Dans le cadre de la présente étude, un modèle géothermique tridimensionnel du pergélisol a été développé pour la toute première fois à l’échelle locale d’un village nordique afin d’évaluer les impacts des changements climatiques sur le pergélisol. Ce village est celui de Salluit au Québec nordique dans la zone de pergélisol continu. La majeure partie des infrastructures de ce village sont fondées sur un pergélisol salin riche en glace vulnérable aux changements climatiques. Le code numérique d’HydroGeoSphere a été modifié pour simuler la transmission de la chaleur par conduction avec changement de phase et tenir compte de la variation des propriétés thermiques du sol avec la température. Différents scénarios de changements climatiques lors du prochain siècle ont été utilisés pour alimenter le modèle géothermique. La variabilité spatiale du régime thermique du pergélisol simulée à l’échelle d’un village nordique est majeure lorsque l’hétérogénéité des dépôts, leur contenu en glace et les différentes conditions de surface observées sur le terrain sont considérés dans une modélisation numérique tridimensionnelle. L’influence des flux de chaleur latéraux dans cette modélisation produit des résultats qui sont dans certains cas significativement différents de ceux simulés au moyen d’un modèle unidimensionnel, particulièrement pour les sols sous d’importantes congères. Selon les scénarios de changements climatiques jugés pessimistes pour le maintien du pergélisol, un talik permanent se formera à partir de la seconde moitié du 21ième siècle sous les congères, en bordure d’un remblai routier où la neige et l’eau de fonte s’accumule à la surface d’un sol mal drainé et dans l’argile saline du secteur nord-est du village de Salluit. L’épaisseur maximale du talik à la fin du 21ième siècle varie entre 1,3 et 19,3 m respectivement dans l’argile et le roc sous les congères, alors qu’elle est de 2,8 m dans l’argile saline du secteur nord-est. Seuls les tills et le roc recouverts par d’importantes congères seront affectés par la présence d’un talik à la toute fin du 21ième siècle advenant un réchauffement climatique optimiste. Une dégradation plus importante du pergélisol sous les remblais routiers que pour un même sol en terrain naturel sous un couvert nival mince est à prévoir selon les scénarios climatiques pessimistes. Les infrastructures contruites sur des remblais seront potentiellement affectées par des tassements différentiels.

Thèse en cotutelle: Université Laval Québec, Canada et Aix Marseille Université, Aix en Provence, France / L’augmentation de la décomposition de la matière organique des cryosols arctiques sous l’effet du réchauffement et de la dégradation du pergélisol contribuerait à une rétroaction positive sur les changements climatiques. Nous étudions les interactions entre le régime thermique, le comportement hydrique et le fonctionnement biogéochimique de deux cryosols, l’un développé dans une tourbière (cryosol histique : H) et l’autre dans des argiles marines postglaciaires (cryosol turbique : T), en conditions naturelles et réchauffées expérimentalement. Les profils ont été instrumentés à Salluit (Nunavik, Canada ; 62°14’N, 75°38’W) et les mesures ont été faites pendant les étés 2010 et 2011. Du fait des propriétés isolantes de la tourbe, la couche active du site H est moins épaisse que celle du site T. Le réchauffement augmente la respiration de l’écosystème (ER) de manière plus intense pour H que pour T, bien que ER pour H soit plus faible. La sensibilité thermique de ER (Q10) est supérieure pour T que pour H et diminue avec le réchauffement pour les deux sols. L’étude montre que les cycles journaliers de ER forment des hystérésis en fonction de la température de surface du sol. L’explication de la variance de ER est améliorée lorsqu’on prend en compte la température minimale de la journée et la profondeur du front de dégel pour H. Pour T, l’ajout de la vitesse du vent et la radiation solaire améliore l’explication de la variance de ER. Nous montrons trois dynamiques spécifiques aux écosystèmes nordiques : 1) ER est dépendante des propriétés du sol et de la composition de la solution du sol ; 2) des variables thermo-indépendantes affectent significativement ER et 3) Q10 évolue au