L'analyse des cernes de croissance des arbres peut être un outil utile pour dater les événements géomorphologiques dans les régions où les données historiques sont rares ou manquantes. Dans cette étude, deux glissements de terrain rétrogressifs de la région de Fort McPherson, T.N.O, ont été étudiés par l’analyse dendrochronologique des épinettes noires (Picea mariana (Mill) BSP)) endommagées par l’évènement. Le mouvement a incliné de nombreux arbres, a endommagé leurs systèmes racinaires et les a déplacé de leur position initiale. Une trentaine d’épinettes perturbées, sur deux sites (Mélanie et Charas), ont été échantillonnées le long de la coulée de boue ainsi qu’aux limites de cette même coulée, certaines retrouvées à la verticale dans le plancher du glissement, et d’autres dans un ancien chenal abandonné. En outre, 35 épinettes bien droites, debout, intactes et non perturbées ont également été échantillonnées sur les sites afin d'établir une série de référence maitresse. Dans le premier cas, au site Mélanie, une analyse des cernes des arbres perturbés a révélé des anomalies dans la croissance des arbres. Plus précisément, une réduction des cernes de croissance a été remarquée dans les dernières années de la vie des arbres. Par ailleurs, une augmentation brutale de la largeur des cernes au même endroit a été retrouvée sur des arbres inclinés (bois de réaction). D’après des résultats, le glissement de terrain à ce site est considéré avoir eu lieu en 2002. Au deuxième site (site des Charas), en raison du nombre limité d’arbres laissés sur le terrain en plus d’une répartition spatiale assez grande, la dendrochronologie ne peut pas identifier avec précision l’année initiale du glissement de terrain du site des Charas. Les arbres se trouvant dans le sens de l'écoulement n’ont pas toujours représenté des signes de perturbation au cours d'une année en particulier, même si nous sommes convaincus qu'ils doivent avoir été localisés dans la zone touchée par l'événement. Bref, les données montrent que les perturbations à ce site se sont étalées sur plusieurs années -ce n'est donc pas un événement unique- et que tous les arbres n'ont pas tous été impactés au même degré et dans la même année.

L'analyse des cernes de croissance des arbres peut être un outil utile pour dater les événements géomorphologiques dans les régions où les données historiques sont rares ou manquantes. Dans cette étude, deux glissements de terrain rétrogressifs de la région de Fort McPherson, T.N.O, ont été étudiés par l’analyse dendrochronologique des épinettes noires (Picea mariana (Mill) BSP)) endommagées par l’évènement. Le mouvement a incliné de nombreux arbres, a endommagé leurs systèmes racinaires et les a déplacé de leur position initiale. Une trentaine d’épinettes perturbées, sur deux sites (Mélanie et Charas), ont été échantillonnées le long de la coulée de boue ainsi qu’aux limites de cette même coulée, certaines retrouvées à la verticale dans le plancher du glissement, et d’autres dans un ancien chenal abandonné. En outre, 35 épinettes bien droites, debout, intactes et non perturbées ont également été échantillonnées sur les sites afin d'établir une série de référence maitresse. Dans le premier cas, au site Mélanie, une analyse des cernes des arbres perturbés a révélé des anomalies dans la croissance des arbres. Plus précisément, une réduction des cernes de croissance a été remarquée dans les dernières années de la vie des arbres. Par ailleurs, une augmentation brutale de la largeur des cernes au même endroit a été retrouvée sur des arbres inclinés (bois de réaction). D’après des résultats, le glissement de terrain à ce site est considéré avoir eu lieu en 2002. Au deuxième site (site des Charas), en raison du nombre limité d’arbres laissés sur le terrain en plus d’une répartition spatiale assez grande, la dendrochronologie ne peut pas identifier avec précision l’année initiale du glissement de terrain du site des Charas. Les arbres se trouvant dans le sens de l'écoulement n’ont pas toujours représenté des signes de perturbation au cours d'une année en particulier, même si nous sommes convaincus qu'ils doivent avoir été localisés dans la zone touchée par l'événement. Bref, les données montrent que les perturbations à ce site se sont étalées sur plusieurs années -ce n'est donc pas un événement unique- et que tous les arbres n'ont pas tous été impactés au même degré et dans la même année.

