La fonte rapide des glaces de l'Arctique dans le contexte actuel du réchauffement climatique est un sujet scientifique majeur de ces 30 dernières années. L'Arctique joue un rôle fondamental dans l'équilibre du climat et requiert une attention particulière. Les régions arctiques sont alors surveillées par des observations satellitaires et des mesures in-situ. L'impact climatique de la fonte totale de la glace arctique est encore mal connu. Des recherches sont donc nécessaires pour le suivi à long terme de l'Océan Arctique, en particulier la dynamique spatio-temporelle de la couverture de glace et ses conséquences sur les écosystèmes. La disparition de la banquise en Arctique sera progressivement accompagnée de l'installation d'activités industrielles saisonnières ou pérennes. Ceci a pour conséquences une modification des paysages acoustiques sousmarins de ces environnements jusqu'alors préservés des sources sonores anthropiques. La présente étude, portée sur les paysages acoustiques sous-marins des régions océaniques polaires du Canada, s'inscrit dans ce contexte sous deux axes. Le premier axe de notre étude concerne donc les conséquences directes de la disparition de la glace sur les paysages acoustiques sous-marins de l'Arctique et des mers subarctiques du Canada. Nous avons alors examiné le bruit ambiant, ses variations saisonnières ainsi ses pilotes environnementaux. Un algorithme dédié à l'estimation de cette composante du bruit océanique a été développé à cet effet, afin de constituer des séries temporelles longue durée. A travers des analyses statistiques, nous avons établi que les variables environnementaux responsables de la production du bruit de fond dépendent de l'état de la surface océanique et que pendant la période hivernale, ce bruit est piloté par les mêmes variables environnementales qui gouvernent la circulation océanique à grande échelle de l'Arctique. Le second axe abordé au cours de ce travail de thèse vise à évaluer le potentiel de l'acoustique passive comme moyen de monitorage de la dynamique spatio-temporelle de la banquise. Pour ce faire, nous avons identifié des événements acoustiques signant de phénomènes physiques sous la glace afin d'améliorer la compréhension de leur mécanisme de production. Nous avons ainsi pu lier divers transitoires acoustiques à des processus de déformation de la banquise.

The ongoing changes in the extent and the properties of sea ice, associated with the warming climate, are affecting the polar ecosystem and the interactions between the atmosphere, sea ice and the underlying waters. How sea ice biogeochemistry will change in the foreseeable future is currently uncertain, but is a crucial problem to tackle.<p>To better understand how sea ice biogeochemistry could change, we investigated the factors regulating the distribution of some dissolved compounds (e.g. nutrients, dissolved organic matter (DOM)) and gaseous compounds (e.g. Ar, O2, N2, CH4) in sea ice, from ice growth to ice decay. The results were obtained from a 19-day indoor experiment in Hamburg (Germany) and a five-month-long field survey in Barrow (Alaska). They were then compared to the physical properties of the ice (temperature, salinity, and other derived parameters such as brine volume fraction) and different biological parameters (bacterial activity, bacterial abundance, chlorophyll-a and phaeopigments).<p>Our work indicates that the physical properties of sea ice exert a strong influence on the distribution of the biogeochemical compounds in the ice, through their impact on brine dynamics, gas bubble formation and ice permeability. We have described 4 stages of brine dynamics, which affect the distribution of the dissolved compounds (e.g. silicate and DOM) in sea ice. However, inert gas (Ar) shows a different dynamic in comparison to the dissolved compounds, indicating a different transport pathway. We suggest that the formation of gas bubbles in sea ice is responsible for that different transport pathway, because gas bubbles should move upward owing to their buoyancy in comparison to brine, while dissolved compounds are drained downward due to gravity. Our observations further indicate that the critical permeability threshold for the upward gas bubble transport should range between 7.5 and 10 % of brine volume fraction, which is higher than the 5 % suggested for the downward brine transport. Increasing ice permeability and prolonged gas exchange tend to draw gas concentrations toward their solubility values, except when the under-ice water is supersaturated relative to the atmosphere (e.g. CH4) or when in-situ production occurs in sea ice (e.g. O2).<p>Because ammonium and O2 obviously accumulate in the ice layers where convection is limited, we suggest that the changes of these biogeochemical compounds in sea ice depend on the competing effect between the physical transport and the biological activity; the biological impact on these biogeochemical compounds in sea ice is obvious when the biological production rate exceeds largely the physical transport rate. We further discussed on the potential of using Ar and N2 as inert tracers to correct the physical controls on O2 and to determine the net community production in sea ice.<p>In addition to the physical and biological controls, the chemical properties of some biogeochemical compounds (e.g. nitrate, ammonium, DOM) may further influence their distribution in sea ice; further investigations are however needed to confirm this.<p>Finally, based on our findings, we present an update of the processes regulating the distribution of gases in sea ice, with references to recent observations supporting each of the process. We also provide some insights on how sea ice biogeochemistry could change in the future and the research priorities for an accurate quantification of these changes.<p><p>Les changements dans l’extension et les propriétés de la glace de la mer, liés au réchauffement climatique, affectent l’écosystème polaire, ainsi que les interactions entre l’atmosphère, la glace de mer et l’eau sous-jacente. Cependant, des incertitudes subsistent quant aux changements potentiels qui affecteront la biogéochimie de la glace de mer dans un futur proche.<p>Afin de mieux comprendre les changements potentiels qui affecteront la biogéochimie de la glace de mer, nous avons étudié les facteurs qui influencent la distribution de certains composés dissouts (e.g. nutriments, matière organique dissoute (DOM)) et gazeux (e.g. Ar, O2, N2, CH4) au sein de la glace de mer, depuis la croissance de la glace, jusqu’à sa fonte. Les résultats ont été obtenus à partir d’une expérience de 19 jours dans un bassin expérimental à Hambourg (Allemagne) et une étude de terrain de 5 mois à Barrow (Alaska). Ils ont été ensuite comparés aux propriétés physiques de la glace (température, salinité et autres paramètres dérivés) et à des paramètres biologiques (activité bactérienne, abondance bactérienne, chlorophylle-a et phaeopigments).<p>Nos travaux ont montré que les propriétés physiques de la glace exercent une forte influence sur la répartition des composes biogéochimiques dans la glace de mer, à travers leur impact sur la dynamique des saumures, la formation de bulles de gaz et la perméabilité de la glace. Nous avons décrit 4 stades dans la dynamique des saumures qui influencent la distribution des composés dissouts (e.g. silice et DOM) dans la glace. Cependant, le gaz inerte étudié (Ar) montre une dynamique différente de celle des composés dissouts, indiquant un mécanisme de transport différent. Nous suggérons que la formation de bulles de gaz dans la glace de mer est le mécanisme responsable de cette différence, parce que les bulles de gaz devraient migrer vers le haut, à cause de leur différence de densité par rapport aux saumures, alors que les saumures sont drainées vers le bas à cause de la gravité. Nos observations montrent également que le seuil critique de perméabilité pour l’ascension des bulles de gaz devrait se trouver entre 7.5 et 10 % de volume relatif en saumure ;seuil qui est plus élevé que les 5 % suggérés pour le transport de saumure vers le bas. L’augmentation de la perméabilité de la glace et les échanges de gaz prolongés tendent à amener les concentrations de gaz vers leur valeur de solubilité, sauf lorsque l’eau sous-jacente présente une sursaturation parrapport à l’atmosphère (e.g. CH4), ou lorsque une production in-situ se produit au sein de la glace (e.g. O2).<p>Etant donné que l’ammonium et O2 s’accumulent clairement dans les couches de glace où la convection est limitée, nous suggérons que les variations de ces composés biogéochimiques dans la glace dépendent de la balance entre le transport physique et l’activité biologique ;l’impact de cette dernière sur les composés biogéochimiques est particulièrement visible lorsque le taux de production biologique du composé excède largement la vitesse d’élimination du composé par le transport physique. Nous avons ensuite discuté du potentiel d’utiliser Ar et N2 comme traceurs inertes pour corriger l’impact des processus physiques sur les variations de O2, afin de déterminer la production communautaire nette dans la glace de mer.