cours de la journée, la respiration basale varie d’une année sur l’autre. La décomposition de la matière organique serait la principale source de CO2 pour H alors que les processus végétaux contrôleraient ER pour T. L’approfondissement du front de dégel contrôle les concentrations des solutés dans la solution des deux cryosols. Nos résultats contribuent à la compréhension et à l’extrapolation des mesures ponctuelles dans les écosystèmes de toundra, pouvant amener à l’amélioration de la modélisation du cycle du carbone dans les cryosols. Mots clés : cryosol histique et turbique, modélisation thermique, teneur en eau volumique, toundra, réchauffement expérimental, respiration de l’écosystème, solution du sol, pergélisol arctique, décomposition de la matière organique, respiration dérivée de la végétation. / Increased organic mater decomposition rate in Arctic Cryosols due to warming and to permafrost thawing can lead to the release of greenhouse gases, thus potentially creating a positive feedback on climate change. We aim to assess the interactions between the thermal regime, the hydric behaviour and the biogeochemical functioning of two different permafrostaffected soils (i.e. Cryosols), one being developed in frozen peat (Histic Cryosol: H), the other being developed in postglacial marine clays (Turbic Cryosol: T), both in natural conditions and under an experimental warming. Profiles were instrumented in Salluit (Nunavik, Canada; 62°14’N, 75°38’W) and monitored during summers 2010 and 2011. Both thermal monitoring and modeling results stressed differences between sites due to the insulating properties of dried peat in summer the active layer at the H site is thinner than at the T site. The induced warming increased CO2 fluxes in both soils; this impact was however more striking at H even if ecosystem respiration (ER) was lower than at T. Temperature sensitivity of ER (Q10), which decreased with warming, was higher at T than at H. We highlighted that diurnal ER cycles showed hysteretic loops as a function of soil surface temperatures. Linear models performed to explain ER variance were improved when we added daily minimum temperature and thaw front depth at H. In contrast at T, adding wind speed and solar radiation in models improved the ER variance explanation. We showed three specific CO2 flux dynamics related to northern ecosystems: 1) the large difference of ER depending on soil properties and soil solution composition; 2) environmental variables strongly alter CO2 fluxes and 3) the diurnal Q10 variations and the inter annual variability of basal respiration. Our results support the assumption that organic matter decomposition might be the major source of CO2 at H while plant-derived processes dominated ER at T. Finally, the thaw front depth controlled solute concentrations in the soil solution at H and T. Our results contribute to understand and extrapolate the numerous punctual measurements of CO2 fluxes from tundra ecosystems, improving carbon cycle modeling in Cryosols. Keywords: Histic and Turbic Cryosol, Thermal modeling, Volumetric water content, Tundra, Experimental warming, Ecosystem respiration, Soil solution, Arctic permafrost, Organic matter decomposition, Plant-derived respiration.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Salluit est situé au nord du Nunavik et le pergélisol y est généralement riche en glace. L'objectif de ce projet est de simuler les changements d'épaisseur de la couche active à moyen terme (2010-2025) pour deux types de dépôts qui sous-tendent de nombreuses infrastructures. Pour se faire, un modèle géothermique unidimensionnel est employé pour simuler les transferts de chaleur dans le pergélisol. Des données de températures de l'air et de couvert nival dérivées de séries climatiques provenant d'un modèle régional du climat (MRC) servent à forcer le modèle géothermique. L'approfondissement de la couche active montre une forte relation avec les températures de l'air estivales. De plus, la profondeur de dégel varie de façon marquée en l'espace de quelques années. Les sols argileux pourraient subir une augmentation de l'épaisseur de la couche active d'environ 30 cm et les tills, une augmentation d'environ 80 cm, par rapport aux observations de 2007.

De nos jours, la modification de surface fait l'objet d'attentions particulières en raison de sa variété d'applications dans divers domaines. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse a été de traiter de la modification localisée de surfaces dans des conditions douces en utilisant le microscope électrochimique à balayage (SECM). En tant que preuve de concept pour l'écriture directe, différentes stratégies ont été menées pour la modification de surface par gravure de matériaux, greffage de couche organique et modification de la structure chimique surfacique. Des surfaces de verre et d'or ont été les principaux substrats qui ont été modifiés du fait de leur large utilisation notamment dans les nanotechnologies. Cette thèse est présentée sous forme de quatre chapitres et le premier est consacré à la technique SECM ainsi qu'à la modification de surface en général. Les trois autres parties concernent le travail effectué pour valider le concept d'écriture directe. Dans la première partie, une matrice de silice synthétisée par voie sol-gel et dopée avec un ion métallique (cuivre ou or) est utilisée comme matériau d'écriture à l'aide d'une sonde locale (ultramicroéléctrode). Le SECM est utilisé en mode de rétroaction avec des médiateurs tels que viologène de méthyle et le p-benzoquinone. Le diamètre de l'ultramicroélectrode (UME) et la durée d'hydrolyse ont été des facteurs pris en compte pour étudier l'effet sur la taille des plots métalliques électrogénérés. Dans la deuxième partie, la gravure par voie humide localisée de la surface de l'or a été réalisée en utilisant le SECM opérant dans un électrolyte à base de diméthylsulfoxide chargé avec de l'iode. Dans cette méthode, une UME est positionnée (à une distance connue) à proximité de la surface d'or pour générer électrochimiquement l'ion triiodure à la pointe de l'UME de platine, agissant comme oxydant à la surface d'or. La troisième partie comprend deux travaux expérimentaux différents mais complémentaires. Le premier porte sur la réduction électrochimique sur électrode d'or d'un sel de diazonium préparé à partir de l'éthylènediamine, une molécule aliphatique. Pour la première fois, la fonctionnalisation covalente sur or d'un sel de diazonium est démontrée via la diazotation d'un groupe amino de l'éthylènediamine. Dans la seconde partie, un substrat de verre a été greffé par un film à base de 3-aminopropyle silane qui a été réalisée par un procédé sol-gel. Ensuite, la lame de verre modifiée a été fonctionnalisée avec du glutaraldéhyde pour greffer la tyrosinase. Enfin, le mode de réaction du SECM a également été utilisé pour vérifier l’activité catalytique de cette enzyme. La pointe de l’UME est positionnée à proximité de la surface modifiée par l’enzyme afin de réaliser une mesure de courant de l’activité enzymatique à partir d’un balayage horizontal dans le plan x-y. / Nowadays, the modification of surfaces has drawn more attention due to its variety of applications in various domains. Therefore, the purpose of this thesis deals with the localized modification of surfaces in mild condition by using the scanning electrochemical microscope (SECM) instrument. As a proof of concept for direct writing, different strategies have been used for surface modifications through removing surface materials, grafted organic layer and changing the chemical structure of the surface. Gold wafer and glass surfaces were the main substrates which have been modified since these materials are very used especially in nanotechnologies. This dissertation is conducted in four chapters and the first one focuses on SECM technique and surface modifications in general. The three other parts concern the work performed to validate the concept of direct writing. In the first part, metal ion (copper and gold)-doped silica matrices have been prepared by the well-known sol-gel method. Copper and gold metallic particles are produced locally by using the SECM in feedback mode with mediators such as methyl viologen and p-benzoquinone. The diameter of ultramicroelectrode (UME) tip and hydrolysis period were factors taken into account to study the effect on the size of electrogenerated metallic spots. In the second part, the localized wet etching of gold surface has been achieved by using SECM where a dimethylsulfoxide-based electrolyte charged with iodine is used. In this method an UME probe is positioned (at a known distance) close to the gold surface. Friendly environment method was used as etching process to generate electrochemically triiodide ion at the platinum UME tip, acting as an oxidant for gold surface. he third part includes two different experimental works. The first one covers the electrochemical reduction on gold electrode of diazonium salt prepared from ethylenediamine, an aliphatic diamine molecule. For the first time, the covalent functionalization on gold of a diazonium salt is demonstrated, and required diazotization of one amine group from ethylenediamine. In the second work, glass substrate was grafted by 3-aminopropyl silane film which was performed by sol-gel method. Then the modified-glass slide was functionalized by glutaraldehyde solution in order to immobilize tyrosinase molecules. Finally, the feedback mode of SECM has also been used to monitor the catalytic activity of tyrosinase. The tip of ultramicroelectrode was positioned close to the enzyme-modified surface and was scanned horizontally in x-y plane while measuring current from re-generated mediator molecules was carried out.