L'analyse des cernes de croissance des arbres peut être un outil utile pour dater les événements géomorphologiques dans les régions où les données historiques sont rares ou manquantes. Dans cette étude, deux glissements de terrain rétrogressifs de la région de Fort McPherson, T.N.O, ont été étudiés par l’analyse dendrochronologique des épinettes noires (Picea mariana (Mill) BSP)) endommagées par l’évènement. Le mouvement a incliné de nombreux arbres, a endommagé leurs systèmes racinaires et les a déplacé de leur position initiale. Une trentaine d’épinettes perturbées, sur deux sites (Mélanie et Charas), ont été échantillonnées le long de la coulée de boue ainsi qu’aux limites de cette même coulée, certaines retrouvées à la verticale dans le plancher du glissement, et d’autres dans un ancien chenal abandonné. En outre, 35 épinettes bien droites, debout, intactes et non perturbées ont également été échantillonnées sur les sites afin d'établir une série de référence maitresse. Dans le premier cas, au site Mélanie, une analyse des cernes des arbres perturbés a révélé des anomalies dans la croissance des arbres. Plus précisément, une réduction des cernes de croissance a été remarquée dans les dernières années de la vie des arbres. Par ailleurs, une augmentation brutale de la largeur des cernes au même endroit a été retrouvée sur des arbres inclinés (bois de réaction). D’après des résultats, le glissement de terrain à ce site est considéré avoir eu lieu en 2002. Au deuxième site (site des Charas), en raison du nombre limité d’arbres laissés sur le terrain en plus d’une répartition spatiale assez grande, la dendrochronologie ne peut pas identifier avec précision l’année initiale du glissement de terrain du site des Charas. Les arbres se trouvant dans le sens de l'écoulement n’ont pas toujours représenté des signes de perturbation au cours d'une année en particulier, même si nous sommes convaincus qu'ils doivent avoir été localisés dans la zone touchée par l'événement. Bref, les données montrent que les perturbations à ce site se sont étalées sur plusieurs années -ce n'est donc pas un événement unique- et que tous les arbres n'ont pas tous été impactés au même degré et dans la même année.

L'analyse des cernes de croissance des arbres peut être un outil utile pour dater les événements géomorphologiques dans les régions où les données historiques sont rares ou manquantes. Dans cette étude, deux glissements de terrain rétrogressifs de la région de Fort McPherson, T.N.O, ont été étudiés par l’analyse dendrochronologique des épinettes noires (Picea mariana (Mill) BSP)) endommagées par l’évènement. Le mouvement a incliné de nombreux arbres, a endommagé leurs systèmes racinaires et les a déplacé de leur position initiale. Une trentaine d’épinettes perturbées, sur deux sites (Mélanie et Charas), ont été échantillonnées le long de la coulée de boue ainsi qu’aux limites de cette même coulée, certaines retrouvées à la verticale dans le plancher du glissement, et d’autres dans un ancien chenal abandonné. En outre, 35 épinettes bien droites, debout, intactes et non perturbées ont également été échantillonnées sur les sites afin d'établir une série de référence maitresse. Dans le premier cas, au site Mélanie, une analyse des cernes des arbres perturbés a révélé des anomalies dans la croissance des arbres. Plus précisément, une réduction des cernes de croissance a été remarquée dans les dernières années de la vie des arbres. Par ailleurs, une augmentation brutale de la largeur des cernes au même endroit a été retrouvée sur des arbres inclinés (bois de réaction). D’après des résultats, le glissement de terrain à ce site est considéré avoir eu lieu en 2002. Au deuxième site (site des Charas), en raison du nombre limité d’arbres laissés sur le terrain en plus d’une répartition spatiale assez grande, la dendrochronologie ne peut pas identifier avec précision l’année initiale du glissement de terrain du site des Charas. Les arbres se trouvant dans le sens de l'écoulement n’ont pas toujours représenté des signes de perturbation au cours d'une année en particulier, même si nous sommes convaincus qu'ils doivent avoir été localisés dans la zone touchée par l'événement. Bref, les données montrent que les perturbations à ce site se sont étalées sur plusieurs années -ce n'est donc pas un événement unique- et que tous les arbres n'ont pas tous été impactés au même degré et dans la même année.

