Le mercure (Hg) est un composé toxique présent dans tous les compartiments de notre planète. Au sein de son cycle global, nous ignorons le rôle joué par le manteau neigeux, réservoir transitoire du Hg atmosphérique déposé sur sa surface. Nous avons donc développé un instrument pour mesurer les concentrations en Hg° dans l'air de la neige au Groenland et au Canada. Nous avons ainsi examiné sa réactivité chimique au lever du soleil polaire, au printemps et à la fonte des neiges. Nous avons ensuite discriminé en laboratoire les paramètres clés de cette réactivité. Nous montrons que la neige est à la fois puits et source de Hg° atmosphérique. Sous faible irradiation, Hg° est consommé par son oxydation par des espèces radicalaires. Au printemps par contre, Hg° est produit par des réactions photochimiques. Enfin, à la fonte plus de 85% du Hg présent dans la neige est transféré vers les eaux de fonte, ce qui nous fait craindre une contamination éventuelle des écosystèmes environnants.

Le mercure (Hg) est un composé toxique présent dans tous les compartiments de notre planète. Au sein de son cycle global, nous ignorons le rôle joué par le manteau neigeux, réservoir transitoire du Hg atmosphérique déposé sur sa surface. Nous avons donc développé un instrument pour mesurer les concentrations en Hg° dans l'air de la neige au Groenland et au Canada. Nous avons ainsi examiné sa réactivité chimique au lever du soleil polaire, au printemps et à la fonte des neiges. Nous avons ensuite discriminé en laboratoire les paramètres clés de cette réactivité.Nous montrons que la neige est à la fois puits et source de Hg° atmosphérique. Sous faible irradiation, Hg° est consommé par son oxydation par des espèces radicalaires. Au printemps par contre, Hg° est produit par des réactions photochimiques. Enfin, à la fonte plus de 85% du Hg présent dans la neige est transféré vers les eaux de fonte, ce qui nous fait craindre une contamination éventuelle des écosystèmes environnants.

Le travail s'articule autour de trois grandes questions. 1 - Comment e st née l a géomo rpholo gie paraglaciair e ? La première partie relève d'une approche épistémologique de la géomorphologie paraglaciaire. Le premier chapitre reprend les contributions scientifiques fondatrices du concept de paraglaciaire des années 1970, et les replace dans une perspective sémantique en analysant les travaux conduits depuis le 19e siècle sur les milieux englacés et leurs marges. Church et Ryder (1972) définissaient le terme de paraglaciaire comme " non-glacial processes conditioned by glaciation ". En 2002, Ballantyne a proposé une définition plus large du concept : " earth surface processes, sediments, landforms, landsystems and landscapes that are directly conditioned by former glaciation and deglaciation ". Le deuxième chapitre analyse donc les apports de trente années de recherche en géomorphologie paraglaciaire, reprend le concept de géosystème paraglaciaire et analyse les sous-systèmes (gravitaire, fluvial, lacustre, éolien, littoral, marin et socio-spatial) face aux séquences paraglaciaires. 2 - Qu'est -ce qu'une crise paraglaciaire ? La deuxième partie se propose de délimiter les contours de la géomorphologie paraglaciaire dans le cadre d'une approche spatio-temporelle. Le troisième chapitre étudie les changements climatiques susceptibles d'être à l'origine des crises temporelles paraglaciaires. Le quatrième chapitre définit les crises paraglaciaires et met l'accent sur les temporalités de ces moments clés dans l'histoire des environnements englacés. Sur le plan temporel, le paraglaciaire désigne avant tout une séquence morphologique, une crise d'érosion, qui suit la séquence glaciaire précédente. Ces crises s'illustrent par des temporalités variées, des accélérations des transferts sédimentaires surtout dans les matériaux meubles et une extension des emprises spatiales des phénomènes associées à la disparition des glaciers puisque le ruissellement redistribue les sédiments des zones proglaciaires jusqu'à la mer. Les versants sont soumis à des stress physiques générant des décohésions des parois. Les dépôts de versants sont affectés par des ravinements majeurs. Les systèmes fluviaux enregistrent des aggradations ou des dissections en fonction de la variabilité des apports, de l'énergie des processus, de la variabilité des niveaux de base locaux, régionaux ou globaux. Ils connaissent de profondes métamorphoses qu'illustrent les adaptations des variables morphologiques. Les littoraux meubles paraglaciaires bénéficient d'un apport tel en sédiments qu'ils progradent sur les marges des secteurs en phase de déglaciation. Des crises volcaniques sont également associées à ces crises climatiques et un volcanisme paraglaciaire s'observe dans des régions comme l'Islande. Les apports majeurs à la compréhension de ces crises paraglaciaires viennent des progrès technologiques pour évaluer les bilans sédimentaires et pour les dater. Une crise paraglaciaire est définie par des indicateurs comme les taux d'ablation, taux d'incision, taux de production primaire de débris, taux de transferts sédimentaires, taux de sédimentation. Ces indicateurs montrent qu'ils dépassent pendant un laps de temps t, d'un facteur n, les résultats enregistrés pendant la séquence t-1 et t +1. Cet écart est variable d'un indicateur à l'autre et d'un système à l'autre. La durée de la séquence paraglaciaire est donc d'une grande variabilité, mais doit être limitée à cette rupture temporelle dans l'évolution d'un environnement au cours duquel il est perturbé. 3 - Quels sont les apports de la géomorphologie paraglaciaire à la compréhension de l'évolution des milieux froids ? La troisième partie interroge des modelés des milieux froids pour appréhender la part du paraglaciaire ; du glaciaire et du périglaciaire dans leur évolution. Le cinquième chapitre détermine les formes paraglaciaires au sens strict. Les deux processus paraglaciaires par excellence sont d'une part la décohésion postglaciaire qui affecte les parois rocheuses et d'autre part, le ruissellement alimenté par la fonte de la glace des glaciers et celle de la glace morte qui remobilise les sédiments meubles. Ainsi, des formes d'ablation et d'accumulation associées à ces dynamiques sont elles représentatives de cette dynamique paraglaciaire (grands glissements, écroulements, éboulements massifs). En revanche, le ruissellement très actif au cours de la séquence paraglaciaire est à l'origine de la construction de formes de ravinement, d'incision et d'accumulation (cônes de déjection...). Les signatures sédimentologiques sont alors différentes et les vitesses de sédimentation sont plus élevées que lors des autres séquences morphogéniques. Toutes les zones de stockage (bas de versant, lacs, plaines alluviales, fjords...) offrent des espaces propices à l'évaluation de ces temporalités et des bilans sédimentaires associés. Le sixième chapitre reprend les grandes formes du " panthéon " glaciaire (cirques, vallées en auge, fjords, moraines, drumlins, eskers, kames) et périglaciaire (glaciers rocheux, tabliers et cônes d'éboulis) pour évaluer la part des séquences paraglaciaires dans la genèse et l'évolution de ces morphologies. Le terme de parapériglaciaire est défini. Le paraglaciaire est un concept clé pour comprendre l'évolution des milieux ayant été englacés et il recouvre une réalité très large sur le plan spatial puisqu'il peut s'appliquer à tous les espaces à la surface de la terre ayant été englacées au cours des séquences froides du Pléistocène et leurs périphéries, et qui ne le sont plus aujourd'hui, soit environ 40 % de la surface terrestre, auxquelles s'ajoutent les espaces de sédimentation offshore. Par ailleurs, il reste aujourd'hui environ 10 % d'espaces englacés, dont une fraction est susceptible de connaître une séquence de déglaciation dans le contexte actuel de réchauffement climatique. Né dans les années 1970 au Canada, le concept de paraglaciaire apporte incontestablement une clé de lecture pour la compréhension de l'évolution des paysages applicable à toutes les zones ayant connu directement ou indirectement des phases de glaciation-déglaciation. À l'heure d'une réflexion sur l'impact des changements climatiques sur les environnements, le concept de paraglaciaire ouvre des perspectives et renouvelle les approches géomorphologiques classiques en mettant l'accent sur les stocks sédimentaires, les flux, les bilans, les rythmes et les crises.

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

La photohétérotrophie est la capacité d'utiliser des substrats organiques et de capturer l'énergie lumineuse. Elle est pratiquée par les bactéries phototrophes anoxygéniques aérobies (BPAA), les bactéries contenant de la protéorhodopsine (BPR) et les picocyanobactéries (Synechococcus). Les augmentations de l'export fluvial de carbone organique et de l'exposition de l'océan aux radiations solaires s'intensifient en Arctique, rendant cette région intéressante pour étudier la place des photohétérotrophes dans l'utilisation du carbone et de la lumière. Par l'utilisation de multiples approches de quantification absolue, de diversité culturale et moléculaire, notre étude est la première à caractériser à haute résolution les photohétérotrophes dans l'Océan Arctique. Les picocyanobactéries n'ont été détectées que dans l'estuaire du Mackenzie alors que BPAA et B-PR étaient présentes en mer de Beaufort. La communauté PAA était liée aux apports fluviaux contrairement à celle des B-PR principalement oligotrophe. Les distributions de ces communautés présentaient des patrons différents de celles du bactérioplancton suggérant un avantage écologique de la photohétérotrophie dans ces eaux. La communauté PAA était dominée par un clade nouveau de Betaproteobacteria et par les Rhodobacterales. Les Alphaproteobacteria, notamment des SAR11 et des clades endémiques de SAR116, dominaient la communauté de BPR. La majorité des BPR exprimait activement la PR suggérant de potentiels bénéfices. L'ensemble de nos résultats montre que la photohétérotrophie est répandue dans l'Océan Arctique et suggère que son rôle pourrait être différent en fonction des conditions environnementales rencontrées.

L'ouverture prochaine du passage du Nord-Ouest amène des conceptions différentes quant à son statut juridique. Le Canada veut avoir la possibilité d'y empêcher la navigation étrangère tandis que les États-Unis le considèrent comme un passage international. Afin d'établir le bien-fondé ou non de ces deux positions, nous avons dû d'abord mesurer les efforts de souveraineté déployés par les autorités canadiennes sur la portion terrestre de l'archipel Arctique. La Guerre froide a marqué la période où l'intégralité territoriale du Canada a été le plus en danger. À ce moment, la présence américaine dans l'Arctique avait pour objectif de créer un mur de protection le plus loin possible des États-Unis, afin de se protéger d'une attaque soviétique. Néanmoins, le Canada n'a jamais vu les autorités américaines instituer un contrôle effectif, promulguer des lois et faire valoir leurs intentions sur ce territoire, qui auraient pu laisser croire qu'ils en revendiquaient aussi la souveraineté. Par ailleurs, en ce qui concerne le contrôle sur les eaux, les membres des expéditions américaines ont semblé reconnaître l'intériorité des eaux canadiennes vers le milieu des années 1920, en demandant des permis pour se rendre dans la région. Et au cours de la Guerre froide, les navires militaires américains ont été régularisés par des ententes de navigation avec les autorités canadiennes. Cependant, le contentieux sur la région n'était pas réglé pour autant. En effet, la traversée non autorisée du brise-glace américain Polar Sea dans le passage du Nord-Ouest en 1985 est venue bafouer les revendications historiques canadiennes. Le Canada a dû intérioriser ses eaux par des dispositions légales, c'est-à-dire par des lignes de base droites. Il a les critères géographiques pour ce faire; l'angle de la côte et le rapport eau/terre sont acceptables. Les Canadiens peuvent aussi faire valoir des arguments historiques: le long usage (par les Premières nations), les intérêts vitaux, l'exercice de la souveraineté, le contrôle effectif et l'absence de protestations formelles de la part d'autres États. L'Accord de coopération de 1988 entre le Canada et les États-Unis, fixant les modalités de certains passages de navires américains, a amenuisé l'impact du passage du Polar Sea. Même s'il n'y a jamais eu d'acquiescement de la part des Américains concernant l'intériorité des eaux canadiennes, leur tolérance a aidé à renforcer la position des Canadiens. La passivité des États-Unis semble être un critère aussi déterminant que les actions entreprises par le Canada afin de soutenir sa souveraineté dans l'archipel Arctique. Les jugements internationaux et les conventions ont été des référents essentiels pour établir la justesse des revendications canadiennes, autant sur le territoire terrestre que sur le territoire maritime de l'archipel. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Archipel Arctique, Arctique, Canada, Détroit international, Eaux intérieures, États-Unis, Frontière, Géopolitique, Passage du Nord-Ouest, Revendication territoriale, Sécurité nationale, Souveraineté.

Les impacts les plus rapides et intenses du changement climatique sont observés actuellement dans l'Océan Arctique. La grande sensibilité de cet environnement polaire a été révélée par la réduction exceptionnelle de la banquise ces derniers étés. Quels est l'impact de la fonte de la glace sur le phytoplancton et la prise de CO2 atmosphèrique ? La réponse à cette question s'appuie sur des observations obtenues durant deux campagnes océanographiques, réalisées en Arctique de l'Ouest, au cours des étés 2008 et 2010, années record de fonte de la banquise. Plusieurs paramètres caractérisent l'environnement physique (température, salinité, couvert de glace de mer) et les conditions de croissance du phytoplancton (lumière, nutriments). Des mesures de production primaire, pigments et taxonomie ont permis de décrire et quantifier les communautés phytoplanctoniques. La chimie des carbonates associée aux données d'hydrologiques et du phytoplancton permet d'estimer l'impact de la fonte de la glace sur la prise de CO2 atmosphérique. Les régions du front de glace, les eaux libres de glace des bassins profonds et du plateau continental, et celles englacées présentent des populations phytoplanctoniques et une chimie des carbonates différente. Le rôle de l'accumulation d'eau douce lié à la fonte (" freshening ") est évalué sur la biomasse et la structure des communautés phytoplanctoniques. L'impact de la dilution et de la désalinisation induit par le freshening est analysé sur la prise de CO2 et l'acidification des eaux arctiques. Les résultats obtenus pendant des étés de fonte record sont comparés à des données antérieures documentant des années pendant lesquelles l'Océan Arctique était plus englacé. Cette comparaison suggère que biomasses, production primaire, espèces de phytoplancton et pression partielle de CO2 de l'eau de surface sont modifiés dans un Océan Arctique affecté par l'accélération de la fonte de la glace.

La pollution de l'air peut être transportée sur des distances de plusieurs milliers de kilomètres par la dynamique de grande échelle. Elle affecte ainsi le climat et la qualité de l'air loin des régions sources. Durant leur transport, les panaches de pollution voient leur composition altérée par le mélange avec l'air environnant. Les modèles globaux eulériens utilisés pour calculer les bilans d'export de polluants ne représentent pas bien le transport des panaches du fait de leur faible résolution, ce qui induit des erreurs dans le calcul de ces bilans et dans les vitesses de réaction du fait de la non-linéarité de la photochimie atmosphérique. Cette thèse a pour but de contribuer à améliorer la compréhension et la quantification du mélange subi par les panaches de pollution dans la troposphère libre lors du transport à longue distance, et sa représentation dans les modèles numériques. Elle se focalise sur l'Arctique, une région vulnérable au changement climatique, où la distribution des gaz à effet de serre et des aérosols est fortement influencée par le transport de polluants depuis les moyennes latitudes. Les travaux effectués s'organisent autour de trois études de cas de transport dans la troposphère arctique, dans le cadre de la campagne aéroportée POLARCAT durant l'été 2008. Les résultats obtenus permettent d'estimer que l'intensité du mélange dans cette région est plus faible qu'aux moyennes latitudes. Ils montrent également qu'une approche lagrangienne permet de reproduire la variabilité des concentrations dans les panaches âgés, de simuler le transport des structures de petite échelle, et d'évaluer la variabilité de l'évolution des concentrations en ozone dans les panaches induite par les différents scénarios de mélange. Les résultats de ces modèles lagrangiens permettent aussi de jauger les performances des modèles globaux eulériens en terme de transport des polluants en Arctique, et de définir la résolution spatiale nécessaire pour représenter ce transport de façon satisfaisante. Les trois études présentées concordent sur l'importance de combiner les approches lagrangienne et eulérienne pour simuler le transport à longue distance dans les modèles numériques.

La région de l'archipel canadien, située en Arctique, connaît actuellement d'importants changements climatiques, se traduisant notamment par une augmentation des températures, une réduction de l'étendue de la banquise marine et du couvert nival terrestre ou encore une perte de masse significative des calottes glaciaires disséminées sur les îles de l'archipel. Parmi ces calottes glaciaires, la calotte Barnes, située en Terre de Baffin, ne fait pas exception comme le montrent les observations satellitaires qui témoignent d'une importante perte de masse ainsi que d'une régression de ses marges, sur les dernières décennies. Bien que les calottes glaciaires de l'archipel canadien ne représentent que quelques dizaines de centimètres d'élévation potentielle du niveau des mers, leur perte de masse est une composante non négligeable de l'augmentation actuelle du niveau des mers. Les projections climatiques laissent à penser que cette contribution pourrait rester significative dans les décennies à venir. Cependant, afin d'estimer les évolutions futures de ces calottes glaciaires et leur impact sur le climat ou le niveau des mers, ils est nécessaire de caractériser les processus physiques tels que les modifications du bilan de masse de surface. Cette connaissance est actuellement très limitée du fait notamment du sous-échantillonnage des régions arctiques en terme de stations météorologiques permanentes. Une autre particularité de certaines calottes de l'archipel canadien, et de la calotte Barnes en particulier, est de présenter un processus d'accumulation de type glace surimposée, ce phénomène étant à prendre en compte dans l'étude des processus de surface. Pour palier au manque de données, l'approche retenue a été d'utiliser des données de télédétection, qui offrent l'avantage d'une couverture spatiale globale ainsi qu'une bonne répétitivité temporelle. En particulier les données acquises dans le domaine des micro-ondes passives est d'un grand intérêt pour l'étude de surfaces enneigées. En complément de ces données, la modélisation du manteau neigeux, tant d'un point de vue des processus physiques que de l'émission électromagnétique permet d'avoir accès à une compréhension fine des processus de surface tels que l'accumulation de la neige, la fonte, les transferts d'énergie et de matière à la surface, etc. Ces différents termes sont regroupés sous la notion de bilan de masse de surface. L'ensemble du travail présenté dans ce manuscrit a donc consisté à développer des outils permettant d'améliorer la connaissance des processus de surface des calottes glaciaires du type de celles que l'on rencontre dans l'archipel canadien, l'ensemble du développement méthodologique ayant été réalisé sur la calotte Barnes à l'aide du schéma de surface SURFEX-CROCUS pour la modélisation physique et du modèle DMRT-ML pour la partie électromagnétique. Les résultats ont tout d'abord permis de mettre en évidence une augmentation significative de la durée de fonte de surface sur la calotte Barnes (augmentation de plus de 30% sur la période 1979-2010), mais aussi sur la calotte Penny, elle aussi située en Terre de Baffin et qui présente la même tendance (augmentation de l'ordre de 50% sur la même période). Ensuite, l'application d'une chaîne de modélisation physique contrainte par diverses données de télédétection a permis de modéliser de manière réaliste le bilan de masse de surface de la dernière décennie, qui est de +6,8 cm/an en moyenne sur la zone sommitale de la calotte, qui est une zone d'accumulation. Enfin, des tests de sensibilité climatique sur ce bilan de masse ont permis de mettre en évidence un seuil à partir duquel cette calotte voit disparaître sa zone d'accumulation. Les modélisations effectuées suggèrent que ce seuil a de fortes chances d'être atteint très prochainement, pour une augmentation de température moyenne inférieure à 1°C, ce qui aurait pour conséquence une accélération de la perte de masse de la calotte.

Les Eaux Atlantiques (AW) sont cruciales pour le budget de sel et de chaleur de l'Arctique. Ce doctorat apporte de nouvelles informations sur l'entrée des AW dans la région du nord Svalbard. Les plateformes IAOOS ont collecté pendant la campagne N-ICE2015 les premières données hydrographiques d'hiver de la région. Elles ont documentées des eaux chaudes peu profondes sur le talus continental du Svalbard qui ont généré des flux de chaleur océan-glace atteignant 400 W/m2 et faisant fondre la glace. Cette chaleur est amenée des AW vers la surface par des ondes quasi-inertielles causées par des tempêtes hivernales, de grandes marées barotropes sur des pentes raides et/ou des ajustements géostrophiques. Les extensions de glace sont très différentes entre 2015 et 2016. Les sorties du modèle opérationnel de Mercator Ocean (1/12°) suggèrent que les flux de chaleur orientés vers la surface et induits par la convection expliquent ces différences. En plus de la Svalbard Branch et de la Yermak Branch, le modèle présente un chemin robuste l'hiver à travers le plateau du Yermak: la Yermak Pass Branch. Enfin, le modèle suggère une activité méso-échelle importante le long du courant des AW. Les propriétés de la Yermak Pass sont examinées avec un an de données ADCP (2007-2008) dans la Yermak Pass. Le courant est dominé par la marée. En hiver, des tourbillons baroclines d'AW avec une périodicité de 5-10 jours et des entrées sporadiques d'AW tous les un/deux mois sont observés, transportant les AW vers l'Est. Le modèle suggère que la Yermak Pass Branch est une structure robuste d'hiver les 10 dernières années et transporte en moyenne 31% du transport volumique du West Spitsbergen Current. / The Atlantic Water (AW) inflow is crucial for the heat and salt budget of the Arctic. This PhD thesis brings new insights to the inflow of AW in the area north of Svalbard. The IAOOS (Ice Atmosphere Ocean Observing System) platforms were deployed during the N-ICE2015 expedition which gathered the first winter hydrographic data in the area. They document shallow warm water over the Svalbard continental slope that melts sea ice with ice-ocean heat fluxes reaching up to 400W.m-2. Heat is brought from the AW layer up to the surface through near-inertial waves generated by winter storms, large barotropic tides over steep topography and/or geostrophic adjustments. Sea ice extent largely differs between winters 2015 and 2016. 1/12° operational model outputs from Mercator-Ocean suggest that convection-induced upward heat fluxes explain the differences. Model outputs are also used to examine the AW inflow pathways : besides the Svalbard Branch and the Yermak Branch, the model shows an AW winter pathway not much documented before : the Yermak Pass Branch across the Yermak Plateau. Finally, the model suggests an important mesoscale activity throughout the AW flow. The Yermak Pass Branch properties are examined using one-year (2007-2008) of moored ADCP data in the Yermak Pass. The flow is largely dominated by tides. In winter, baroclinic eddies of AW with a periodicity of 5 to 10 days and pulses of AW monthly/bimonthly are found, carrying AW eastward through the Pass. Model outputs suggest that the Yermak Pass Branch is a robust winter pattern over the last 10 years, carrying on average 31% of the volume transport of the West Spitsbergen Current.