heterogeneity and intermittency of the deformation of sea ice and have demonstrated that the viscous-plastic rheology widely used in current climate models and operational modelling platforms does not simulate adequately the drift, deformation and mechanical stresses within the ice pack.A new alternative rheological framework named ''Maxwell-Elasto-Brittle” (Maxwell-EB) is therefore developed in the view of reproducing more accurately the drift and deformation of the ice cover in continuum sea ice models at regional to global scales. The model builds on an elasto-brittle framework used for ice and rocks. A viscous-like relaxation term is added to a linear-elastic constitutive relationship together with an effective viscosity that evolves with the local level of damage of the material, like its elastic modulus. This framework allows for part of the internal stress to dissipate in large, permanent deformations along the faults/leads once the material is highly damaged while retaining the memory of small, elastic deformations over undamaged areas. A healing mechanism is also introduced, counterbalancing the effects of damaging over large time scales.The numerical scheme for the Maxwell-EB model is based on finite elements and variational methods. The equations of motion are cast in the Eulerian frame and discontinuous Galerkin methods are implemented to handle advective processes.Idealized simulations without advection are first presented. These demonstrate that the Maxwell-EB rheological framework reproduces the main characteristics of sea ice mechanics and deformation : the strain localization, the anisotropy and intermittency of deformation and the associated scaling laws. The successful representation of these properties translates into very large gradients within all simulated fields. Idealized numerical experiments are conducted to evaluate the amount of numerical diffusion associated with the advection of these extreme gradients in the model and investigate other limitations of the numerical scheme. First large-deformation simulations are carried in the context of a Couette flow experiment, which allow a comparison with the result of a similar laboratory experiment performed on fresh-water ice. The model reproduces part of the mechanical behaviour observed in the laboratory. Comparison of the numerical and experimental results allow identifying some numerical and physical limitations of the model in the context of large-deformation and laboratory-scale simulations. Finally, the Maxwell-EB framework is implemented in the context of modelling the drift and deformation of sea ice on geophysical scales. Idealized simulations of the flow of sea ice through a narrow channel are presented. The model simulates the propagation of damage along arch-like features and successfully reproduces the formation of stable ice bridges.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La calotte polaire Antarctique conditionne un flux d’eau douce dans l’océan Austral par deux voies d’égale importance : une injection immédiate et localisée par fonte des plateformes glaciaires, et une injection « offshore » et différée par production (« vêlage ») puis fonte d’icebergs. On estime ainsi que les icebergs, en fondant, pourraient modifier les caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques de la colonne d’eau. Les modèles numériques visant à estimer cet impact présentent des résultats contrastés. Ils sont limités dans leurs stratégies de représentations des icebergs, notamment parce que les connaissances sur la distribution spatiale et de taille des icebergs ou encore leurs mécanismes de perte de masse sont réduites. Une méthode récente exploitant des mesures par altimétrie satellitaire a permis la création d’une base de données cartographiant la distribution des icebergs Antarctiques avec une couverture spatiale et temporelle inédite. Notre analyse conjointe entre ces données et des champs de concentration en glace de mer met en lumière le transport d’eau douce injecté par les icebergs et son impact sur la banquise. On analyse également les liens entre icebergs de différentes tailles : les gros peuvent être vus comme des réservoirs de volume de glace, qu’ils diffusent dans tout l’océan en se fragmentant en petits icebergs de différentes tailles. On étudie alors l’évolution de deux icebergs géants, on propose une première paramétrisation du phénomène de fracturation et analyse la distribution de taille résultante. Ces résultats peuvent permettre une représentation plus réaliste du flux d'eau douce conditionné par les icebergs dans les modèles. / The Antarctic polar ice cap constrains a freshwater flaux into the Austral Ocean through two equally important pathways : a localized and immediate injection through the melting of ice-shelves bases, and a delayed offshore injection through the calving and subsequent melt of icebergs. Some studies reckon that melting icebergs have the capacity to alter the hydrological and biogeo-chemical characteristics of the water column. The numerical models trying to evaluate this impact have shown contrasting results. Yet, they might suffer from a poor representation of the icebergs, namely due to our limited knowledge on both the spatial and size distributions of the icebergs, or even the processes involved in their mass loss. A new method using satellite altimetry measurements has lead to the creation of a database mapping Antarctic icebergs distribution with an unprecedented spatial and temporal coverage. Our joint analysis between these data and sea ice concentration fields highlights a possible transport of the freshwater injected by an iceberg and its impacts on sea ice.We also analyze the links between icebergs of different sizes : the large ones can be seen as ice buffers that diffuse across the whole ocean when breaking into small fragments of various sizes. We finally study the evolution of two giant icebergs, suggest the first parametrization of the fragmentation process and analyze the subsequent size distribution of the fragments. These results can be valuable to account in a more realistic way the fresh water flux constrained by icebergs in models.

