Le radar sondeur Sharad (NASA/ASI) prospecte actuellement la surface et le sous-sol de Mars àune fréquence de 20 ±5 MHz depuis une orbite polaire basse (Mars Reconnaissance Orbiter).L'instrument a pour but de contraindre la composition du sol et de détecter, puis d'interpréter, desinterfaces enfouies afin de restituer le contexte géologique martien à l'échelle régionale. Ce travail dethèse se propose de contribuer à ces objectifs en se focalisant principalement sur l'étude de terrainsglaciaires et péri-glaciaires Martien.Dans un premier temps, par une méthode d'inversion impliquant la reconstruction d'un sousbassementrocheux par interpolation, nous obtenons les paramètres diélectriques représentatifs duvolume de glace d'eau constituant la calotte polaire Nord, Planum Boreum. Nous en déduisons un tauxde pureté du matériel glaciaire > 95 %. Nous fournissons une carte de l'épaisseur des dépôts qui vérifieun volume de glace de 1,14106 km3.Dans une deuxième étude, en confrontant les transects Sharad à des données topographiques etd'imagerie visible, nous élaborons un profil morphologique et stratigraphique complet d'escarpementsglaciaires présents dans la région d'Ultimi Lobe, Planum Australe. Nous appelons ces escarpements"Laps" (large and assymetric polar scarps). La similarité avec des failles listriques associées à desanticlinaux de roll-over nous amène à proposer l'hypothèse de macro-ruptures mécaniques d'une glacesous contrainte extensive et d'un mouvement subséquent par glissement basal.Puis, nous nous intéressons à la réflectivité radar de la surface dont l'amplitude dépend de larugosité et de la permittivité du sol. Nous élaborons une méthode nous permettant de construire unecarte globale de la réflectivité. Afin de séparer les paramètres physiques qui constituent ce signal, nousproposons des méthodes statistiques simples, inspirés du SAR (radar à synthèse d'ouverture) terrestre,complétées par l'élaboration de modèles de rétrodiffusion de surface à incidence normale. Nousmontrons des résultats de cette approche et leur adéquation avec les modèles théoriques. Enfin, nousmettons en évidence une variation temporelle de la réflectivité aux pôles que nous attribuons à laprésence des condensats saisonniers de CO2. Notre méthode d'analyse statistique de la réflectivité,associée à un modèle de rétrodiffusion à trois couches, nous permet d'évaluer la variation d'épaisseurdes condensats dans des régions à très hautes latitudes (80°-85°). / This thesis presents several geophysical studies using the Sharad radar sounder dataset(NASA/ASI). Sharad is exploring the surface and subsurface of Mars with a frequency of 20  5 MHzfrom a low polar orbit. The mission goals are to constrain the soil composition and to detect someburied structures in order to interpret the Martian geological context at a regional scale.First, the radar signal has been analyzed over the North polar deposits to retrieve the dielectricproperties of the bulk ice. We deduce a purity rate of the ice > 95%. This study required thereconstruction of the bedrock by interpolating the surrounding topography. From this, we provide amap of the deposits thickness that agreed with a volume of ice of 1.14  106 km3.In a second study, we compare the Sharad cross-sections to surface topography and opticalimages in order to develop a complete morphologic and stratigraphic description of polar scarps in theregion of Ultimi Lobe, Planum Boreum. This description is similar to listric faults associated with rolloveranticlines. It leads us to propose a new formation process hypothesis implying a macromechanicalfailure of the ice under stress and a subsequent basal sliding.Then we studied the surface radar reflectivity whose magnitude depends on the roughness andpermittivity of the soil. We develop a method to build up a global map of the reflectivity. To separatethe physical parameters contributing to the signal, we propose a simple statistical method associated tosurface backscattering models at normal incidence. We show that the vertical roughness can bederived without prior calibration for surfaces whose correlation length is > 500 m. In this case,permittivity can be estimate only if a reference area is known to calibrate the signal. Finally, we detecta seasonal variation of the reflectivity at poles that we attribute to the seasonal CO2 frost. Ourstatistical approach for the reflectivity, associated with a three layers backscattering model, allowsderiving the thickness variation of the frost. We report a late recession in the cryptic region.

La mesure de température d'une surface et de son émissivité thermique constitue encore de nos jours, un défi de taille. D'un point de vue microclimatique, la température significative d'une surface est celle qui reflète l'état des échanges énergétiques qui y ont lieu.La radiométrie infrarouge thermique permet de lire la température de l'interface air-sol pour une couche infiniment petite de la surface (de l'ordre de quelques microns). Dans le cadre d'un système d'aide aux décisions en viabilité hivernale, nous avons défini un prototype de station de mesures mobiles. Cette station permet de déterminer, avec précision, la température radiative de la surface de la chaussée ainsi que de déterminer, avec un taux de succès de plus de 65 %, l'état de cette même surface. Par la conception de ce prototype, nous avons abordé le principe physique de la mesure de température de surface par radiométrie multispectrale infrarouge thermique. Ce travail aura permis d'évaluer une approche standard de mesure à bande spectrale unique (de 8 à 14 [mu]m). Dans la correction de la température radiative de surface, nous avons considéré trois méthodes distinctes.La première méthode utilisée est celle de l'algorithme TES (Gillespie et al., 1998). Cet algorithme établit le spectre d'émissivité, puis calcule une température de surface corrigée, en tenant compte de la réflexion du rayonnement thermique incident à la surface.La seconde méthode considérée est l'indice TISI (Li et al., 1999) qui consiste en un indice d'émissivité relatif indépendant de la température de la surface et qui tient compte du rayonnement incident à la surface.La troisième méthode est un indice de température relative (ITR) qui correspond au contraste normalisé des températures radiatives de surface. L'identification du type de surface a montré un taux de succès de 54,8 % pour les résultats de l'indice ITR, de 51,9 % pour les résultats de l'indice TISI et de 67,3 % pour les résultats de l'algorithme TES. Quant à la valeur de température corrigée, une vérification préalable ayant permis de déterminer la précision du TES à 0,5 [degrés Celsius], nous avons déterminé la précision relative des deux autres méthodes par rapport à celle du TES. Pour les deux méthodes TISI et ITR, la correction de température radiative a donné un écart moyen similaire de l'ordre de -1,2 [degrés Celsius], avec une étendue d'écart allant de -0,5 à -2,2 [degrés Celsius]. L'expérience réalisée a permis de présenter un prototype opérationnel de mesure de la température de surface permettant en même temps la caractérisation de la surface mesurée. L'extraction de ces deux types d'informations à partir d'une même série de mesures est une innovation.La banque d'émissivité spectrale mesurée sur le terrain est aussi une contribution de ce projet.

Le contrôle des caractéristiques des cristaux de glace, gouvernées par l'étape de nucléation, demeure un enjeu majeur dans les procédés de congélation et de lyophilisation industriels. Cependant la nucléation est par nature un phénomène aléatoire. L'application d'ultrasons de puissance, capable de générer de la cavitation acoustique, compte très certainement parmi les plus prometteuses méthodes permettant de contrôler le déclenchement de la nucléation, mais le matériel et les conditions opératoires à mettre en oeuvre afin d'industrialiser le procédé restent encore à définir.Le premier objectif de ce travail a été de corréler empiriquement les caractéristiques géométriques des cristaux de glace et les conditions opératoires dans le cas de la congélation d'une solution aqueuse de mannitol en vials. Il a été montré, grâce à une analyse de surface de réponses basée sur un plan d'expérience de deuxième ordre, que l'augmentation du sous refroidissement et de la puissance acoustique provoquent une diminution de la taille moyenne des cristaux et une augmentation de leur circularité.Le deuxième objectif était la modélisation de la cinétique de nucléation de glace dans de l'eau pure déclenchée par cavitation acoustique. D'après les simulations réalisées, la nucléation peut être initiée à de faibles sous-refroidissements (quelques degrés) au moyen de pressions acoustiques modérées (de l'ordre de un bar). Le nombre de nuclei créés est d'autant plus important que le sous-refroidissement et la pression acoustique sont élevés.Ces résultats sont cohérents si l'on considère que la taille des cristaux est inversement proportionnelle au nombre de nuclei générés. / Ice crystal characteristics control, which are governed by the nucleation step, remains a key issue in industrial freezing and freeze-drying processes. However nucleation is by nature arandom phenomenon. Power ultrasounds, able to generate acoustic cavitation, are one of the most promising methods of triggering nucleation, but operating conditions pertaining to an industrial freezing process have not yet been defined.This work aims first at empirically correlating the ice crystals' geometry to the operating conditions, in the case of mannitol aqueous solution in vials freezing. A response surface analysis based on a second order experimental design proved that increasing both supercooling and acoustic power resulted in decreasing ice crystals' mean size and increasing their circularity.The second goal was the modelling of ice nucleation triggered by acoustic cavitation in pure water. According to simulations, the nucleation could be initiated with moderate acoustic pressure amplitude (around one bar) even at low supercooling levels (around few degrees). The number of generated nuclei appeared to increase with the super cooling and with the acoustic power which should lead to a decrease of ice crystals' size as observed experimentally.These results are consistent if the ice crystals' size is considered to be inversely proportional to the number of generated nuclei.

« Thèse en cotutelle : Doctorat interuniversitaire en océanographie, Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université Joseph Fourier - Grenoble I, Grenoble, France » / L’océan Arctique est marqué par une forte saisonnalité qui se manifeste par la présence d’une banquise permanente dont l’extension varie entre 6 et 15 × 106 km2. Interface plus ou moins perméable, la banquise limite les échanges atmosphère - océan et affecte le budget énergétique global en réfléchissant une part importante du rayonnement incident. Le manteau neigeux qui se forme à sa surface est un élément essentiel notamment parce qu’il contribue fortement aux propriétés optiques de la banquise. D’une part par son albédo, proche de l’unité dans le visible, qui retarde sensiblement la fonte estivale de la glace. Et d’autre part, il est majoritairement responsable de l’extinction verticale de l’éclairement dans la banquise. Or, la faible intensité lumineuse transmise à la colonne d’eau constitue un facteur limitant important à l’accumulation de biomasse des producteurs primaires souvent des micro-algues, à la base des réseaux trophiques. Le manteau neigeux en surface, par ces propriétés physiques et leurs évolutions temporelles, joue donc un rôle essentiel en impactant directement l’initiation et l’amplitude de la floraison phytoplanctonique printanière. Dans le cadre du réchauffement climatique actuel, les mutations que subit la banquise : amincissement, réduction de son extension estivale et variations des épaisseurs du manteau neigeux bouleversent d’ores et déjà la production primaire arctique à l’échelle globale et régionale. Cette thèse vise à mieux comprendre la contribution du manteau neigeux au transfert radiatif global de la banquise et de mieux estimer son impact sur la production primaire arctique. Elle s’appuie sur un jeu de données collectés lors de deux campagnes de mesures sur la banquise en période de fonte. Les propriétés physiques de la neige, SSA et densité, permettent une modélisation précise du transfert radiatif de la neige qui est validée, ensuite, par les propriétés optiques, comprenant : albédo, profils verticaux d’éclairement dans le manteau neigeux et transmittance `a travers la banquise. Au printemps, la neige marine, marquée par une importante hétérogénéité spatiale, évolue suivant quatre phases distinctes. La fonte, d’abord surfacique puis étendue à toute l’épaisseur du manteau, se caractérise par une baisse de la SSA de 25-60 m2 kg−1 à moins de 3 m2 kg−1 provoquant une diminution de l’albédo dans le proche infrarouge puis à toute longueur d’onde ainsi qu’une augmentation de l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Cette période est chaotique, marquée par une forte variabilité temporelle des propriétés optiques causées par la succession d’épisodes de fonte et de chutes de neige. Les propriétés physiques de la neige sont utilisées par un modèle de transfert radiatif afin de simuler les profils verticaux d’éclairement, l’albédo et la transmittance de la banquise. La comparaison entre ces simulations et les profils d’éclairement mesurés met en évidence la présence d’impuretés dans la neige dont leurs natures et leurs concentrations sont estimées. En moyenne, la neige échantillonnée contenait 650 ng g−1 de poussières minérales et 10 ng g−1 de suies qui réduisaient par deux l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Enfin, la modélisation de l’éclairement à toute profondeur de la banquise, représentée de manière innovante par des isolumes, est mise en relation avec l’évolution temporelle de la biomasse dans la glace. Il apparaît que la croissance des algues de glace est systématiquement corrélée avec une augmentation de l’éclairement, et ce, jusqu’`a des niveaux d’intensité de l’ordre de 0.4 μE m−2 s−1. Ces variations d’´éclairement sont dues au métamorphisme et `a la fonte de la neige en surface. Mots clés : Transfert radiatif, neige marine, albédo, transmittance, impuretés, algues de glace / The Arctic ocean shows a very strong seasonality trough the permanent presence of sea ice whose extent varies from 6 to 15 × 106 km2. As an interface, sea ice limits ocean - atmosphere interactions and impacts the global energy budget by reflecting most of the short-wave incoming radiations. The snow cover, at the surface, is a key element contributing to the optical properties of sea ice. Snow enhances further the surface albedo and thus delays the onset of the ice melt. In addition, snow is the main responsible for the vertical light extinction in sea ice. However, after the polar night, this low light transmitted to the water column is a limiting factor for primary production at the base of the oceanic food web. The snow cover, through the temporal evolution of its physical properties, plays a key role controlling the magnitude and the timing of the phytoplanktonic bloom. In the actual global warming context, sea ice undergoes radical changes including summer extent reduction, thinning and shifts in snow thickness, all of which already alter Arctic primary production on a regional and global scale. This PhD thesis aims to better constrain the snow cover contributions to the radiative transfer of sea ice and its impact on Arctic primary production. It is based on a dataset collected during two sampling campaigns on landfast sea ice. Physical properties of snow such as snow specific surface area (SSA) and density allow a precise modeling of the radiative transfer which is then validated by optical measurements including albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance in the snow. During the melt season, marine snow which shows strong spatial heterogeneity evolves fol- lowing four distinctive phases. The melting, which first appears at the surface and gradually propagates to the entire snowpack, is characterized by a decrease in SSA from 25-60 m2 kg−1 to less than 3 m2 kg−1 resulting in a decrease in albedo and an increase in sea ice transmittance. This is a chaotic period, where optical properties show a very strong temporal variability induced by alternative episodes of surface melting and snowfalls. The physical properties of snow are used in a radiative transfer model in order to calculate albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance at all depths. The comparison between these simulations and measured vertical profiles of irradiance in snow highlights the presence of snow absorbing impurities which were subsequently qualitatively and quantitatively studied. In average, impurities were composed of 650 ng g−1 of mineral dust and 10 ng g−1 of black carbon. They were responsible for a two-fold reduction in light transmitted through sea ice. The light extinction, calculated at all depths in sea ice, and represented by isolums, was compared to the temporal evolution of ice algae biomass. The results show that every significant growth in ice algae population is related to an increase of light in the ice. These growths were observed even at very low light intensities of 0.4 μE m−2 s−1. Light variations in the ice were linked by snow metamorphism and snow melting at the surface. Keywords : Radiative transfer, marine snow, snow albedo, sea ice transmittance, snow impurities, ice algae.

Ce mémoire offre une description des mesures d'affaiblissement préventif du couvert de glace qui ont été entreprises à Saint-Raymond de Portneuf, au Québec, au cours de cinq hivers consécutifs entre 2014 et 2019. La dynamique particulière de la rivière Sainte-Anne peut engendrer des accumulations massives de frasil au centre-ville de Saint-Raymond, pouvant mesurer plus de 4 mètres d'épaisseur par endroits et représenter plus de 120000 tonnes annuellement. Cela complique l'application et affecte l'efficacité de l'affaiblissement. L'objectif de ce projet est de déterminer les approches performantes et d'établir un protocole. Les rendements, selon la performance, la rentabilité et l'efficacité énergétique,des mesures d'atténuation mécaniques et thermiques ont été analysés selon le type de glace en présence .La progression des excavatrices amphibie (telles l'Amphibex et la pelle-araignée) est de deux à cinq fois plus lente dans une accumulation de frasil par rapport à un couvert flottant conventionnel. D'autres mesures, comme le forage d'un réseau de trous, le sciage du couvert, l'aéroglisseur et l'hélicoptère deviennent inefficaces en présence de frasil. Tout apport de chaleur est bénéfique une fois le couvert formé. Cependant, la forme de l'énergie injectée affecte la rentabilité de la mesure: contrairement à l'injection d'air chaud, l'injection de chaleur issue de la nappe phréatique est rentable et peut offrir un rendement appréciable si la charge calorifique est importante.Les différentes approches testées ont été comparées aux expériences réalisées sur d'autres rivières, afin de déterminer leurs limites d'application selon différents contextes de cours d'eau et de types glace. Sur un barrage de frasil ou un embâcle, la pelle-araignée munie d'un prototype de flotteurs offre la plus grande versatilité et une meilleure efficacité énergétique. Cette excavatrice a le potentiel d'excaver un chenal continu sur plus de six kilomètres de la rivière Sainte-Anne à Saint-Raymond en n'étant pas limitée par la présence de fosses, de hauts-fonds, d'un couvert consolidé ou flottant, d'une hauteur de dégagement contraignante sous les ponts ni de barrages. / This thesis describes preventive ice cover weakening measures that were undertaken in St.Raymond, QC, over five consecutive winters between 2014 and 2019. The specific dynamics of the St. Anne River can lead to massive accumulations of frazil in the downtown reach of St. Raymond, leading to an ice cover that can bemore than 4 metre-thick and formed by over 120,000 tons annually. This complicates the progression of the mitigation. The objective of this project is to identify the best ice weakening approaches and to establish a corresponding application protocol. The performance, cost-effectiveness and energy efficiency of mechanical and thermal mitigation measures were analyzed according to a variety of ice covers. The progression of amphibious excavators (such as Amphibex and spider excavator) is two to five times slower in thick frazil accumulations compared to that of a conventional floating ice cover. Other measures, such as drilling a network of holes, sawing the cover,or relying on a hovercraft or a helicopter to push and break the ice cover, become ineffective in the presence of frazil dam. Any heat input is beneficial once the cover is formed. However, the mean of energy injection affects the measure cost-efficiency: unlike hot air injection, ground water heat injection is cost-effective and can offer significant benefit if the heat load is high. Several different ice-weakening approaches were tested and compared, including experiments from other rivers,to determine their limits of application for different rivers and ice covers. On a frazil dam or ice jam, the spider excavator equipped with prototype floats offers the greatest versatility and energy efficiency. This excavator has the potential to dig a continuous open channel over more than six kilometre-long in the St. Anne River at St. Raymond without being limited by the presence of pools, shallows, consolidated or floating cover, a constraining clearance height under bridges,or dams

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'obtention d'un aperçu microscopique de la structure interne et de la biologie de la glace de mer a traditionnellement été limitée à des méthodes d'échantillonnage destructives et intrusives par carottes de glace. Dans cette étude, nous présenterons un système révolutionnaire d'imagerie microscopique in situ conçu pour étudier les microstructures internes et les micro-organismes présents dans la glace de mer, sans avoir recours aux techniques d'échantillonnage conventionnelles. Ce nouveau système offre une vue inédite en temps réel de la vie dans cet environnement unique. La nature complexe et hétérogène de la glace de mer, avec sa matrice de glace, ses canaux de saumure, ses bulles d'air et ses diverses impuretés, a posé de nombreux défis d'ingénierie pour la mise au point de ce système d'imagerie. Le système développé est un microscope de terrain à multi-illumination et à géométrie d'imagerie réflective. Nous avons effectué des tests de validation dans la glace de mer de première année entre le 20 avril et le 3 mai 2023 dans la baie de Baffin. Malgré la fragilité inhérente à la matrice de la glace de mer, notre système d'imagerie nous a permis de capturer des images de microstructures et de micro-organismes avec des détails satisfaisants. La conception matérielle et logicielle de l'endoscope est présentée ainsi que les résultats de l'acquisition des images de la microstructure et de micro-organismes. Ces résultats démontrent collectivement le potentiel de ce nouveau système d'imagerie microscopique in situ à révolutionner la façon dont nous étudions la glace de mer et à fournir une compréhension plus approfondie de ses microstructures complexes et de ses micro-organismes vivants. Cette innovation recèle un immense potentiel pour faire progresser notre compréhension de la dynamique écologique, des processus biogéochimiques et des adaptations des micro-organismes dans la glace de mer. / Gaining microscopic insight into the internal structure and biology of sea ice has traditionally been limited to destructive and intrusive ice core sampling methods. In this study, we introduce a groundbreaking in situ microscopic imaging system designed to study the internal micro-structures and microorganisms within sea ice, all without the need for conventional sampling techniques. This novel system offers a never-before-seen real-time view of life within this unique environment. The complex and heterogeneous nature of sea ice, including its water crystal lattice, brine channels, air bubbles, and various impurities, presented numerous engineering challenges for developing this imaging system. The developed system is a field microscope with multi-illumination and *en-face* geometry. We conducted validations tests in first-year Arctic interior sea ice between April 20th and May 3rd 2023 in Baffin Bay. Despite the inherent fragility of the sea-ice matrix, our imaging system allowed us to capture images of microstructures and biota in satisfying detail. The hardware and software design of the endoscope are presented along with acquisition results of the microstructure and biota images. These findings collectively demonstrate the potential for this new in situ microscopy imaging system to revolutionize the way we study sea ice and provide a deeper understanding of its complex microstructures and living microorganisms. This innovation holds immense potential for advancing our understanding of ecological dynamics, biogeochemical processes, and microorganism adaptations in sea ice environments.

Des levés gravimétriques ont été effectués, à l’aide d’un gravimètre de haute précision Scintrex CG-3+, sur des terrains en zone de pergélisol discontinu où des corps de glacemassive sont suspectés (Dry Creek, Yukon) ou bien ont été préalablement détectés (Beaver Creek, Yukon et dans la région de Kangerlussuaq, Groenland). L’objectif principal fut donc d’établir la faisabilité d’utiliser la gravimétrie à des fins de détection de glace intrasédimentaire. La possibilité d’utiliser un gravimètre afin de détecter des corps de glace massive fut clairement démontrée. Des anomalies micro-gravimétriques négatives furent détectées et celles-ci peuvent être clairement attribuées à la présence de glace dans le sol. La confirmation de la présence de glace fut effectuée par une campagne de forage à Dry Creek et par la consultation de travaux de forages antérieurs pour les terrains de Beaver Creek et du Groenland. Un modèle simple en deux dimensions composé de colonnes allongées verticalement fut adapté au contexte micro-gravimétrique. Les comparaisons entre les modèles et les résultats de terrain sont bonnes pour les coins de glace et satisfaisante pour de volumineux massifs de glace enfouis. / Gravity surveys were carried out using a precision gravimeter Scintrex CG-3+ on the discontinuous permafrost zone in lands where massive ice bodies were suspected (Dry Creek, Yukon) or previously detected (Beaver Creek, Yukon and in the area of Kangerlussuaq, Greenland). The main objective of the research was to establish the feasibility of using gravity surveying for massive ice detection. The possibility of using a gravimeter to detect massive ice was clearly demonstrated. Indeed, negative residuals anomalies were detected and these can be clearly attributed to the presence of ice in the ground. The presence of ice was carried out during a drilling and coring campaign in Dry Creek and through published reports of previous drilling for Beaver Creek and Greenland sites. A simple two-dimensional model composed of verticals columns was adapted to the micro-gravity environment. The comparisons between models and field results are good for ice wedges terrains and satisfactory for voluminous massive ice.

La diminution de la couverture de glace de mer due au réchauffement de l'Arctique pourrait entraîner des changements complexes et indéterminés dans l'apport en nourriture qui pourraient altérer le fonctionnement des écosystèmes marins de l'Arctique. Les organismes benthiques sont des membres essentiels du réseau trophique de l'Arctique et constituent une source de nourriture importante pour les consommateurs des niveaux trophiques supérieurs. Dans l'océan Arctique, les consommateurs benthiques dépendent en grande partie des pulsations saisonnières de l'approvisionnement en nourriture provenant du phytoplancton (c.-à-d. la communauté pélagique) et des algues de glace de mer (c.-à-d. la communauté sympagique), mais nous ignorons encore comment les changements de la productivité primaire pourraient influer sur la dynamique trophique benthique. Afin de prévoir les tendances futures de la dynamique et du fonctionnement des écosystèmes, il est de plus en plus important de comprendre les facteurs environnementaux et biologiques qui influencent les interactions trophiques, les régimes alimentaires des consommateurs benthiques, et la cooccurrence des espèces dans les régions sujettes à des changements environnementaux rapides. En utilisant de multiples marqueurs trophiques, trois études connexes ont été réalisées et présentées dans cette thèse dans le but de (i) déterminer les facteurs qui influencent l'écologie trophique et la structure du réseau trophique benthique; (ii) quantifier la contribution relative du carbone sympagique dans le régime alimentaire des consommateurs benthiques et établir le rôle de la concentration de glace de mer dans le régime alimentaire des consommateurs benthiques et la structure du réseau trophique; et (iii) déterminer le rôle des individus dans les interactions trophiques et la structure du réseau trophique benthique. Dans le chapitre 1, nous avons étudié la structure du réseau trophique de la communauté macrobenthique à l'échelle de l'Arctique pancanadien afin de déterminer les facteurs influençant la dynamique des niches écologiques. Nous avons trouvé que la niche écologique fluctuait entre les régions présentant des concentrations différentes de glace de mer (SIC) sous l'effet d'une série de facteurs, notamment les conditions environnementales, les ressources disponibles et les pressions biotiques comme la prédation et la compétition. Les résultats ont mis en évidence une réduction de la richesse isotopique (c.-à-d. longueurs et largeurs de chaînes trophiques plus courtes) associée aux zones ayant des concentrations de glace de mer faibles et élevées, ce qui suggère une homogénéité et une faible variabilité des ressources consommées par les organismes. En revanche, nous avons observé une augmentation de la richesse isotopique (c.-à-d. une niche plus étendue) dans les zones de glace avec une concentration de glace de mer modérée, ce qui correspond à une plus grande hétérogénéité dans les sources de nourriture basale et des consommateurs utilisant des niches trophiques individuelles. Nos résultats appuient l'idée que la glace de mer est un facteur déterminant important de la dynamique et de la structure du réseau trophique benthique dans l'océan Arctique canadien. Dans le chapitre 2, les régimes alimentaires de la macrofaune benthique des grands fonds marins et la structure de son réseau alimentaire ont été étudiés dans la région de la baie de Baffin. Nous sommes les premiers à combiner des biomarqueurs lipidiques de type isoprénoïdes hautement ramifiés (HBI) avec des rapports d'isotopes stables (δ¹³C, δ¹⁵N) pour mieux comprendre la relation entre la disponibilité des sources de carbone dans les sédiments et l'assimilation et le transfert du carbone sympagique dans le réseau alimentaire benthique. Les HBI ont révélé une corrélation entre la consommation par les organismes benthiques de carbone organique particulaire dérivé de la glace de mer et les concentrations de glace de mer. D'après nos résultats, les diminutions de la quantité de carbone sympagique atteignant les fonds marins pourraient entraîner des changements temporels dans la composition des régimes alimentaires des consommateurs benthiques, les affectant de différentes manières selon leur guilde alimentaire et leur degré de plasticité alimentaire, ce qui pourrait alors affecter la dynamique du transfert de carbone. Dans le chapitre 3, les isotopes stables (δ¹³C, δ¹⁵N) ont été utilisés en conjonction avec l'approche des ellipses bayésiennes pour explorer les tendances spatiales des niches isotopiques quant à leur chevauchement et à leur largeur pour trois ophiures cooccurrentes: Ophiacantha bidentata, Ophiocten sericeum et Ophiopleura borealis, dans des régions arctiques spécifiques de la baie de Baffin (BB), de l'archipel arctique canadien (CAA), et de la polynie des eaux du Nord (NOW). Les différences de disponibilité et de diversité des aliments à l'échelle locale ont entraîné la variabilité de l'utilisation des ressources entre les stations au niveau individuel, ce qui a affecté les interactions trophiques, les chevauchements de niche et les structures de niche isotopique des ophiures. Nous avons observé un plus grand chevauchement de niches dans la région hautement productive de NOW, où les consommateurs présentaient une sélectivité alimentaire similaire, tandis que les régions présentant une plus grande concentration de glace de mer présentaient une augmentation de la ségrégation des niches. Enfin, les résultats ont mis en évidence que les ophiures pourraient être des espèces écologiques critiques gouvernant la dynamique, le fonctionnement et la stabilité des réseaux alimentaires benthiques dans l'océan Arctique. / Declines in sea-ice cover due to the Arctic warming could lead to complex and undetermined changes in food supply that could alter negatively the functioning of Arctic marine ecosystems. Benthic organisms are essential members of the Arctic food web, constituting an important food source for higher-trophic level consumers. In the Arctic Ocean, benthic consumers depend mainly on seasonal pulses of food supply from phytoplankton (i.e., pelagic) and sea ice-associated algae (i.e., sympagic community), yet it is still unknown how changes in primary productivity might affect benthic trophic dynamics. In order to predict future trends in ecosystem dynamics and functioning, it is becoming increasingly important to understand the environmental and biological drivers influencing trophic interactions, benthic consumer diets, and species co-occurrence in regions subject to rapid environmental changes. Using multiple trophic markers approaches, three inter-related studies were performed here with the ultimate purpose of (i) determine the drivers of trophic ecology and benthic food web structure; (ii) quantify the relative contribution of sympagic carbon in benthic consumers' diets and establish the role of sea-ice concentration (SIC) in benthic consumers' diets and food web structure; and (iii) determine the role of individuals in trophic interactions and benthic food web structure. In Chapter 1, the food web structure of the macrobenthic community was studied at a Pan-Canadian Arctic scale to identify drivers of ecological niche dynamics. The ecological niche fluctuated between areas with different SIC by a series of drivers including environmental conditions, resource supply, and biotic pressures such as predation and competition. Results highlighted a reduction in the isotopic richness (i.e., shorter chain length and width) linked to ice areas with low and high SIC, suggesting homogeneity and low variability of resources consumed by organisms. In contrast, an increase in isotopic richness (i.e., broad niche) was observed in ice areas with moderate SIC, implying higher heterogeneity in basal food sources and consumers using individual trophic niches. Our results support the idea that sea ice is an important driver of benthic food web dynamics and structure across the Canadian Arctic Ocean. In Chapter 2, deep-sea benthic macrofauna diets and food web structure were studied in the Baffin Bay region. We were the first at combining highly branched isoprenoid (HBI) lipid biomarkers and stable isotope ratios (δ¹³C, δ¹⁵N) to better understand the relationship between the availability of carbon sources in sediments and the assimilation and transfer of sea-ice algae carbon through the benthic food web. Highly branched isoprenoid (HBI) biomarkers revealed a correlation between sea ice-derived particulate organic carbon (Sympagic carbon or SC) consumption in benthic organisms and sea-ice concentrations. Based on our results, decreases in the quantity of SC reaching the seabed could lead to temporal changes in the composition of benthic consumer diets, affecting them in different ways according to their feeding guilds and degree of dietary plasticity that could, in turn, affect carbon transfer dynamics. In Chapter 3, stable isotopes (δ¹³C, δ¹⁵N) in conjunction with the Bayesian ellipses approach were used to explore spatial trends in population isotopic niche width and overlap of three coexisting ophiuroids: Ophiacantha bidentata, Ophiocten sericeum, and Ophiopleura borealis, in specific Arctic regions of Baffin Bay (BB), Canadian Arctic Archipelago (CAA), and North Water Polynya (NOW). Differences in the availability and the diversity of local food items drove variability of resource utilization across stations at the individual-level, which in turn affected trophic interactions, niche overlaps, and isotopic niche structures of ophiuroids. A greater niche overlap was associated with the highly productive region of NOW, where consumers exhibited similar food selectivity, whereas regions with more sea-ice concentration (SIC) showed an increase in niche segregation. Finally, results highlighted that brittle stars could be critical ecological species driving dynamics, functioning and stability of benthic food webs in the Arctic Ocean.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / L'exploitation de l'énergie éolienne est à l'heure actuelle en pleine expansion et plusieurs sites exploités sont situés dans régions où les conditions climatiques hivernales sont extrêmes. Les données fournies par les anémomètres, qui sont indispensables au bon fonctionnement des éoliennes, sont souvent inutilisables à cause de la formation de glace sur les instruments. Le bureau de design du département de génie mécanique de l'université Laval s'est donc intéressé à la conception d'un nouvel anémomètre antiglace. L'objectif spécifique au présent travail était de développer un système de contrôle du chauffage de ce nouvel anémomètre anti-glace lui permettant de rester libre de glace tout en minimisant le chauffage nécessaire pour y parvenir. La conception d'une chambre de simulation des conditions climatiques s'est tout d'abord avérée nécessaire. Il s'agit d'une enceinte réfrigérée comprenant une section d'essai balayée par un écoulement d'air généré par un ventilateur. Un atomiseur d'eau situé à l'intérieur de l'enceinte permet de simuler les précipitations. En faisant varier les paramètres dans la chambre, comme la température, différents types de glace peuvent être formés. Par la suite, un algorithme de reconnaissance du type de glace sur les coupoles a été développé. Une image de l'anémomètre est prise en synchronisme avec le mouvement du rotor afin de visualiser les coupoles dans la même orientation sur chaque prise de vue. Cette image est ensuite traitée par un réseau de neurone qui détermine le type de glace présent sur les coupoles. Par la suite, un deuxième paramètre, soit la proportion de glace recouvrant les coupoles, est déterminé en fonction du type de glace reconnu. Finalement, les données fournies par le système de reconnaissance du type de glace sont utilisées pour le contrôle du chauffage de l'anémomètre. Le système comprend un contrôleur neuronique qui détermine la puissance à envoyer aux coupoles pour conserver l'instrument libre de glace. La décision est basée sur l'état de glace actuel ainsi que sur l'historique de l'état de glace ct du chauffage appliqué. L'un des avantages du contrôleur neuronique utilisé est la poursuite de la phase d'apprentissage en cours d'utilisation, permettant au réseau d'adapter sa réponse aux nouvelles situations rencontrées. Des essais comparatifs ont permis de conclure que le contrôleur développé permet une économie d'énergie moyenne de 40% par rapport à des contrôleurs traditionnels pour un comportement anti-glace équivalent.

La rivière Chaudière, ce cours d'eau de la rive sud du Saint-Laurent à Québec, s'est vu être la source de multiples inondations dans l'histoire beauceronne. Une partie importante de ses colères est attribuable aux embâcles de glace et à l'inévitable débâcle qui les initie. La compréhension des causes de ces embâcles est nécessaire afin d'agir, pour le mieux, sur le phénomène d'embâcle et cette étude s'inscrit dans cette ligne de pensée. L'étude vise à décrire, caractériser et quantifier la dynamique spatio-temporelle de la débâcle et des embâcles de glace sur la rivière Chaudière par des observations de terrain au cours des hivers 2018-2019 et 2019-2020. Pendant ces hivers, des dizaines de caméras autonomes et de GPS-trackers ont été installés à des endroits stratégiques. Grâce à cette instrumentation, à l'emploi d'outils tiers (données hydrométriques; CEHQ et COBARIC, images satellites; Sentinel-HUB) et à sa présence sur le terrain, l'auteur a pu reconstruire en détail la chronologie spatio-temporelle des débâcles sur la rivière Chaudière. Les observations montrent que les débâcles printanières s'initient d'abord en Haute Chaudière, et ensuite en Moyenne et Basse Chaudière presque simultanément. La débâcle est d'abord complétée en Haute Chaudière, ensuite en Basse Chaudière et finalement vient la Moyenne Chaudière où des vestiges d'embâcles hivernaux ont retardé le départ des glaces entre Saint-Joseph et Beauceville. Dans le segment le plus amont, la Haute Chaudière, les glaces ont été mises en mouvement lorsque le débit a atteint entre 60 et 200 m³/s (station Saint-Georges) et à un indice de dégel entre 20 et 80 °C-J. Plus à l'aval, en Moyenne Chaudière, c'est entre 220 et 1000 m³/s (station Saint-Georges), lorsque l'indice de dégel se situait entre 110 et 180 °C-J, que la majorité des glaces se sont mises en mouvement. En Basse Chaudière, c'est plutôt entre 140 et 710 m³/s (station Saint-Georges), et lorsque l'indice de dégel variait autour de 125 °C-J, que les glaces ont été évacuées du cours d'eau. Lors de ces deux saisons d'observation seulement, 51 embâcles de glace ont été répertoriés, illustrant le caractère dynamique de la Chaudière. La forte majorité d'entre eux était contenue dans le segment de la Moyenne Chaudière, démontrant sa forte capacité pour la rétention des glaces. Les plus longs, et ceux ayant contribué à des inondations, se sont formés entre Beauceville et Saint-Georges, témoignant du risque élevé qui plane sur les riverains dans ce tronçon. Les îles, bifurcations du chenal et changements de pente représentent les styles géomorphologiques les plus susceptibles d'obstruer le passage des glaces. Les relâchements d'embâcles ont engendré des ondes d'eau voyageant à des célérités de l'ordre de 1.5 m/s à 7.0 m/s. Les plus élevées ont été estimées entre Beauceville et Saint-Georges. Plus en aval, dans la section des « eaux mortes » (Moyenne Chaudière), la plaine inondable amortit l'onde et tend à réduire sa vitesse de propagation. C'est dans cette section que les plus faibles valeurs ont été estimées. Les patrons spatio-temporels de la débâcle, les seuils hydrométéorologiques de mobilisations des glaces, les sites d'embâcles et les célérités d'ondes d'eau, tous identifiés dans ce mémoire, peuvent servir à la conception d'ouvrages du génie, ainsi que pour le développement d'un système d'alerte précoce. / The Chaudière River, located on the south shore of the Saint Lawrence River, Quebec, is well known for its frequent flooding events. An important part of those floods is caused by ice jams associated with the inevitable breakup that precedes them. In order to eventually alleviate the impacts of ice jam flooding events, knowledge must be acquired from observations of the breakup dynamics, which is the aim of this study. The goal of this study is to describe, characterize and quantify the spatiotemporal dynamics of the breakup events and ice jams along the Chaudière river. During the winters 2018-2019 and 2019-2020, tens of autonomous cameras and GPS-trackers were installed at strategic locations along the river. With this instrumentation, the use of third-party tools (hydrometric data; CEHQ and COBARIC, satellite images; Sentinel-HUB) along with his presence on the field, the author was able to reconstruct the detail of each breakup events. The resulting observations showed that spring breakups are initiated in upper reach of the river, the Haute Chaudière, and then after, almost simultaneously, in the Moyenne and Basse Chaudière segments. The breakup is usually first completed in the Haute Chaudière, then in Basse Chaudière, and lastly in Moyenne Chaudière where mid-winter ice jams have been seen to delay the ice clearing between Saint-Joseph and Beauceville. In the Haute Chaudière, ice movements began when the flow rate was between 60 and 200 m³/s (Saint-Georges station) and when the ice decay index was between 20 and 80 °C-J. In Moyenne Chaudière, it is when the discharge varied from 220 to 1000 m³/s (Saint-Georges station) and when the ice decay index was between 110 to 180 °C-J that the ice moved and eventually cleared. In Basse Chaudière, ice movements were observed between 140 m³/s and 710 m³/s (station Saint-Georges), and when the ice decay index was about 125 °C-J. During these two winter seasons, 51 ice jams were observed. The vast majority of them was found in the Moyenne Chaudière reach, demonstrating its strong capacity for ice retention. The longest jams, and those that contributed to flooding, were found between Beauceville and Saint-Georges, which translates a higher risk for the riparian residents along this reach. Islands, channel bifurcations and slope changes were the most susceptible geomorphological features to initiate ice jamming. Ice jam generated water waves ('Javes') that travelled at a celerity ranging from 1.5 m/s to 7.0 m/s. In the "eaux mortes" reach (Moyenne Chaudière), the floodplains dampened the waves and therefore reduced the velocities. The highest velocities were observed between Beauceville and Saint-Georges. Breakup patterns, hydrometeorological thresholds of ice mobilization, ice jam sites and javes celerity, all identified in this thesis, can serve as basis for engineering design, including the implementation of an early warning system.