De nombreuses tentatives de reconstruction de l’étendue du paléo-pergélisol à partir de données de terrain montrent que de grandes parties de la France ont été affectées à la fin du Pléistocène. Cette étendue maximale a été attribuée au Dernier Maximum Glaciaire (DMG). Néanmoins, des contradictions existent entre les différentes reconstructions qui ont été réalisées pendant près d’un siècle ; elles résident en partie dans l’absence de consensus sur la signification paléoclimatique de certaines structures périglaciaires. De plus, le cadre chronologique utilisé pour ces reconstructions est principalement basé sur des datations relatives et/ou sur l’hypothèse que le maximum de froid durant le dernier glaciaire a été atteint pendant le DMG. Dans ce contexte, il était nécessaire de réévaluer les structures déjà décrites à la lumière de notre connaissance actuelle des processus périglaciaires et d’en chercher de nouvelles pour datation. L’approche développée pour résoudre ces problèmes a été divisée en trois parties. Tout d’abord, une base de données homogène fournissant un accès simple aux structures périglaciaires répertoriées sur le territoire français a été constituée. Celle-ci permet de remettre un site ou une structure dans un contexte régional pour éviter les interprétations simplistes et favorise une vision à l’échelle nationale. Cette base de données est accessible en ligne (https://afeqeng.hypotheses.org/48). Les données en coupe concernant les coins sableux, les pseudomorphoses de coin de glace et les coins composites ainsi que les données obtenues à partir de photos aériennes sur les polygones et les sols striés ont été compilées. Dans la deuxième partie de notre travail, nous nous sommes attachés à traiter les données recueillies. L’analyse à l’aide d’un SIG nous a apportée des informations sur l’influence de différents facteurs sur le développement des structures périglaciaires. Des comparaisons avec un ensemble de données du Nord de l’Europe a rendu possible la proposition d’une nouvelle carte des limites du pergélisol lors de son extension maximale en Europe de l’Ouest. La carte a ensuite été comparée avec des simulations du pergélisol issues de Modèles Globaux du Climat. Enfin, la troisième partie de cette thèse fournit le premier cadre chronologique pour la fissuration par contraction thermique du sol en France, en s’appuyant sur la datation par luminescence optiquement stimulée (OSL) du remplissage sableux des coins. / During the Mid to Late Pleistocene, the land area affected by periglacial conditions expanded and contracted repeatedly over large surfaces in mid-latitude Western Europe. In such environments, permafrost or deep seasonal freezing of the ground formed typical features, which have been the subject of abundant research by geomorphologists. In particular, researchers attempted to reconstruct the maximal extent of Pleistocene permafrost based on field evidence. Although most reconstructions suggest that permafrost spread over part of France during the coldest periods of the Pleistocene, there is no agreement regarding the land surface affected. This is mainly due to the scarcity of field data used for mapping and to the questionable palaeoclimatic significance of certain periglacial features. In addition, permafrost modelling during the Last Glacial Maximum using Global Climate Models does not seem consistent with field data. To solve these issues, a database of Pleistocene periglacial features has been compiled from a review of academic literature and unpublished reports, the analysis of aerial photographs and new field surveys. Polygons, soil stripes, ice-wedge pseudomorphs, sand wedges and composite wedge pseudomorphs were included in the database together with their geographic coordinates, geological context, description and references. The distribution of the identified features was analysed with a GIS software and clearly indicates that large areas in France were affected by periglaciation, apart from the southwesternmost part of France and the Languedoc. Ice-wedge pseudomorphs do not extend south of 47°N which indicates that widespread discontinuous permafrost did not affect the land south of the Paris basin. The exclusive presence of sand wedges with primary infill between 45 and 47°N, mainly in the periphery of coversands, suggests that thermal contraction cracking of the ground occurred together with sand drifting in a context of deep seasonal frost or sporadic discontinuous permafrost, unfavourable for the growth of significant ground-ice bodies. However, the description of composite-wedge pseudomorphs below 47°N indicates that at least locally ice veins formed probably during exceptionally cold winters. To provide a chronological framework for thermal contraction cracking single-grain OSL measurements were performed on 33 samples taken in the sandy infilling of sand-wedges and composite-wedge pseudomorphs. Results suggest that multiple events were recorded within wedges. The extraction of the datasets using the Finite Mixture Model, which was developed to analyse statistically data comprising multiple components, allowed calculating 86 ages. These age estimates show that wedge activity in France occurred at least 11 times over the last 100 ka. The most widespread events of thermal contraction cracking occurred between ca. 30 and 24 ka (Last Permafrost Maximum) and are concomitant with periods of high sand availability (MIS 2). Although most phases of sand-wedge growth correlate well with known Pleistocene cold periods, the identification of wedge activity during late MIS 5 and the very beginning of the Holocene strongly suggests that sand-wedges do not only indicate permafrost but also deep seasonal ground freezing in the context of low winter insolation. The previously published young ages yielded by North-European sand-wedges likely result from poor record of periglacial periods concomitant with low sand availability and/or age averaging inherent to standard luminescence methods. This work allowed us to propose a map of the maximum extent of Late Pleistocene permafrost in France, which partially reconciles field data with palaeoclimatic simulations. The remaining discrepancies may be linked with a potential time lag between the Last Permafrost Maximum (c. 31–24 ka) and the Last Glacial Maximum (21 ka) and to the already identified warm winter bias of the models.

Sur Terre, les régions périglaciaires ayant un pergélisol riche en glace peuvent enregistrer les changements climatiques globaux. Ce pergélisol contenant 50-80 % de glace en volume s'est formé lors des grandes périodes glaciaires du Pléistocène. Par la suite, ce pergélisol riche en glace a subi une dégradation intense lors de réchauffements climatiques globaux au début de la période interglaciaire de l'Holocène.La planète Mars comporte un pergélisol à l'échelle planétaire dont la formation serait associée à des changements climatiques globaux provoqués par des variations chaotiques de son orbite durant les derniers millions d'années. La région d'Utopia Planitia située dans les moyennes latitudes nord de Mars présente différents modelés de surface (“ scalloped depressions ”, polygones, cavités à la jonction des polygones) interprétés comme s'étant formés à partir d'un pergélisol contenant potentiellement une grande quantité de glace. De la même manière que sur Terre, ce pergélisol a pu enregistrer les derniers changements climatiques globaux survenus sur Mars.Cette thèse propose d'étudier comparativement l'impact des changements climatiques sur le paysage des régions périglaciaires sur Terre et sur Mars. Dans ce but, nous avons conduit des études sur le terrain des processus et des modelés périglaciaires en Yakoutie Centrale (Sibérie) et dans le delta du Mackenzie (Canada) associées à une étude géomorphologique à haute résolution des modelés d'Utopia Planitia.Notre étude montre que l'ensemble des modelés d'Utopia Planitia est similaire en morphologie, taille et association spatiale à celui de la Yakoutie Centrale et du delta du Mackenzie (lacs thermokarstiques, polygones, mares à la jonction des polygones) indiquant que la région présenterait un pergélisol riche en glace. Le pergélisol serait composé de sédiments stratifiés et dont l'âge de formation minimale est estimé entre ~ 5 et 100 Ma. Le pergélisol contiendrait un volume de glace important (≥ 50 % en volume) sur une épaisseur de ~ 70 m.De part ses caractéristiques, ce pergélisol aurait une origine syngénétique : sa formation serait le résultat d'une accumulation importante de sédiments au sein du bassin d'Utopia Planitia sous des conditions froides permettant le gel in-situ des sédiments. Les sédiments peuvent avoir été déposés par des vallées de débâcles provenant d'Elysium Mons et/ou par une activité éolienne importante. Par ailleurs, la formation synchrone d'une calotte de glace régionale près d'Utopia Planitia lors de périodes de moyenne obliquité (~ 35°) de Mars pourrait avoir induit un dépôt éolien préférentiel dans Utopia Planitia.Par la suite, le pergélisol riche en glace aurait subi une dégradation régionale importante entre ~ 5 et 10 Ma. Ce thermokarst aurait été déclenché par une insolation accrue lors de périodes de haute obliquité (~ 45°) de Mars. L'augmentation des températures aurait provoqué une déstabilisation thermique du pergélisol entraînant une sublimation de la glace, modifiant profondément le paysage de la région.Ainsi, les variations importantes de l'obliquité de Mars ont généré des changements climatiques globaux qui ont permis la formation et la dégradation du pergélisol riche en glace d'Utopia Planitia entre ~ 5 et 10 Ma. / On Earth, periglacial regions where an ice-rich permafrost is present provide a record of global climate changes. For example, the ice-rich permafrost (50-80 % of ice by volume) that occurs in Central Yakutia (Siberia) and in the Mackenzie River Delta (Canada) was formed during the glacial periods of the Pleistocene. This permafrost was subsequently degraded during global warming at the early Holocene interglacial period.Global and possibly ice-rich permafrost occurs on Mars as well. It is thought to be the product of obliquity-driven and relatively recent global climate change (i.e. dozens of Ma). Utopia Planitia, situated in the northern mid-latitudes, is dotted with possible periglacial landforms (scalloped depressions, polygons and polygon-junction pits) that could indicate the presence of an ice-rich