<p>Les propriétés chimiques de certains composés biogéochimiques (e.g. nitrate, ammonium, DOM) pourraient également influencer leur répartition au sein de la glace de mer, en plus des processus physiques et biologiques. Cependant, il est nécessaire d’avoir plus d’études à ce sujet pour confirmer cela.<p>Enfin, sur base de nos résultats, nous présentons une mise à jour des processus qui régulent la répartition des gaz dans la glace de mer, avec des références à des observations récentes qui illustrent chacun des processus. Nous donnons également un aperçu des changements qui pourraient affecter la biogéochimie de la glace de mer à l’avenir, et des pistes de recherches pour une quantification précise de ces changements. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La vallée de Stuckberry a été touchée par une importante variabilité climatique au cours de l'Holocène et constitue actuellement un environnement en transition rapide en raison de la hausse des températures. Le retrait du glacier principal de la vallée a entraîné la formation de quatre lacs, où l'âge de chaque lac est proportionnel à la distance de l'océan Arctique. Les sédiments des lacs représentent un trésor d'informations sur les changements passés dans le bassin versant de la vallée de Stuckberry et fournissent une « mémoire à long terme » de la façon dont les lacs ont réagi à ces changements. L'objectif spécifique de l'étude est de caractériser les changements au fil du temps dans la structure des communautés microbiennes. Pour ce faire, l'ADN a été extrait à partir de couches de sédiments et la technologie de séquençage d'amplicons du gène de l'ARNr 16S a été utilisée pour la fraction bactérienne et archéenne et la technologie métagénomique shotgun a été utilisée dans quelques couches ciblées pour la fraction virale. Des analyses bio-informatiques et statistiques ont ensuite été effectuées pour réaliser l'affiliation taxonomique et les comparaisons de la diversité microbienne des couches des carottes de sédiments des lacs, l'hypothèse étant que la diversité microbienne varierait avec le temps et que cette dynamique reflèterait les changements environnementaux passés dans le bassin versant. Les résultats obtenus dans cette recherche nous permettent de conclure qu'il y a bien des changements au niveau des structures des communautés microbiennes au fil du temps qui semblent être influencées par les changements environnementaux subits par la vallée de Stuckberry et les variances entre les lacs semblent être dues à leur composition physico-chimique respective et à leur temps d'évolution différent. Ce travail contribue à de nouvelles connaissances sur les forces à l'origine des changements épisodiques et interannuels des communautés microbiennes. / Stuckberry Valley experienced significant climatic variability during the Holocene and is currently an environment in rapid transition due to rising temperatures. The retreat of the main glacier from the valley resulted in the formation of four lakes, where the age of each lake is proportional to its elevation above the Arctic Ocean. The sediments from these lakes represent a treasure trove of information about past changes in the Stuckberry Valley watershed and provide a "long-term memory" of how the lakes responded to these changes. The specific objective of the study is to characterize changes over time in the structure of microbial communities. To do this, DNA was extracted from discrete sediment layers followed by 16S rRNA gene amplicon sequencing for the bacterial and archaeal fractions and shotgun sequencing of a few targeted layers to characterize viruses. Bioinformatics and statistical analyses were then performed to determine taxonomic affiliations and to compare the microbial diversity of the sediment core layers of the four lakes, based on the hypothesis that the microbial diversity would vary over time and that this dynamic reflected past environmental changes in the watershed. Our results suggest that the structure of the microbial community over time was influenced by environmental changes in Stuckberry Valley, while the variation between lakes appears to result from their respective physico-chemical composition and their different ages. This work gives new insight into the forces behind episodic and interannual changes in microbial communities.

Les tendances climatiques récentes montrent un réchauffement et un adoucissement des couches de surface dans la région du courant circumpolaire antarctique (ACC).Sur la même période, les vents d'ouest pilotant la circulation de l'océan Austral ont significativement augmentés. Cette augmentation est en partie liée à l'intensification du mode annulaire austral (SAM), principal mode de variabilité atmosphérique au sud de 20°S. Dans cette thèse, on s'intéresse à comprendre les effets de la tendance positive du SAM sur les propriétés des masses d'eau formées dans la région de l'ACC.A cette fin, on met en place une stratégie de simulations régionales couplées océan-glace de mer et forcées par une série de scénarios atmosphériques perturbés. Les scénarios atmosphériques sont construits à partir de réanalyses atmosphériques afin de décrire les différentes composantes (dynamiques et thermodynamiques) des changements liés au SAM.En réponse à l'intensification du SAM, les simulations montrent une forte salinisation de la couche de mélange océanique ainsi que des eaux modales (SAMW) et intermédiaires (AAIW).L'essentiel de ces changements peut être attribué aux composantes dynamiques du SAM. Dans les régions saisonnières englacées, les composantes thermodynamiques du SAM peuvent jouer un rôle important (en particulier en mer d'Amundsen et en mer de Weddell). Les simulations montrent également le rôle clef joué par la glacede mer dans la médiation des changements atmosphériques vers l'océan intérieur. Ces résultats de simulations suggèrent que le SAM ne serait pas le seul pilote des tendances climatiques récentes dans l'océan Austral. / Recent climate trends show a warming and freshening of the surface layers in the region of the Antarctic Circumpolar Current (ACC). Over the same period, the westerlies driving the circulation of the Southern Ocean have significantly increased. This increase is partly due to the intensification of the Southern Annular Mode (SAM), the main mode of atmospheric variability south of 20°S. In this thesis, we are interested in understanding the effects of the positive trend of the SAM onto the properties of water masses formed in the region of the ACC. To do so, we implement a strategy of regional coupled ocean-sea ice simulations forced by a series of atmospheric disturbance scenarios.These scenarios are constructed from atmospheric reanalyses in order to describe the various components (dynamic and thermodynamic) of the changes related to the SAM. In response to the increase of the SAM, the simulations show a significant salinification of the ocean mixed layer and of the mode water (SAMW) and intermediate water (AAIW).Most of these changes can be attributed to the dynamic components of the SAM. In Seasonal Ice Zone, the thermodynamic components of the SAM can play an important part (especially in Amundsen Sea and Weddell Sea). The simulations also show the key role played by sea ice in mediating atmospheric changes toward the interior ocean.These simulation results suggest that SAM is not the only driver of recent climate trends in the Southern Ocean.

Il a récemment été démontré que la glace de mer antarctique pouvait jouer un rôle significatif dans la dynamique des gaz à effet climatique (dont le dimethylsulfure ou DMS) dans les régions polaires. Ce travail s’est d’abord attaché à la mise au point d’une méthode de mesure fiable du diméthylsulfoxyde (DMSO) dans la glace de mer, supprimant les interférences générées par la production de DMS au sein de l’échantillon en réponse au choc osmotique subi lors de la fonte de l’échantillon de glace. Une procédure de détermination séquentielle du DMS, par broyage à sec, puis du dimethylsulfoniopropionate (DMSP) et du DMSO sur le même échantillon de glace a été développée et utilisée à large échelle dans ce travail. Les données du présent travail ont été acquises dans le cadre de deux programmes d’observation intégrés menés sur la glace de mer antarctique à des saisons différentes mais avec une méthodologie commune :1) choix de sites d’étude homogènes afin de minimiser l’impact de la variabilité spatiale sur l’interprétation des résultats dans une optique d’évolution temporelle et 2) priorité à la caractérisation du cadre physico-chimique (texture, température, salinité, couvert de neige, susceptibilité au drainage des saumures,….) avant toute autre analyse. L’étude menée dans le cadre du programme ISPOL (nov.–dec. 2004) a permis d’observer que la stratification des saumures a un impact positif sur la conversion du DMSP en DMS au sein de la glace mais ralentit les flux de DMS et DMSP vers l’océan. Le couvert de glace est caractérisé à cette période de l’année par une perte nette de DMSP et génère des flux combiné de DMS et DMSP du même ordre de grandeur que les flux de DMS atmosphériques mesurés dans le cadre d’autres études. L’étude menée dans le cadre du programme SIMBA (sept.–oct. 2007) a permis de mettre en évidence l’importance du forçage atmosphérique sur le régime thermique et la dynamique du DMS/P/O dans la glace. Les communautés d’algues de surface produisent de fortes concentrations de DMS/P/O en réponse au stress thermique, osmotique et potentiellement radiatif durant les périodes de refroidissement et la mise en place d’un régime soutenu de drainage des saumures contribue à évacuer périodiquement les hautes concentrations de DMS/P/O produites dans la glace vers l’océan sous-jacent. Le couvert de glace affichant une production nette de DMS/P/O à cette période de l’année génère des flux combinés de DMS et DMSP plus de dix fois supérieurs à ceux observés pour la glace estivale. L’étude menée sur de la glace artificielle a permis de mettre en évidence l’impact des processus physico-chimiques sur la signature en gaz de la glace en croissance constituant un premier pas vers la modélisation des transports de gaz dans la glace de mer et leurs échanges au travers des interfaces glace-océan et glace-atmosphère. <p><p><p>SUMMARY - It has recently been demonstrated that Antarctic sea ice recently demonstrated plays a potentially significant role in the dynamics of climatically significant gases (amongst which dimethylsulphide or DMS) in Polar Regions. This research work has initially focused on the development of a reliable method for the determination of dimethylsulphoxide (DMSO) within sea ice, avoiding interferences generated by DMS production within the sample in response to the osmotic shock caused by melting. A sequential determination procedure of DMS, dimethlsulphoniopropionate (DMSP) and DMSO on the same ice sample has been developed and used on a large amount of samples in the present work. Data presented in this research project have been collected in the framework of two integrated sea ice observation programs focused on Antarctic sea ice at different seasons but following a common approach: 1) choice of homogeneous study sites to minimize the impact of spatial variability on the interpretation of the results in a time series perspective and 2) priority given to the characterization of the physicochemical framework (texture, temperature, salinity, snow cover, susceptibility to brine drainage,…) prior to any other study. The study conducted in the framework of the ISPOL experiment (Nov.–Dec. 2004) demonstrated that stratification of the brine inclusions network positively influenced the conversion of DMSP into DMS but decreased fluxes of DMS and DMSP towards the ocean. The ice cover at that time of the year is characterised by a net DMSP loss and generates combined DMS and DMSP fluxes whose values fall in the range of atmospheric DMS flux from sea ice measured in the frame of other studies. The study conducted in the framework of the SIMBA experiment (sept.–oct. 2007) emphasized the importance of atmospheric thermal forcing on the sea ice thermal regime and DMS/P/O dynamics. The surface community of algae produced elevated levels of DMS/P/O in response to thermal, osmotic and potentially radiative stress during periods of atmospheric cooling while the development of an intense brine drainage regime contributed to periodically release the elevated levels of DMS/P/O produced in the sea ice towards the underlying ocean. The ice cover exhibited at that time of the year a net production of DMS/P/O and produced combined DMS and DMSP fluxes more than ten times higher than those observed for summer sea ice. The study conducted on laboratory prepared growing sea ice emphasised the impact of physicochemical processes on the gas signature of growing sea ice and represents a first step towards modelling gas exchanges within sea ice and across its interfaces with the ocean and the atmosphere.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished