L’Océan Arctique est l’un des environnements où l’on retrouve les plus fortes variations saisonnières au monde. L’un des outils utilisés pour représenter et comprendre de tels environnements variables sont les modèles biogéochimiques. Néanmoins, ces modèles n’ont qu’une représentation sommaire des espèces métazoaires, telles que les copépodes, qui représentent pourtant jusqu’à 80% de la biomasse totale du zooplancton arctique. De plus, les espèces de copépodes composant la majorité de cette biomasse ont développé un mécanisme leur permettant de bénéficier au maximum de la production primaire concentrée l’été en Arctique, la diapause. Ce mécanisme a été documenté comme ayant un impact direct sur la phénologie des autres espèces de la communauté planctonique, ainsi que sur la biogéochimie de leur environnement. Ce projet de recherche vise à combler le manque de représentation de ce trait en l’incluant au sein d’un modèle biogéochimique dans le contexte particulier de l’Arctique représenté par des données environnementales prélevées dans le Gulf d’Amundsen. Nos résultats démontrent que sans le trait de la diapause, le modèle ne permettait pas la survie d’espèces de métazoaires. Grâce à l’utilisation de relations allométriques ainsi qu’au mécanisme de sélection naturel présent dans le modèle utilisé, nous observons qu’une seule espèce de métazoaire peut présenter une dynamique de diapause comparable à celles retrouvées dans la zone d’étude. Nous discutons ensuite de l’importance que ce trait peut avoir sur la phénologie des espèces planctoniques en raison de cascades impliquant des chaines trophiques courtes. Finalement, l’ajout d’une migration saisonnière dans le modèle actuel permettra à de futurs projets de recherches d’étudier les deux mécanismes biogoéchimiques liés à la diapause que sont la pompe à lipide ainsi que le « court-circuit lipidique » (lipid shunt).

L’océan Arctique subit actuellement des modifications majeures et abruptes dans ces compartiments atmosphériques et océaniques reliées au changement climatique. Les premières conséquences écologiques à la perte de la glace de mer sont indéniables, telles qu’une augmentation globale de la production primaire (PP) annuelle à travers l’Arctique. Cependant, dans certaines régions, des études suggèrent plutôt une perte de productivité en réponse à une intensification locale de la stratification verticale. La réponse des communautés arctiques phytoplanctoniques au changement climatique reste toujours une question d’actualité complexe et incertaine, ayant de potentiels impacts sur l’ensemble des niveaux trophiques des écosystèmes marins. L’objectif premier de cette thèse se concentre sur cette problématique, avec une emphase particulière sur la biogéographie, la phénologie (c.-à-d., l’étude des cycles biologiques récurrents annuels) et la productivité des communautés phytoplanctoniques arctiques. Plus spécifiquement, cette étude s’appuie sur deux approches de recherche complémentaires : (1) la compilation et l’analyse de bases de données historiques traitant de la répartition verticale et spatiale, de la productivité et de l’écologie du phytoplancton arctique, et de (2) l’utilisation de la télédétection pour décrire la biogéographie, la phénologie et les changements en cours au niveau des communautés phytoplanctoniques arctiques. Basée sur une compilation inédite de profils verticaux de chlorophylle a (chl a; c.-à-d., 5206 stations), nous avons documenté la variabilité spatio-temporelle de la répartition verticale du phytoplancton et des différents régimes de productivité (de régions oligotrophes à eutrophes) pour l’ensemble de l’océan Arctique. Un modèle empirique a également pu être développé prédisant la répartition verticale de la chl a basée sur les valeurs de chl a de surface en fonction des saisons et des provinces biogéographiques de l’océan Arctique. Ce modèle nous a permis d’améliorer les estimations satellitales de la PP, mais aussi de mieux comprendre l’écologie et la phénologie des communautés phytoplanctoniques. Un intérêt particulier s’est porté sur les mécanismes de formation et de maintien des maxima de chlorophylle de subsurface (MCS) et de leur contribution à la PP annuelle. Par leur position verticale dictée par les profondeurs combinées de la nitracline et des masses d’eaux atlantiques (dans l’Arctique de l’Est) et pacifiques (dans l’Arctique de l’Ouest), ces MCSs contribuent significativement à la PP principalement dans les régions oligotrophes et lors des périodes de post-floraison. Dans un second temps, l’utilisation de la télédétection nous a révélé une conséquence inattendue du recul de la glace de mer en Arctique au niveau de la phénologie du phytoplancton arctique. Les régions qui avaient une seule floraison annuelle il y a seulement une dizaine d’années, développent maintenant une deuxième floraison à l’automne. Cette nouvelle floraison, qui coïncide avec le retard de la prise des glaces et à l’exposition accrue de la surface de l’océan aux vents automnaux, implique que l’océan Arctique pourrait passer d’un mode polaire à un mode boréal. Des scénarios biogéographiques du devenir de la PP annuelle, étroitement liés à la phénologie, peuvent ainsi être définis en réponse au retrait du couvert de glace de mer. Ces prédictions nous aideront à mieux appréhender de possibles changements au niveau des communautés phytoplanctoniques, pouvant engendrer par la suite des répercussions sur le cycle du carbone et les écosystèmes marins arctiques. / The Arctic Ocean is currently experiencing major and abrupt changes in its atmospheric and oceanic compartments due to climate change. The first emerging ecological consequences to the loss of sea ice are undeniable, such as increasing annual primary production (PP) globally in the Arctic Ocean. However, in some areas, studies suggest a decrease in productivity in response to a local intensification of the vertical stratification of the upper water column. The response of phytoplankton communities to climate change remains complex and difficult to predict, with potential dramatic impacts extending through all trophic levels of marine ecosystems. The primary objective of this thesis explores this fundamental question, with a particular emphasis on biogeography, phenology (i.e., the study of annual recurring biological cycles) and productivity of Arctic phytoplankton communities. More specifically, this study is based on two complementary research approaches: (1) the compilation and analysis of historical databases covering the vertical and spatial distribution, productivity and ecology of Arctic phytoplankton, and (2) the use of remote sensing data describing the biogeography, phenology and ongoing changes in Arctic phytoplankton communities. Based on a unique compilation of vertical profiles of chlorophyll a (chl a; i.e., 5206 stations), we documented the spatio-temporal variability of the vertical distribution of phytoplankton and the range of productivity regimes (from oligotrophic to eutrophic regions) across the Arctic Ocean. An empirical model has also been developed to predict the vertical distribution of chl a based on surface chl a values depending on season and the province of the Arctic Ocean. The benefits of this model allow us to improve satellite-derived PP estimates and improve our understanding of the ecology and phenology of phytoplankton communities. Particular attention has been focused on the mechanisms of formation and maintenance of subsurface chlorophyll maximum (SCM) and their contribution to annual PP. On account of their vertical position, dictated by the depths of both the nitracline and Atlantic (in the Eastern Arctic) and Pacific (in the Western Arctic) waters, these SCMs appear important to PP, particularly in oligotrophic regions and during post-bloom periods. In a second step, the use of remote sensing could reveal an unexpected consequence of Arctic ice loss on Arctic phytoplankton. Regions that experienced a single annual bloom only a decade ago now develop a second bloom in the fall. This new bloom, which coincides with delayed freeze-up and increasing exposure of the sea surface to winds in the fall, implies that the Arctic Ocean may be shifting from a polar to a temperate mode. Biogeographic scenarios for the future of the annual PP, which is closely related to phenology, can thus be defined in response to the current receding sea-ice cover. These predictions will allow us to better anticipate the possible changes in phytoplankton productivity and community structure and the potential cascading repercussions on the carbon cycle and marine Arctic ecosystems.

Les floraisons printanières phytoplanctoniques sont plus précoces dans environ 11% de l’océan Arctique dû à un retrait plus hâtif des glaces au printemps. Quelles conditions d’éclairement et de photopériode sont nécessaires à l’initiation de cette floraison ? L’étude présentée vise à quantifier l’effet de l’éclairement et de la durée du jour sur la croissance de la Thalassiosira gravida. La T.gravida a été cultivée en laboratoire sous quatre régimes lumineux représentant une fonte précoce de la banquise aux mois de mars, avril, mai et juin dans la baie de Baffin. La T.gravida a montré une capacité de photoacclimatation lui permettant de maintenir un taux de croissance plus élevé et constant d’avril à juin. Les propriétés photosynthétiques de cette diatomée permettent sa croissance si la fonte printanière de la banquise survient au mois de mars. Toutefois, les conditions environnementales favorables à une floraison plus importante seraient celles des mois d’avril et mai.

Résumé : L'étude du couvert nival est essentielle afin de mieux comprendre les processus climatiques et hydrologiques. De plus, avec les changements climatiques observés dans l'hémisphère nord, des événements de dégel-regel ou de pluie hivernale sont de plus en plus courants et produisent des croutes de glace dans le couvert nival affectant les moeurs des communautés arctiques en plus de menacer la survie de la faune arctique. La télédétection micro-ondes passives (MOP) démontre un grand potentiel de caractérisation du couvert nival. Toutefois, a fin de bien comprendre les mesures satellitaires, une modélisation adéquate du signal est nécessaire. L'objectif principal de cette thèse est d'analyser le transfert radiatif (TR) MOP des sols, de la neige et de la glace a fin de mieux caractériser les propriétés géophysiques du couvert nival par télédétection. De plus, un indice de détection des croutes de glace par télédétection MOP a été développé. Pour ce faire, le modèle Microwave Emission Model of Layered Snowpacks (MEMLS) a été étudié et calibré afin de minimiser les erreurs des températures de brillance simulées en présences de croutes de glace. La première amélioration faite à la modélisation du TR MOP de la neige a été la caractérisation de la taille des grains de neige. Deux nouveaux instruments, utilisant la réflectance dans le proche infrarouge, ont été développés afin de mesurer la surface spécifique de la neige (SSA). Il a été démontré que la SSA est un paramètre plus précis et plus objectif pour caractériser la taille des grains de neige. Les deux instruments ont démontré une incertitude de 10% sur la mesure de la SSA. De plus, la SSA a été calibré pour la modélisation MOP a n de minimiser l'erreur sur la modélisation de la température de brillance. Il a été démontré qu'un facteur multiplicatif [phi] = 1.3 appliqué au paramètre de taille des grains de neige dans MEMLS, paramètre dérivé de la SSA, est nécessaire afin de minimiser l'erreur des simulations. La deuxième amélioration apportée à la modélisation du TR MOP a été l'estimation de l'émission du sol. Des mesures radiométriques MOP in-situ ainsi que des profils de températures de sols organiques arctiques gelés ont été acquis et caractérisés a fin de simuler l'émission MOP de ces sols. Des constantes diélectriques effectives à 10.7, 19 et 37 GHz ainsi qu'une rugosité de surface effective des sols ont été déterminés pour simuler l'émission des sols. Une erreur quadratique moyenne (RMSE) de 4.65 K entre les simulations et les mesures MOP a été obtenue. Suite à la calibration du TR MOP du sol et de la neige, un module de TR de la glace a été implémenté dans MEMLS. Avec ce nouveau module, il a été possible de démontré que l'approximation de Born améliorée, déjà implémenté dans MEMLS, pouvait être utilisé pour simuler des croutes de glace pure à condition que la couche de glace soit caractérisée par une densité de 917 kg m[indice supérieur _􀀀3] et une taille des grains de neige de 0 mm. Il a aussi été démontré que, pour des sites caractérisés par des croutes de glace, les températures de brillances simulées des couverts de neige avec des croutes de glace ayant les propriétés mesurées in-situ (RMSE=11.3 K), avaient une erreur similaire aux températures de brillances simulées des couverts de neige pour des sites n'ayant pas de croutes de glace (RMSE=11.5 K). Avec le modèle MEMLS validé pour la simulation du TR MOP du sol, de la neige et de la glace, un indice de détection des croutes de glace par télédétection MOP a été développé. Il a été démontré que le ratio de polarisation (PR) était très affecté par la présence de croutes de glace dans le couvert de neige. Avec des simulations des PR à 10.7, 19 et 37 GHz sur des sites mesurés à Churchill (Manitoba, Canada), il a été possible de déterminer des seuils entre la moyenne hivernale des PR et les valeurs des PR mesurés indiquant la présence de croutes de glace. Ces seuils ont été appliqués sur une série temporelle de PR de 33 hivers d'un pixel du Nunavik (Québec, Canada) où les conditions de sols étaient similaires à ceux observés à Churchill. Plusieurs croutes de glace ont été détectées depuis 1995 et les mêmes événements entre 2002 et 2009 que (Roy, 2014) ont été détectés. Avec une validation in-situ, il serait possible de confirmer ces événements de croutes de glace mais (Roy, 2014) a démontré que ces événements ne pouvaient être expliqués que par la présence de croutes de glace dans le couvert de neige. Ces mêmes seuils sur les PR ont été appliqués sur un pixel de l'Île Banks (Territoires du Nord-Ouest, Canada). L'événement répertorié par (Grenfell et Putkonen, 2008) a été détecté. Plusieurs autres événements de croutes de glace ont été détectés dans les années 1990 et 2000 avec ces seuils. Tous ces événements ont suivi une période où les températures de l'air étaient près ou supérieures au point de congélation et sont rapidement retombées sous le point de congélation. Les températures de l'air peuvent être utilisées pour confirmer la possibilité de présence de croutes de glace mais seul la validation in-situ peut définitivement confirmer la présence de ces croutes. / Abstract : Snow cover studies are essential to better understand climatic and hydrologic processes. With recent climate change observed in the northern hemisphere, more frequent rain-on-snow and meltrefreeze events have been reported, which affect the habits of the northern comunities and the survival of arctique wildlife. Passive microwave remote sensing has proven to be a great tool to characterize the state of snow cover. Nonetheless, proper modeling of the microwave signal is needed in order to understand how the parameters of the snowpack affect the measured signal. The main objective of this study is to analyze the soil, snow and ice radiative transfer in order to better characterize snow cover properties and develop an ice lens detection index with satellite passive microwave brightness temperatures. To do so, the passive microwave radiative transfer modeling of the Microwave Emission Model of Layered Snowpacks (MEMLS) was improved in order to minimize the errors on the brightness temperature simulations in the presence of ice lenses. The first improvement to passive microwave radiative transfer modeling of snow made was the snow grain size parameterization. Two new instruments, based on short wave infrared reflectance to measure the snow specific surface area (SSA) were developed. This parameter was shown to be a more accurate and objective to characterize snow grain size. The instruments showed an uncertainty of 10% to measure the SSA of snow. Also, the SSA of snow was calibrated for passive microwave modeling in order to reduce the errors on the simulated brightness temperatures. It was showed that a correction factor of φ = 1.3 needed to be applied to the grain size parameter of MEMLS, obtain through the SSA measurements, to minimize the simulation error. The second improvement to passive microwave radiative transfer modeling was the estimation of passive microwave soil emission. In-situ microwave measurements and physical temperature profiles of frozen organic arctic soils were acquired and characterized to improve the modeling of the soil emission. Effective permittivities at 10.7, 19 and 37 GHz and effective surface roughness were determined for this type of soil and the soil brightness temperature simulations were obtain with a minimal root mean square error (RMSE) of 4.65K. With the snow grain size and soil contributions to the emitted brightness temperature optimized, it was then possible to implement a passive microwave radiative transfer module of ice into MEMLS. With this module, it was possible to demonstrate that the improved Born approximation already implemented in MEMLS was equivalent to simulating a pure ice lens when the density of the layer was set to 917 kg m−3 and the grain size to 0 mm. This study also showed that by simulating ice lenses within the snow with there measured properties, the RMSE of the simulations (RMSE= 11.3 K) was similar to the RMSE for simulations of snowpacks where no ice lenses were measured (only snow, RMSE= 11.5 K). With the validated MEMLS model for snowpacks with ice lenses, an ice index was created. It is shown here that the polarization ratio (PR) was strongly affected by the presence of ice lenses within the snowpack. With simulations of the PR at 10.7, 19 and 37 GHz from measured snowpack properties in Chucrhill (Manitoba, Canada), thresholds between the measured PR and the mean winter PR were determined to detect the presence of ice within the snowpack. These thresholds were applied to a timeseries of nearly 34 years for a pixel in Nunavik (Quebec, Canada) where the soil surface is similar to that of the Churchill site. Many ice lenses are detected since 1995 with these thresholds and the same events as Roy (2014) were detected. With in-situ validation, it would be possible to confirm the precision of these thresholds but Roy (2014) showed that these events can not be explained by anything else than the presence of an ice layer within the snowpack. The same thresholds were applied to a pixel on Banks island (North-West Territories, Canada). The 2003 event that was reported by Grenfell et Putkonen (2008) was detected by the thresholds. Other events in the years 1990 and 2000’s were detected with these thresholds. These events all follow periods where the air temperature were warm and were followed by a quick drop in air temperature which could be used to validate the presence of ice layer within the snowpack. Nonetheless, without in-situ validation, these events can not be confirmed.