Abstract In this Ph.D. thesis sediment cores from the central Arctic Ocean, southwestern Barents Sea and sediment exposures from the Kola Peninsula were investigated in order to reveal interactions between the late middle Pleistocene and late Pleistocene Arctic ice sheets, between Marine Isotope Stages 6 and 1 (MIS 6 and MIS 1). One of the main objectives of this work is to establish provenance areas for the sediments studied in the central Arctic, the southwestern (SW) Barents Sea and the Kola Peninsula, their transport mechanisms and through that their relationship to glaciations in the Arctic and to development in the Kola Peninsula during the late middle and late Pleistocene. Mineralogical and geochemical data from the core 96/12-1pc on the Lomonosov Ridge, central Arctic Ocean was studied to evaluate ice transport from circum-Arctic ice sheets and variability in sediment drainage systems associated with their decay. SW Barents Sea sediments contain important information on Late Glacial and Holocene sediment provenance characteristics in relation to ice flow patterns and ice rafting from different regional sectors. The studied SW Barents Sea sediment cores show that sediments were most likely derived from a combination of far-field Fennoscandian sources, local subcropping Mesozoic strata below the seafloor and sea ice transport. The investigation carried out on the Kola Peninsula indicates that the Eemian (MIS 5e) marine environment in the White Sea Basin and onshore coastal areas gradually changed into a glaciolacustrine environment during MIS 5d to MIS 5a. Subsequently, the Scandinavian Ice Sheet (SIS) covered the Kola Peninsula, most probably during MIS 4. The final deglaciation of the SIS on the Kola Peninsula took place, however, during the late Weichselian (MIS 2) between 16–12 ka. / Tiivistelmä Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin sedimenttikairanäytteitä keskeiseltä Jäämereltä ja Lounais-Barentsinmereltä sekä tarkasteltiin sedimenttiseurantoja Kuolan niemimaalla tarkoituksena selvittää myöhäisen keskipleistoseeni- ja myöhäispleistoseeniajan Arktisten jääkenttien keskinäiset vuorovaikutukset erityisesti merellisten isotooppivaiheiden 6 ja 1 (MIS 6 ja MIS 1) välillä. Tämän työn yhtenä päätavoitteena on määritellä sedimenttien lähdealueet keskeisellä Arktiksella, lounaisella Barentsinmerellä ja Kuolan niemimaalla, sedimenttien kuljetusmekanismit ja näiden perusteella riippuvuudet Arktisiin jäätiköihin ja Kuolan niemimaalla tapahtuneeseen myöhäiskeski- ja myöhäispleistoseenin kehitykseen. Mineraloginen ja geokemiallinen tieto Lomonosovin harjanteen kairauksesta 96/12-1pc, keskeisellä Jäämerellä on perusta arvioitaessa jääkuljetusmekanismeja ympäröiviltä sirkum-Arktisilta jäätiköiltä ja arvioitaessa valuma-alueiden osuutta suhteessa näiden jäätiköiden häviämiseen. Lounaisen Barentsinmeren sedimentit sisältävät tärkeätä tietoja viimeisen jäätiköitymisen loppuvaiheen ja holoseeni-ajan sedimenttien lähdealueista ja suhteista jäävirtauksiin ja jääkuljetukseen eri aluesektoreilta. Tutkitut Lounais-Barentsinmeren sedimentit osoittavat, että sedimentit olivat todennäköisimmin peräisin suhteellisen kaukaisilta Fennoscandian lähdealueilta, paikallisista mesotsoosista merenpohjan kerrostumista ja merijään kuljettamasta materiaalista. Kuolan niemimaalla tehty tutkimus osoittaa, että Eem-kauden (MIS 5e) meriympäristö Vienanmeren altaassa ja rannikkoalueilla vähitellen muuttui glaciolakustriseksi ympäristöksi MIS 5d:n ja MIS 5a:n välisenä aikana. Sen jälkeen Skandinavian jääkenttä (SIS) peitti Kuolan niemimaan, todennäköisimmin koko MIS:n 4 ajanjakson. SIS:n lopullinen deglasiaatio alkoi Kuolan niemimaalla kuitenkin myöhäisen Veiksel-jääkauden (MIS 2) aikana noin 16–12 ka sitten.

The ongoing changes in the extent and the properties of sea ice, associated with the warming climate, are affecting the polar ecosystem and the interactions between the atmosphere, sea ice and the underlying waters. How sea ice biogeochemistry will change in the foreseeable future is currently uncertain, but is a crucial problem to tackle.<p>To better understand how sea ice biogeochemistry could change, we investigated the factors regulating the distribution of some dissolved compounds (e.g. nutrients, dissolved organic matter (DOM)) and gaseous compounds (e.g. Ar, O2, N2, CH4) in sea ice, from ice growth to ice decay. The results were obtained from a 19-day indoor experiment in Hamburg (Germany) and a five-month-long field survey in Barrow (Alaska). They were then compared to the physical properties of the ice (temperature, salinity, and other derived parameters such as brine volume fraction) and different biological parameters (bacterial activity, bacterial abundance, chlorophyll-a and phaeopigments).<p>Our work indicates that the physical properties of sea ice exert a strong influence on the distribution of the biogeochemical compounds in the ice, through their impact on brine dynamics, gas bubble formation and ice permeability. We have described 4 stages of brine dynamics, which affect the distribution of the dissolved compounds (e.g. silicate and DOM) in sea ice. However, inert gas (Ar) shows a different dynamic in comparison to the dissolved compounds, indicating a different transport pathway. We suggest that the formation of gas bubbles in sea ice is responsible for that different transport pathway, because gas bubbles should move upward owing to their buoyancy in comparison to brine, while dissolved compounds are drained downward due to gravity. Our observations further indicate that the critical permeability threshold for the upward gas bubble transport should range between 7.5 and 10 % of brine volume fraction, which is higher than the 5 % suggested for the downward brine transport. Increasing ice permeability and prolonged gas exchange tend to draw gas concentrations toward their solubility values, except when the under-ice water is supersaturated relative to the atmosphere (e.g. CH4) or when in-situ production occurs in sea ice (e.g. O2).<p>Because ammonium and O2 obviously accumulate in the ice layers where convection is limited, we suggest that the changes of these biogeochemical compounds in sea ice depend on the competing effect between the physical transport and the biological activity; the biological impact on these biogeochemical compounds in sea ice is obvious when the biological production rate exceeds largely the physical transport rate. We further discussed on the potential of using Ar and N2 as inert tracers to correct the physical controls on O2 and to determine the net community production in sea ice.<p>In addition to the physical and biological controls, the chemical properties of some biogeochemical compounds (e.g. nitrate, ammonium, DOM) may further influence their distribution in sea ice; further investigations are however needed to confirm this.<p>Finally, based on our findings, we present an update of the processes regulating the distribution of gases in sea ice, with references to recent observations supporting each of the process. We also provide some insights on how sea ice biogeochemistry could change in the future and the research priorities for an accurate quantification of these changes.<p><p>Les changements dans l’extension et les propriétés de la glace de la mer, liés au réchauffement climatique, affectent l’écosystème polaire, ainsi que les interactions entre l’atmosphère, la glace de mer et l’eau sous-jacente. Cependant, des incertitudes subsistent quant aux changements potentiels qui affecteront la biogéochimie de la glace de mer dans un futur proche.<p>Afin de mieux comprendre les changements potentiels qui affecteront la biogéochimie de la glace de mer, nous avons étudié les facteurs qui influencent la distribution de certains composés dissouts (e.g. nutriments, matière organique dissoute (DOM)) et gazeux (e.g. Ar, O2, N2, CH4) au sein de la glace de mer, depuis la croissance de la glace, jusqu’à sa fonte. Les résultats ont été obtenus à partir d’une expérience de 19 jours dans un bassin expérimental à Hambourg (Allemagne) et une étude de terrain de 5 mois à Barrow (Alaska). Ils ont été ensuite comparés aux propriétés physiques de la glace (température, salinité et autres paramètres dérivés) et à des paramètres biologiques (activité bactérienne, abondance bactérienne, chlorophylle-a et phaeopigments).<p>Nos travaux ont montré que les propriétés physiques de la glace exercent une forte influence sur la répartition des composes biogéochimiques dans la glace de mer, à travers leur impact sur la dynamique des saumures, la formation de bulles de gaz et la perméabilité de la glace. Nous avons décrit 4 stades dans la dynamique des saumures qui influencent la distribution des composés dissouts (e.g. silice et DOM) dans la glace. Cependant, le gaz inerte étudié (Ar) montre une dynamique différente de celle des composés dissouts, indiquant un mécanisme de transport différent. Nous suggérons que la formation de bulles de gaz dans la glace de mer est le mécanisme responsable de cette différence, parce que les bulles de gaz devraient migrer vers le haut, à cause de leur différence de densité par rapport aux saumures, alors que les saumures sont drainées vers le bas à cause de la gravité. Nos observations montrent également que le seuil critique de perméabilité pour l’ascension des bulles de gaz devrait se trouver entre 7.5 et 10 % de volume relatif en saumure ;seuil qui est plus élevé que les 5 % suggérés pour le transport de saumure vers le bas. L’augmentation de la perméabilité de la glace et les échanges de gaz prolongés tendent à amener les concentrations de gaz vers leur valeur de solubilité, sauf lorsque l’eau sous-jacente présente une sursaturation parrapport à l’atmosphère (e.g. CH4), ou lorsque une production in-situ se produit au sein de la glace (e.g. O2).<p>Etant donné que l’ammonium et O2 s’accumulent clairement dans les couches de glace où la convection est limitée, nous suggérons que les variations de ces composés biogéochimiques dans la glace dépendent de la balance entre le transport physique et l’activité biologique ;l’impact de cette dernière sur les composés biogéochimiques est particulièrement visible lorsque le taux de production biologique du composé excède largement la vitesse d’élimination du composé par le transport physique. Nous avons ensuite discuté du potentiel d’utiliser Ar et N2 comme traceurs inertes pour corriger l’impact des processus physiques sur les variations de O2, afin de déterminer la production communautaire nette dans la glace de mer.<p>Les propriétés chimiques de certains composés biogéochimiques (e.g. nitrate, ammonium, DOM) pourraient également influencer leur répartition au sein de la glace de mer, en plus des processus physiques et biologiques. Cependant, il est nécessaire d’avoir plus d’études à ce sujet pour confirmer cela.<p>Enfin, sur base de nos résultats, nous présentons une mise à jour des processus qui régulent la répartition des gaz dans la glace de mer, avec des références à des observations récentes qui illustrent chacun des processus. Nous donnons également un aperçu des changements qui pourraient affecter la biogéochimie de la glace de mer à l’avenir, et des pistes de recherches pour une quantification précise de ces changements. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished