Les régions arctiques sont soumises à une augmentation des températures atmosphériques de deux à trois fois plus rapide que celle de la moyenne planétaire, occasionnant une contraction rapide de la cryosphère, y compris une diminution de l’épaisseur, de l’étendue et de la durée du couvert de glace lacustre. Bien que plusieurs effets de la dégradation du couvert de glace soient documentés, peu d’observations ont été recueillies sur les lacs polaires couverts de glace pérenne. Le lac Ward Hunt, le lac le plus nordique du Canada, était jusqu’à récemment caractérisé par un couvert de glace qui a persisté au moins depuis 1953. Ce dernier s’est récemment rapidement dégradé faisant du lac Ward Hunt un lac sentinelle du réchauffement climatique dans l’Arctique. L’objectif de cette thèse était de définir la structure et le fonctionnement de ce lac comme modèle permettant de mieux comprendre la nature et les implications des changements subis par les lacs polaires ainsi que d’évaluer une série de questions et d’hypothèses concernant leurs gradients horizontaux et verticaux affectés par ces changements. Une approche spatio-temporelle a permis d’évaluer l’influence du couvert de glace sur la structure physicochimique et biologique du lac Ward Hunt. Des enregistrements à haute fréquence s’échelonnant sur 2 ans ont été obtenus à l’aide d’un mouillage installé dans la section profonde du lac Ward Hunt. Ces informations ont permis de comparer la dynamique saisonnière de température de l’eau, de fluorescence de la chlorophylle a et d’oxygène dissous entre une année où le couvert de glace a complètement fondu (2016) et une année où il a persisté (2017). La disparition du couvert de glace a provoqué un mélange, occasionnant une perte de chaleur, la température chutant de 6,5°C au fond à moins de 1°C sur toute la colonne d’eau. Le mélange a équilibré la concentration d’oxygène dissous dans l’eau (140% de saturation sous la glace) avec celle de l’air. En absence de glace, le mélange a diminué le rayonnement incident dans la colonne d’eau en remettant en suspension des sédiments et en favorisant une plus grande production de chlorophylle a telle que révélée par la fluorescence. La disparition du couvert de glace pourrait avoir stimulé la production primaire avec un maximum de fluorescence plus élevé et précoce en 2016. L’échantillonnage le long d’un transect reliant le littoral et le large a révélé deux patrons de variation des variables limnologiques physiques et biologiques, qui impliquaient un changement abrupt en marge du couvert de glace qui agissait comme démarcation entre la zone littorale et le large. Les résultats mettent en évidence le rôle écologique de l’étroite bande d’eau libre qui se forme autour du couvert de glace des lacs polaires en été (moat). Une analyse de la composition en acide gras des composantes du réseau alimentaire a permis d’identifier la source principale de nourriture pour le zooplancton des zones pélagique et littorale comme étant, respectivement, le seston et les communautés liées aux mousses. L’analyse de la structure verticale de la colonne d’eau en été a révélé que le couvert de glace, limitant les échanges directs avec l’atmosphère, favorise une stratification thermique inverse de la colonne d’eau et permet l’accumulation de chaleur malgré qu’il bloque de 40 à 60% de la lumière incidente. La radiation incidente qui atteint le fond du lac a tout de même permis la prolifération d’une luxuriante communauté benthique dont les stocks de pigments photosynthétiques étaient 10 à 100 fois supérieurs à ceux de la colonne d’eau. La stabilité de la colonne d’eau permet aussi une sursaturation d’oxygène pouvant atteindre 180% de l’équilibre atmosphérique et une accumulation de dioxyde de carbone, d’oxyde nitreux et de méthane. L’analyse optique de la colonne d’eau indique la présence de matière organique colorée qui a influencé le régime spectral de l’éclairement sous l’eau. Cette thèse apporte une vision intégrée de la structure des lacs couverts de glace pérenne au moment où ils amorcent une transition vers un couvert de glace saisonnier. Elle souligne l’importance du couvert de glace sur les variables limnologiques de la colonne d’eau en contrôlant l’éclairement disponible pour la photosynthèse et en limitant les échanges avec l’atmosphère induits par le vent, favorisant la stabilité de la colonne d’eau et l’établissement de forts gradients écologiques entre le littoral et le large. / Arctic regions are experiencing increases in atmospheric temperature at rates that are two to three times faster than the global mean. A rapid contraction of the cryosphere has resulted from this warming, with a decrease in lake ice cover thickness, area and duration. Several effects of degradation of the ice cover on lakes have been documented, but there is a lack of information concerning polar lakes covered by multi-year ice. Ward Hunt Lake, Canada’s northernmost lake, was until recently characterized by a perennial ice cover that remained in place from at least 1953 onwards. This ice cover degraded rapidly in the past few years, making Ward Hunt Lake a far northern sentinel of Arctic climate change. The main objective of this thesis was to define the structure and function of this lake as a model to better understand the nature and implications of changes that polar lakes are undergoing now and in the future, and to address a series of questions and hypotheses about their horizontal and vertical gradients in the face of these changes. The influence of the ice cover on the physicochemical and biological structure of Ward Hunt Lake was evaluated with a spatiotemporal approach. A 2-year, high-frequency record was obtained with a mooring installed in the deepest point of Ward Hunt Lake. This allowed comparison of the seasonal dynamics of water temperature, chlorophyll fluorescence and dissolved oxygen concentrations between a year where the ice cover completely disappeared (2016) and a year where it remained (2017). The seasonal disappearance of the ice cover resulted in the loss of heat in the water column due to mixing throughout the water column. Water temperatures, which reached 6.5°C at the bottom before mixing, dropped to 1°C in the whole water column. Complete mixing also caused dissolved oxygen concentration in the water column to reach equilibrium with the atmosphere whereas it rose to 140% saturation under the ice cover. During open water conditions, incident radiation declined in the water column due to sediment resuspension and increased chlorophyll a fluorescence. The loss of ice cover may have stimulated primary productivity, with a higher and earlier chlorophyll a fluorescence peak in 2016 than in 2017. Sampling along an inshore-offshore gradient revealed two patterns of physical and biological variation. Both patterns included an abrupt shift at the ice cover margin, which acts as a demarcation between the littoral and offshore zones. The results underscored the ecological role of the narrow ice-free water area (moat) that forms around the ice cover of polar lakes each summer. Principal food sources for zooplankton were identified through the analysis of fatty acid composition of the different components of the food web. The pelagic zooplankton diet was mainly composed of seston whereas communities associated with mosses dominated their diet in the littoral zone. High populations of chironomids in the genus Metriocnemus occurred in the benthos. Analysis of the vertical structure of the Ward Hunt Lake water column in summer showed that the ice cover, by limiting direct exchange with the atmosphere, allowed the onset of inverse thermal stratification and the accumulation of heat despite blocking 40 to 60% of incident radiation by reflection and attenuation. Incident radiation reaching the lake floor allowed the development of a rich benthic community, with photosynthetic pigment stocks that were one to two orders of magnitude above those in the overlying water column. The stability of the water column also limited gas diffusion, resulting in oxygen supersaturation up to 180% of air equilibrium and the accumulation of carbon dioxide, nitrous oxide and methane. Optical analysis of the water column indicated the presence of weakly colored dissolved organic matter that influenced the underwater spectral radiation regime. This study provides an integrated view of perennially ice-covered lakes at a turning point as they undergo transition towards a seasonal ice-cover regime. It highlights the importance of ice cover as a driver of limnological variables in the water column by controlling the availability of solar radiation for photosynthesis, and by limiting wind-induced exchanges with the atmosphere, thereby favoring water column stability and strong inshore-offshore gradients in many ecosystem features.

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 avril 2024) / Recouvrant la glace surélevée de Ward Hunt (traduction libre de *Ward Hunt Ice Rise, WHIR*) (Nunavut, Canada), des trous reconnus comme étant des points chauds de diversité microbienne avec des taux d'infection virale très élevés y sont retrouvés. La WHIR est actuellement stable, mais elle fait face aux conséquences des changements climatiques drastiques. Ce milieu naturel est éloigné des activités anthropiques et peut servir de référence avant d'être irréversiblement impacté. De plus, les communautés microbiennes des cryoconites ont su développer des gènes de résistance aux antibiotiques (GRA) loin de l'influence anthropique. Ainsi, les objectifs seront de caractériser la diversité et l'abondance virale et bactérienne dans l'eau de fonte et les sédiments des cryoconites. De plus, la présence de GRA, associés ou non aux virus sera identifiée. Les hypothèses sont les suivantes ; i) que les sédiments présentent une richesse relativement élevée de taxons viraux et bactériens par rapport à l'eau de fonte ; ii) que l'eau de fonte et les sédiments hébergeront des taxons spécifiques, entraînant un indice de dissimilarité élevé ; et iii) que les sédiments agiront comme un réservoir naturel de multiples GRA et que les virus joueront un rôle dans la dissémination de ces gènes. Une analyse par métagénomique a permis de conclure que l'eau de fonte présente une diversité microbienne plus élevée en comparaison avec les sédiments et que huit familles de GRA ont été retrouvées dans les sédiments de cryoconites, mais aucun GRA n'a été associé aux virus. Cette étude apporte donc de nouvelles données sur la diversité microbienne et recense la présence de GRA des cryoconites de l'Arctique canadien situés sur la WHIR. / Covering the Ward Hunt Ice Rise (Nunavut, Canada), meltwater-filled holes recognized as hotspots of microbial and viral diversity are present. While the Ward Hunt Ice Rise (WHIR) is currently stable, it is experiencing drastic climatic changes. Consequently, this pristine and remote environment can serve as a reference point for the future impacts of climate change. Moreover, cryoconite communities may support antimicrobial resistance gene (ARG) profiles, which have developed in isolation from anthropogenic antimicrobial pollution. Identifying environmentally intrinsic ARGs could serve as a comparative baseline to future community change. The objectives of this work were to characterize viral and bacterial diversity and abundance in meltwater and sediments. Additionally, the presence of ARGs within cryoconites was assessed, as was their association or lack thereof, with viral genomes. The hypotheses are: i) that sediments exhibit a relatively high richness of viral and bacterial taxa compared to meltwater; ii) that meltwater and sediments potentially harbor specific taxa, leading to a high dissimilarity index; and iii) it is hypothesized that sediments will act as a natural reservoir for multiple ARGs, with viruses playing a role in the dissemination of these genes. Metagenomic analyses revealed that meltwater represents the highest microbial diversity compared to sediments. Eight families of ARGs were identified in cryoconite sediments, but none were associated with viruses. This study provides new insights into microbial diversity and documents the presence of ARGs from Canadian Arctic cryoconites in the LIA.

Les plaques de glace forment de petites masses de glace et de neige permanentes qui sont considérées comme un stade intermédiaire dans le continuum neige-glacier. Elles sont omniprésentes dans les régions polaires, ce qui leur confère une fonction centrale dans l’hydrologie et la géomorphologie des versants. Pourtant, très peu d’études s’y sont intéressées jusqu’à présent. Acquérir des connaissances sur ces plaques apparait donc essentiel, non seulement pour comprendre leurs caractéristiques intrinsèques, mais aussi parce que cela ouvre des perspectives importantes pour comprendre la dynamique du géosystème polaire. Afin de répondre à ce besoin, cette thèse cherche à établir l'origine et le fonctionnement des plaques de glace à l’île Ward Hunt (Haut-Arctique canadien) et d’en comprendre les effets sur la dynamique de versant du désert polaire. Cette recherche sur les plaques de glace a été guidée par une approche multidisciplinaire, conduisant à des études glaciologiques, nivologiques, hydrologiques et biogéomorphologiques. Nos résultats ont montré que les plaques de glace se développent par l’aggradation de glace surimposée qui se forme suite au regel de l'eau de fonte à la base de l’accumulation de neige saisonnière. La texture et les propriétés physiques de cette glace varient en fonction de son âge et de l’intensité des processus de recristallisation. La variabilité spatio-temporelle des plaques de glace est principalement contrôlée par la topographie locale et les conditions micrométéorologiques. En hiver, les apports en neige dans les niches topographiques où se forment les plaques de glace sont assurés par le vent. En été, l’intensité de l’ablation est fortement influencée par le vent et le brouillard, qui modulent les échanges d’énergie à la surface des plaques. L'évolution des plaques de glace se caractérise par une stabilité à long terme due à un mécanisme d'autorégulation du bilan de masse assuré par le contexte topoclimatique. Cependant, en raison de leur petite taille, les plaques de glace peuvent disparaître rapidement lorsque l'ablation estivale dépasse un seuil à partir duquel les conditions topoclimatiques ne peuvent plus assurer leur préservation. À Ward Hunt, la présence des plaques de glace depuis au moins plusieurs siècles fait qu’elles ont fortement contribué au développement des versants. Les apports durables en eau et sédiments qui en découlent en été ont enclenché une suite de processus abiotiques et biotiques azonaux dans les marges pronivales. Il en a résulté la formation de systèmes biogéomorphologiques qui consistent en des lobes de solifluxion et des milieux humides colonisés par de la végétation et un couvert de croute biologique. Les modifications morphologiques et physiques du sol en aval des plaques de glace influencent le régime thermique de surface et les profondeurs de dégel. En outre, le développement des zones humides entraine une modification locale des propriétés physiques de la neige en exacerbant le métamorphisme cinétique qui aboutit à la croissance d’une couche de givre de profondeur à la base du manteau neigeux. En apportant une compréhension holistique des plaques de glace polaires, cette thèse permet des avancées empiriques et conceptuelles importantes qui contribuent à mieux comprendre la dynamique du géosystème de désert polaire à un moment charnière où ces environnements subissent en transition rapide en réponse au changement climatique. / Ice patches are small perennial masses of ice and snow that are considered as part of the continuum between seasonal snow and glacier. They are ubiquitous in the Polar Regions, which gives them an important function in slope hydrology and geomorphology. Ice patches have, however, received very little scientific attention so far. Gaining new knowledge on these cryospheric elements thus appears essential, not only to understand their intrinsic characteristics, but also because it holds important perspectives for understanding the dynamics of the polar geosystem. To address this need, this thesis aims to investigate the origin and functioning of the ice patches at Ward Hunt Island (Canadian High Arctic) and to understand their effects on polar desert slope dynamics. This research on ice patches was guided by a multidisciplinary approach, involving glaciological, snow, hydrological and biogeomorphological studies. Our results demonstrated that ice patches develop through the aggradation of superimposed ice that forms by the refreezing of meltwater at the base of the seasonal snowpack. The texture and physical properties of this ice vary according to its age and the intensity of recrystallization processes. The spatio-temporal variability of ice patches is mainly controlled by local topography and micrometeorological conditions. In winter, the snow supply to the topographic niches where ice patches form is provided by the wind. In summer, the intensity of ablation is strongly influenced by wind and fog, which modulate energy exchange at the surface of the patches. The evolution of ice patches is characterized by long-term stability due to a self-regulating mass balance mechanism provided by the topoclimatic context. However, because of their small size, ice patches can disappear very quickly when summer ablation exceeds a threshold at which topoclimatic conditions can no longer ensure their preservation. At Ward Hunt Island, the presence of the ice patches for at least several centuries makes them important drivers of slope development. Sustained meltwater and sediment supplies delivered by ice patches to their pronival margin have triggered a sequence of abiotic and biotic azonal processes. This led to the formation of a biogeomorphic system, consisting of solifluction lobes and humid zones colonized by vegetation and an organic crust cover. Morphological and physical changes in the soil downslope of the ice patches influenced the surface thermal regime and thaw depths. Furthermore, our results show that the humid zone development leads to a local modification of the physical properties of snow by enhancing kinetic metamorphism responsible for the growth of a depth hoar layer at the base of the snowpack. Through a comprehensive understanding of polar ice patches and their effects, this thesis provides important empirical and conceptual advances that contribute to a better understanding of polar desert geosystem dynamics at a pivotal time when these environments are undergoing a rapid transition in response to climate change.

Le Haut-Arctique est caractérisé par de nombreux phénomènes climatiques et géomorphologiques extrêmes. Les températures très froides, les faibles précipitations et la couverture végétale disparate permettent une pénétration en profondeur du froid dans le sol. Ceci, combiné à un grand nombre de cycles de gel et de dégel, donne naissance à différentes formes de surface qui affectent les dynamiques d’évolution du pergélisol et induisent une variabilité verticale et latérale de la distribution des teneurs en glace dans le sol. Ce mémoire porte sur l’influence d’un lobe de solifluxion de type rocheux sur les dynamiques d’évolution du pergélisol sur l’île Ward Hunt, Nunavut (Canada). En utilisant une approche cryostratigraphique, les objectifs sont de caractériser la cryostratigraphie d’un lobe de solifluxion, ce qui permettra de proposer un modèle d’évolution du pergélisol en lien avec le déplacement de matériel par solifluxion. L’analyse cryostratigraphique a révélé que la formation du lobe de solifluxion a mené au développement syngénétique d’une couche de pergélisol avec une teneur en glace variant en fonction de la morphologie du lobe, et à l’enfouissement et la préservation d’un corps de glace massive préexistant en bas de pente. La succession verticale et latérale des cryofaciès fait état du déplacement du lobe et de l’impact que ce dernier a sur la variabilité spatiale et temporelle du pergélisol, et ce, tant sur les aspects d’aggradation liés à l’accumulation de matériel en surface que sur les aspects de dégradation associés aux réchauffements climatiques actuels. / The high Arctic is characterized by many extreme climatic and geomorphologic phenomena. Very cold temperatures, low precipitation and sparse vegetation cover, permit a deep penetration of cold in the soil. The latter, combined with a great number of freeze-thaw cycles, give rise to different surface features which in turn affect permafrost evolution dynamics and induce a vertical and lateral variability of the ice content distributions in the soil. This thesis focusses on the influence of a stone-banked solifluction lobe on permafrost evolution dynamics on Ward Hunt Island, Nunvut (Canada). By using a cryostratigraphic approach, the objectives are first, to characterize the cryostratigraphy of a solifluction lobe and second, to propose an evolution model of permafrost in reaction to the downslope displacement of material by solifluction. The cryostratigraphic analysis revealed that the solifluction lobes formation lead to the development of a syngenetic layer of permafrost with an ice content that varied according to the morphology of the lobe, and to the burial and preservation of a pre-existing body of massive ice at the base of the slope. The vertical and lateral sequence of the cryofacies presents the displacement of the lobe and its impact on spatial and temporal variability of the permafrost, that being, the aspects of aggradation related to the accumulation of material at the surface as well as degradation due to the actual climatic warming.

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