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La glace de mer Arctique connaît actuellement de profondes mutations dans sa structure et sa variabilité. Le déclin récent de la couverture estivale de glace de mer Arctique, qui a atteint un nouveau record en septembre 2012, a relancé l'intérêt stratégique de cette région longtemps oubliée. La prévision de glace de mer à l'échelle saisonnière est ainsi un problème d'océanographie opérationnelle qui pourrait intéresser nombre d'acteurs économiques (pêche, énergie, recherche, tourisme). De plus, en tant que conditions aux limites pour l'atmosphère, la glace de mer peut induire une prévisibilité de l'atmosphère à l'échelle saisonnière, au même titre que les anomalies de température de surface de l'océan sous les tropiques. Nous présentons dans cette thèse la construction d'un système de prévisions saisonnières dédié à la glace de mer Arctique avec le modèle couplé CNRM-CM5.1, développé conjointement par le CNRM-GAME et le CERFACS. Nous passons en revue la stratégie d'initialisation, la réalisation et l'évaluation des hindcasts (ou rétro-prévisions). La communauté dispose d'observations de concentration de glace de mer, mais de très peu de données d'épaisseur à l'échelle du bassin. Afin d'initialiser la glace de mer et l'océan dynamiquement et thermodynamiquement, nous avons choisi d'utiliser la composante océan-glace de mer de CNRM-CM5.1, NEMO-GELATO. L'initialisation consiste à forcer NEMO-GELATO avec les champs météorologiques issus de la réanalyse ERA-Interim, sur la période 1990-2010. Des corrections appliquées aux forçages basées sur des observations satellitaires et in-situ nous permettent d'obtenir une bonne simulation de l'océan et de la glace de mer en terme d'état moyen et de variabilité interannuelle. L'épaisseur reste néanmoins sous-estimée. Quelques propriétés de prévisibilité intrinsèque de la glace de mer Arctique sont ensuite présentées. Une étude de prévisibilité potentielle diagnostique nous a permis de distinguer deux modes de prévisibilité de la glace de mer à l'aide du volume et de la structure sous-maille d'épaisseur. Un " mode de persistance " concerne la prévisibilité de la couverture d'hiver. La surface de glace de mars est potentiellement prévisible à 3 mois à l'avance par la seule persistance, et dans une moindre mesure à l'aide des surfaces couvertes par la glace relativement fine. Un " mode de mémoire " concerne la prévisibilité de la couverture estivale. La surface de glace de septembre est potentiellement prévisible jusqu'à 6 mois à l'avance à l'aide du volume et surtout de la surface couverte par la glace relativement épaisse. Ces résultats suggèrent donc qu'une bonne initialisation du volume et de la structure d'épaisseur en fin d'hiver permettrait une bonne prévisibilité des étendues de fin d'été. Les prévisions d'été et d'hiver présentent des scores particulièrement encourageants, que ce soit en anomalies brutes ou en anomalies par rapport à la tendance linéaire. Cela suggère une prévisibilité liée à l'état initial et non aux forçages externes imposés. L'analyse des prévisions d'été montre que le volume et les structures d'épaisseur de l'état initial expliquent l'essentiel des différentes prévisions, ce qui confirme l'existence du " mode de mémoire " malgré un fort biais radiatif. L'analyse des prévisions d'hiver suggère que l'étendue initiale explique une partie des différentes prévisions, un indice du " mode de persistance " des prévisions hivernales. Une analyse régionale des prévisions d'hiver permet de préciser le rôle de l'océan dans ces prévisions, et montre dans quelle mesure nos prévisions pourraient être utilisées de manière opérationnelle, notamment en mer de Barents

La nucléation hétérogène de la glace est un processus, entre autres, qui concerne les phénomènes complexes de l'Atmosphère terrestre, cependant son impact est déterminant pour les propriétés et le temps de vie des nuages : ce processus affecte l'épaisseur optique et la durée de vie des nuages en phase mixte et froide et il est responsable d'une proportion significative des précipitations à l'échelle mondiale. La nucléation hétérogène de la glace est liée à la présence de particules d'aérosol spécifiques, nommées noyaux glaçogènes (acronyme INP depuis l’anglais), avec la propriété de réduire l’énergie de seuil exigée pour la formation des cristaux de glace, et dont le rôle est influent pour des températures de nuage >-38 °C. Dans les dernières décennies, des avancements significatifs ont été faits dans la description des noyaux glaçogènes, cependant leur compréhension reste incomplète et ceci influence les incertitudes sur les estimations de forçage radiatif dans les modèles climatiques. Il manque un grand nombre d’observations sur les distributions et propriété des 'INP' à l’échelle globale, spécialement en région éloignée. Dans la première partie de cette thèse, sont présentées des mesures de noyaux glaçogènes faites à l'Observatoire Climatique Italien "O. Vittori" sur la Montagne Cimone (2165 m au-dessus du niveau de la mer), pendant le printemps 2014 et l’automne 2015, sous les projets Bacchus et Air Sea Lab. Pour la première fois des mesures de INP hors ligne, reliés à un site de haute altitude du bassin méditerranéen sont présentées. Pendant la période du 19 au 29 mai 2014, une autre campagne a eu lieu en parallèle à la station San Pietro Capofiume, un site rural de basse altitude dans la Vallée du Po. Pendant quelques jours, les deux campagnes ont été concernées par un phénomène de Transport de Poussière Saharienne, qui a été enregistré simultanément dans la station de bas et de haute altitude. Nous avons examiné la concentration atmosphérique de INP activés à travers une congélation par condensation de vapeur (à -18°C et au-dessus de la pression de vapeur saturante). Dans la deuxième partie de cette thèse, sont présentées les observations qui ont été menées pendant la campagne arctique Parcs-Maca, dans la période de transition entre la nuit polaire et le jour polaire. Pour la première fois on reporte la caractérisation des propriétés glaçogènes et physiques/chimiques de l’aérosol marin primaire Arctique, dans une approche de génération contrôlée en laboratoire, qui a été combinée à une expérience de mesocosm. Le but de l'expérience de mesocosm était d'adopter une approche pluridisciplinaire afin d’étudier l'effet de la pollution marine sur les émissions marines. Nous avons trouvé une diminution modérée mais significative de la concentration de noyaux glaçogènes dans l'eau de mer polluée (par rapport à l'eau de mer du contrôle) pour des noyaux glaçogènes actives en congélation par immersion entre -8.5 et -19 °C. En ce qui concerne le spray marin, nos mesures indiquent une relation parmi les INP actifs à des températures chaudes (en congélation par immersion et au-dessus de -15 °C) et un enrichissement du Calcium détecté dans les filtres PM1 (suivi par un apparent épuisement du Chlorure). Sur la base de nos observations et des résultats publiés en littérature, quelque indication a été suggéré sur la nature de ces noyaux glaçogènes marins. En conclusion, les mesures effectuées dans cette thèse fournissent des nouvelles informations sur les concentrations de noyaux glaçogènes pour des particules d’aérosols en régions éloignées (un observatoire à haute altitude dans la région méditerranéenne centrale) et par rapport à une source spécifique (le spray marin Arctique). / Heterogeneous ice nucleation is one element inside the overall complexity of the Earth's atmosphere, however, it has a profound impact on our representation of cloud properties: this process affects the optical thickness and lifetime of mixed-phase clouds and cirrus clouds, and it is responsible for a significant proportion of precipitations formed globally. Heterogeneous ice nucleation is related to the presence of specific aerosol particles, named ice nuclei particles (INP), with the unique ability of lowering the energy barrier required for the formation of ice crystals, especially where cloud’s temperatures are >-38 °C. In the last decades, significant advancements have been made to the fundamental understanding of ice nucleation, however the lack of knowledge on the cloud ice phase still contributes to major uncertainties in climate model prediction of radiative forcing. This is partly due to limited observational data quantifying INP distributions and properties all over the world, especially in remote locations. In the first part of this thesis, field observations of ice nucleating particles have been performed at the Italian Climate Observatory “O. Vittori” on Mountain Cimone (2165 m above sea level), in the spring 2014 and autumn 2015, within the Bacchus and Air Sea Lab projects. For the first time we report the results of offline INP measurements, performed at a high altitude site within the Mediterranean basin. In the period 19-29 May 2014, a parallel campaign took place at the low-altitude station San Pietro Capofiume, a rural site in the Po Valley. The two campaigns were concerned, for a few days, by a Saharan Dust transport Event, which was recorded simultaneously at the high and the low-level station. We investigated the ambient number concentration of INP under condensation freezing activation mechanism (at -18 °C and above water saturation). In the second part of this thesis, we present the observations that were performed during the Arctic campaign Parcs-Maca, in the period of transition among the polar night and the polar day. We could characterise for the first time the ice nucleating and physical/chemical properties of the Arctic Primary Marine Aerosol, in a laboratory-controlled generation approach, that was combined to a mesocosm experiment. The aim of the mesocosm experiment was to adopt a multidisciplinary approach to study the effect of marine pollution on marine emissions. We found a moderate but significant decrease of the ice nuclei concentration in the polluted seawater (with respect to the control seawater) recorded in the freezing range between -8.5 and -19 °C and activated through immersion-freezing. Within the seaspray our measurements have indicated a relation among INP active at warm temperature (above -15 °C through immersion-freezing) and a calcium enrichment detected in PM1 filters (and followed by an apparent Chloride depletion). On the basis of our observations, and the results reported from other studies, a few suggestions on the nature of these marine ice nuclei have been suggested. In summary, the measurements made for this thesis provide new information on the concentrations of ice nuclei in ambient aerosol particles in remote regions (a high-altitude observatory in the central Mediterranean region) and in relation to a specific source (the Arctic sea spray).

L’hydrologie, la géochimie et la météorologie du petit bassin versant glaciaire à pergélisol continu du glacier Austre Lovén (10 km2, Spitsberg occidental, 79°N) ont été étudiées au cours des trois années hydrologiques 2010, 2011 et 2012 en vue de mieux définir le rôle des eaux souterraines de la nappe supra-pergélisol dans les flux d’eau et de solutés en sortie de bassin.Le travail de thèse a montré que la période d’écoulement survient en moyenne sur une période de 141 jours (σ = 4,5 jours) comprise entre les 9-10 mai et 26-27 octobre. La lame d’eau moyenne est de 0,940 m.a-1 (σ = 0,156 m.a-1) et se répartie à 79 % en eau de fonte (54 % de fonte de neige et de glace sur le glacier, 18 % de neige sur les versants et 7 % de neige dans la zone proglaciaire), 18 % en hauteurs de précipitation efficace et 3 % en décharge sous-glaciaire pérenne. Les incertitudes sur la quantification des composantes de l’écoulement et de la lame d’eau écoulée elle-même ne permettent pas une quantification plus précise des flux en eau de la nappe supra-pergélisol. Cette étude montrerait donc qu’en termes de flux d’eau, la composante d’eau souterraine supra-pergélisol pourrait être négligeable et ne constituer qu’un réservoir de transit de l’eau. En effet, le suivi piézométrique montre que la nappe dégèle et regèle à des profondeurs similaires malgré la présence d’épisodes de recharge. Ces recharges qui surviennent majoritairement au profit d’épisodes pluvieux importants (hauteurs cumulées sur 2 à 8 jours supérieures à 20 mm) se déchargent lentement par une alimentation de la rivière par la nappe. Les suivis thermiques du sous-sol ont enfin permis d’établir que le toit du pergélisol supposé se situe à une profondeur de 2,50 m pour une puissance de nappe pouvant atteindre plus d’1,70 m, soit 70 % de la couche active. Par ailleurs, les données thermiques montrent des températures du sous-sol à moins de 0,5°C de la température de dégel, laissant supposer une dégradation prochaine du pergélisol avec par conséquent un accroissement de l’épaisseur de l’aquifère de la nappe supra-pergélisol (couche active).Les données de géochimie montrent une augmentation de la minéralisation des eaux de surface du bassin par des contributions d’eau souterraine le long des cours d’eau, preuve que les eaux de la nappe supra-pergélisol impactent les flux de solutés aux exutoires. Les analyses en chimie élémentaire (n = 178) conduites sur les différents composants du système hydrologique montrent que les eaux du bassin possèdent un faciès sulfaté-bicarbonaté calcique à bicarbonaté-sulfaté calcique lié à l’altération des carbonates et des sulfures des moraines récentes et dans l’altération d’aluminosilicates dans les moraines plus anciennes. Les données d’isotopie du strontium (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr  ; n = 8) corroborent un apport du calcium dissous par les aluminosilicates de par leur signature radiogénique. Les teneurs en ¹³C du CID des eaux (n = 30) sont cohérentes aussi bien avec un système ouvert sur le CO₂ du sol (à -20 ‰) et le CO₂ atmosphérique (entre -6,5 et -8 ‰) qu’avec un système fermé sur le CO₂ où la signature de δ ¹³C des carbonates marins (à 0 ‰) peut s’imposer par dissolution. Les données d’isotopie de la molécule d’eau (n = 592) ont permis d’identifier les signatures des différentes familles d’eau composant l’hydrosystème et de proposer un modèle de mélange entre 4 pôles expliquant les signatures des eaux aux exutoires du bassin versant : eaux de fonte, précipitations estivales, eaux sous-glaciaires et eaux de la nappe supra-pergélisol. Le couplage entre les teneurs en ¹⁸O et SO²₄⁻ des eaux aux exutoires confirme ce modèle de mélange, le renforçant même en termes de variations temporelles. La mesure de ³H-³He tendrait vers un temps de séjour court tandis que les premières mesures d’activité ¹⁴C (n = 15) sont faibles, renseignant une minéralisation des eaux par un carbone ancien. / The hydrology, geochemistry and meteorology of a small, Arctic glacial watershed under continuous permafrost conditions (Austre Lovén glacier catchment area of 10 km2, western Spitsbergen, 79°N) were studied during the three hydrological years 2010, 2011 and 2012 to better define the role of suprapermafrost groundwater on both water and solute fluxes at basin outlet. The runoff period occurs on average over a 141 days period (σ = 4.5 days) between May 9-10 and October 26-27. The mean total discharge is 0.940 m a-1 (σ = 0.156 m a-1) divided into 79 % of meltwater (54 % of snowmelt and icemelt from the glacier, 18 % of snowmelt from the slopes and 7 % of snowmelt from the proglacial area), 18 % of effective summer precipitation and 3% of perennial subglacial discharge. Uncertainties in quantifying the runoff components and the total discharge itself don’t allow more precise quantification of water fluxes from the suprapermafrost groundwater by water balance. This study would so show that the suprapermafrost groundwater component would be negligible in the water balance and only constitute a transit tank for water. Indeed, the potentiometric level monitoring shows that the water-table thaws and freezes at similar depths despite recharge events occurring during summer. Those recharge events mainly occur in favor of important rain events (cumulative amounts on 2 to 8 days higher that 20 mm). The water-table discharges towards rivers. The monitoring of ground temperature indicates that the frozen ground (supposed permafrost) top is located at a maximum depth of 2.50 m for a groundwater thickness reaching up to 1.70 m, or 70 % of the active layer. Thermal data show ground temperatures between 0 and - 0.5°C, close to thaw temperature, which let suppose a permafrost degradation between 2.50 and 3.40 m deep is about to occur due to climate warming. Consequently, the suprapermafrost groundwater aquifer (active layer) is expected to thicken. Geochemical data show an increase of the basin surface water mineralization by groundwater contribution along the rivers, proof of a suprapermafrost groundwater impact on the solutes fluxes at the outlets. Elementary chemical analyses (n = 178) performed on the different components of the hydrological system show that basin waters have a sulfate-bicarbonate calcium to bicarbonate-sulfate calcium type linked to carbonates dissolution and sulfides (pyrite) oxydation in the recent moraines and to aluminosilicates weathering in older moraines. Strontium isotopic data (87Sr/86Sr; n = 8) are consistent with a contribution in dissolved calcium from aluminosilicates according to their radiogenic signature. The ¹³C contents of water DIC (n = 30) are consistent just as well with a system open on the soil CO₂ (at -20 ‰) and the atmospheric CO₂ (between -6.5 et -8 ‰) than with a system closed on the CO₂ where the δ ¹³C of marine carbonates (at 0 ‰) control the δ ¹³C signature by dissolution. Isotopic data of the water molecule (n = 592) are helpful to separate the signatures of the different water masses of the hydrosystem and to propose a 4 end-members mixing model explaining the river water signature: meltwaters, summer precipitations, subglacial water and suprapermafrost groundwater. The coupling between river water contents in ¹⁸O and SO²₄⁻ confirms this mixing model, even reinforcing it in terms of temporal variations. The unique measurement of ³H-³He tends to a short residence time while the first ¹⁴C activity data (n = 15) are low, giving a water mineralization by an old carbon.

L’intérêt pour l’Arctique s’est développé à travers l’environnement et les changements climatiques, avec avant tout la question du réchauffement climatique, qui bouleversent grandement cette région. Ces évolutions amènent aussi bien de nombreuses menaces que des opportunités importantes, qui demandent toutes une coopération approfondie pour y répondre. La protection de l’environnement, l’accès et la gestion des ressources (naturelles, énergétiques, halieutiques, etc.), l’utilisation des routes maritimes, la délimitation des limites maritimes et limites extérieures du plateau continental, le respect des droits de l’homme et des droits des peuples autochtones, l’aspect stratégique et militaire sont des exemples des nombreux enjeux qui existent en Arctique. La coopération arctique, qui se structure de manière plus prononcée depuis la fin de la Guerre froide, se trouve devant des défis importants qui demandent son approfondissement. Tous ces enjeux dépassent la seule coopération entre les Etats arctiques, d’autant plus que les conséquences et les intérêts présents sont mondiaux. A la multitude de domaines de coopération s’ajoute donc une congruence d’acteurs, arctiques et non-arctiques avec, de manière classique, les organisations internationales, les organisations non-gouvernementales et les multinationales, mais également les régions, les organisations interparlementaires, les peuples autochtones ou encore les associations scientifiques. La complexité de la situation se traduit au niveau de la coopération, qui fait face aux tensions aussi bien entre les acteurs arctiques qu’entre les acteurs arctiques et non-arctiques. Deux processus contradictoires semblent donc structurer la coopération avec d’une part une régionalisation et d’autre part une internationalisation. La coopération entre les acteurs arctiques se bâtit ainsi autour de nombreuses institutions internationales dont la structure et le rôle sont voués à évoluer, avec comme institution centrale le Conseil de l’Arctique, tout en se fondant sur des coopérations internationales globales, avec comme instrument essentiel la Convention sur le droit de la mer de 1982. La coopération arctique semble constituer un modèle intéressant reposant sur une flexibilité qui doit permettre une adaptation, d’autant plus importante dans une région exposée à des évolutions rapides. Elle utilise une structure unique mettant en avant une action multiniveaux et multi-acteurs en gardant un équilibre entre hard law et soft law. Si la coopération arctique structure une véritable région arctique avec une importance grandissante sur l’arène internationale, les liens entre le monde et cette région restent incertains. L’ouverture aux acteurs extra-arctiques est nécessaire, mais fait face à la réticence de certains acteurs arctiques. L’Arctique se pose comme un nouvel objet des relations internationales et peut même en devenir un acteur, mais doit répondre aux dangers qui peuvent exister pour la coopération dans cette région, dangers qui semblent avant tout venir de causes exogènes. La coopération arctique nécessite donc une analyse approfondie des enjeux qu’elle présente ainsi que des contradictions et paradoxes qui semblent y exister. Cette thèse vise ainsi à étudier la coopération arctique en mettant en exergue ses mécanismes et spécificités tout en analysant les relations qu’elle peut entretenir avec les acteurs extra-arctiques et la manière dont elle s’intègre dans les relations internationales. / The interest in the Arctic has grown through the environmental issues and climate change that deeply altered the region, especially with the impact of the global warming. These changes bring many threats but also important opportunities, and require a deeper cooperation to respond to them. The protection of the environment, the management of Arctic resources (natural, fishery, etc.), the use of sea routes, the delimitation of maritime boundaries, the respect of human rights and of indigenous peoples rights, the strategic and military aspects are all examples of the issues that coexist in the Arctic. They highlight the challenges that the cooperation in the Arctic is facing. None of these issues could solely be managed by the cooperation between the Arctic States, as their consequences and the interests at stake are global. In addition to the multitude of areas of cooperation, there is a congruence of actors: Arctic and extra-Arctic ones such as international organizations, non-governmental organizations, multinational corporations, but also regions, inter-parliamentary organizations, indigenous peoples or scientific associations. The complexity of the situation is perceptible in the way the Arctic cooperation is established. Tensions exist both among the Arctic actors and between Arctic and extra-Arctic actors. Two contradictory processes seem to structure the cooperation with the regionalization on the one hand, and the internationalization on the other hand. Thus, cooperation between Arctic stakeholders is built around many international institutions, which structures and roles will certainly evolve. The central structure of the Arctic cooperation is the Arctic Council – a regional institution. At the same time, the cooperation in the Arctic region is based on global international cooperations, with essential instruments as the Convention on the law of the sea of 1982. Arctic cooperation seems to be an interesting model based on flexibility that should enable adaptation, which is especially important in a region so deeply exposed to fast changes. It is based on a unique structure emphasizing multi-level and multi-stakeholder actions, keeping a balance between hard and soft law. If the Arctic cooperation builds a real Arctic region with a growing importance in the international arena, the ties between the world and the region remains uncertain. The inclusion of extra-Arctic actors is necessary but it is facing resistance from a part of the Arctic actors. Arctic arises as a new object of international relations and may even become a new actor, but it must respond to the dangers that may exist for cooperation in this region, dangers that seem to come especially from exogenous causes. Therefore, Arctic cooperation requires a thorough analysis of the issues it is faced with as well as its contradictions and paradoxes. This thesis aims to study the Arctic cooperation highlighting its mechanisms and particularities as well as to analyze relationships that it can develop with extra-Arctic actors and how it incorporates into international relations.

A cause d’une anthropisation toujours plus forte des écosystèmes, de plus en plus de menaces pèsent sur la biodiversité. Parmi celles-ci, l’exposition aux contaminants est particulièrement problématique pour les organismes vivants. Emis et utilisés dans les pays industrialisés, ces contaminants hautement persistants dans l’environnement vont gagner les régions polaires puis se bio-accumuler dans les organismes vivants au cours du temps et se bio-amplifier le long du réseau trophique. Ainsi, les oiseaux marins, longévifs et situés dans les maillons supérieurs de la chaine alimentaire, sont particulièrement exposés et vulnérables à une exposition chronique à ces contaminants. A travers une perturbation endocrinienne, ces contaminants vont pouvoir impacter certains mécanismes physiologiques et traits comportementaux, entrainant in fine des conséquences à long-terme sur la fitness des individus et populations. Ma thèse s’articule autour de trois grandes familles de contaminants : i) les composés perfluoroalkylés (PFASs), encore largement utilisés dans plusieurs secteurs industriels et agricoles et en augmentation dans l’environnement ; (ii) les composés organochlorés dits « d’héritage » (OCs), interdits depuis des années mais entrainants toujours des effets délétères sur la biodiversité et (iii) le mercure (Hg), métal lourd non-essentiel ayant une origine à la fois anthropique et naturelle. Basé sur une approche corrélative in natura, je me suis intéressé aux conséquences physiologiques et comportementales d’une exposition chronique à ces trois grandes familles de contaminants présents chez la mouette tridactyle (Rissa tridactyla) de l’Arctique Norvégien (Svalbard) au cours de son cycle reproducteur (depuis l’accouplement jusqu’à l’élevage des poussins). Spécifiquement, j’ai étudié les relations entre ces contaminants et la fertilité (morphologie et motilité des spermatozoïdes), l’expression des signaux sexuels (visuel : coloration des téguments, olfactif : signature chimique), les comportements de soins parentaux (température d’incubation et rotation de l’œuf), le vieillissement cellulaire (longueur des télomères) et la dépense énergétique (métabolisme de base). Je me suis également penché sur de potentiels mécanismes sous-jacents permettant d’expliquer ces relations. Puisque ces mécanismes physiologiques et comportementaux sont fortement impliqués dans la valeur sélective des individus, les possibles conséquences à long terme de cette exposition sur la reproduction et survie des individus sont discutées. Ce travail permet de souligner la forte toxicité de certains composés organochlorés « historiques » (en particulier les chlordanes) et d’apporter de toutes nouvelles connaissances sur la toxicité très mal connue des PFASs chez la faune sauvage. Fait important, ce travail de thèse révèle que les PFASs et les OCs pourraient agir de manière contrastée sur plusieurs mécanismes physiologiques et traits comportementaux. Spécifiquement, une forte exposition à l’oxychlordane, un métabolite du chlordane, pesticide interdit depuis des décennies, est associée à des télomères plus courts, une réduction du métabolisme de base et à une moindre capacité à incuber les œufs. A l’inverse, on observe une élongation des télomères, une augmentation du métabolisme de base et une rotation des œufs accrue chez les individus les plus exposés aux PFASs. Le Hg, au moins en ce qui concerne les paramètres étudiés, ne semble pas jouer un rôle majeur. Cette étude souligne l'importance de tenir compte de plusieurs groupes de contaminants lorsqu'on étudie les conséquences de l'exposition aux contaminants environnementaux chez la faune sauvage. / Due to increasing human activities, a growing number of threats are challenging the fate of biodiversity. Among them, environmental contamination is particularly concerning for living organisms. Used and released in industrialized countries, these highly persistent contaminants can reach remote areas such as the Arctic ecosystem and will biomagnify though food webs and bioaccumulate in organisms. Long-lived seabirds are located in the upper levels of the food chains and thus particularly exposed and sensitive to a chronic contaminants exposure. Through endocrine disruption, these contaminants can impact physiological mechanisms and behavioural traits, inducing in fine, long-term fitness consequences on individuals and populations. My thesis focuses on three groups of contaminants: (i) poly- and perfluoroalkyl substances (PFASs), still broadly used in a vast array of industrial processes and increasing in the Arctic; (ii) “legacy” organochlorine contaminants (OCs, pesticides and industrial compounds), banned from use but still well present in the Arctic and (iii) mercury (Hg), a non-essential metal coming of both natural and anthropic origins. Based on a correlative approach conducted in natura, I investigated the physiological and behavioural consequences of exposure to these contaminants during the whole breeding cycle (from pre-laying to chick-rearing period) in an Arctic seabird, the black-legged kittiwake (Rissa tridactyla) from Svalbard, Norwegian Arctic. Specifically, I examined the relationships between several PFASs, OCs, Hg and fertility (sperm morphology and motility), sexual signaling (visual: integument coloration and olfactory: chemical signature), parental care behaviors (incubation temperature and egg-turning), ageing (telomere length) and energy expenditure (basal metabolic rate). In addition, some potential underlying mechanisms were also studied to better understand the way through which contaminants can be detrimental for kittiwakes. Furthermore, since physiological mechanisms and behavioral traits investigated here are tightly involved in self maintenance and reproduction, possible effects on fitness are then discussed. This PhD work underlines the major role of certain legacy chlorinated organic compounds (e.g. chlordanes) and significantly contributes at documenting the poorly known toxicological consequences of PFASs exposure in wildlife. Importantly, this PhD shows that PFASs and OCs could impact ageing, energy expenditure and some parental care behaviors in a contrasted manner. Specifically, oxychlordane, a metabolite of a banned organochlorine pesticide was associated with decreased telomere length, lowered metabolic rate and reduced ability to incubate the eggs. Conversely, elongated telomere, increased BMR and enhanced egg rotation were observed in birds bearing the highest concentrations of PFASs. Finally, at least for the considered endpoints, Hg appears as a coming minor threat for kittiwakes. This study highlights the importance of considering several groups of contaminants when investigating the consequences of environmental contaminants exposure in wildlife.