permafrost. Similarly to Earth, this permafrost could be marker of recent global climate changes.This thesis focuses on the impact of global climate changes on the periglacial regions of Earth and Mars. With this aim in view, we conducted (i) field studies of the periglacial processes and landforms in the Central Yakutia (Siberia) and in the Mackenzie River Delta (Canada) and, (ii) a geomorphological study (based on high-resolution images) of the putative-periglacial landforms of Utopia Planitia.Our study shows that the assemblage of landforms in Utopia Planitia share traits of form, scale and spatial association with the landforms of the Central Yakutia and of the Mackenzie Delta (thermokarst lakes, polygons and polygon-junction ponds) indicating that Utopia Planitia has an ice-rich permafrost. The permafrost is composed of stratified sediments ~ 70 m thick with a high ice-content (possibly ≥ 50 % by volume).The permafrost appears to have a syngenetic origin: it was formed by an accumulation of sediments in the basin of Utopia Planitia under cold climate conditions that leaded to the in-situ freezing of the sediments. The sediments could have been deposited by outflow valleys from Elysium Mons and/or by an eolian activity. With regard to the latter, the synchronous formation of a possible regional ice-sheet near Utopia Planitia during medium-obliquity (~ 35°) periods of Mars could have induced a preferential eolian deposition in Utopia Planitia.Subsequently, the ice-rich permafrost was regionally degraded between ~ 5 and 10 Ma. The thermokarst was triggered by an increase of insolation during high-obliquity (~ 45°) periods of Mars. The increase of temperature caused the thermal destabilization of the permafrost inducing the sublimation of ground-ice, deeply modifying the landscape.Thus, important obliquity variations of Mars caused global climate changes that could have induced the formation and the degradation of the ice-rich permafrost of Utopia Planitia between ~ 5 and 10 Ma.

Sur Terre, les régions périglaciaires ayant un pergélisol riche en glace peuvent enregistrer les changements climatiques globaux. Ce pergélisol contenant 50-80 % de glace en volume s'est formé lors des grandes périodes glaciaires du Pléistocène. Par la suite, ce pergélisol riche en glace a subi une dégradation intense lors de réchauffements climatiques globaux au début de la période interglaciaire de l'Holocène.La planète Mars comporte un pergélisol à l'échelle planétaire dont la formation serait associée à des changements climatiques globaux provoqués par des variations chaotiques de son orbite durant les derniers millions d'années. La région d'Utopia Planitia située dans les moyennes latitudes nord de Mars présente différents modelés de surface (" scalloped depressions ", polygones, cavités à la jonction des polygones) interprétés comme s'étant formés à partir d'un pergélisol contenant potentiellement une grande quantité de glace. De la même manière que sur Terre, ce pergélisol a pu enregistrer les derniers changements climatiques globaux survenus sur Mars.Cette thèse propose d'étudier comparativement l'impact des changements climatiques sur le paysage des régions périglaciaires sur Terre et sur Mars. Dans ce but, nous avons conduit des études sur le terrain des processus et des modelés périglaciaires en Yakoutie Centrale (Sibérie) et dans le delta du Mackenzie (Canada) associées à une étude géomorphologique à haute résolution des modelés d'Utopia Planitia.Notre étude montre que l'ensemble des modelés d'Utopia Planitia est similaire en morphologie, taille et association spatiale à celui de la Yakoutie Centrale et du delta du Mackenzie (lacs thermokarstiques, polygones, mares à la jonction des polygones) indiquant que la région présenterait un pergélisol riche en glace. Le pergélisol serait composé de sédiments stratifiés et dont l'âge de formation minimale est estimé entre ~ 5 et 100 Ma. Le pergélisol contiendrait un volume de glace important (≥ 50 % en volume) sur une épaisseur de ~ 70 m.De part ses caractéristiques, ce pergélisol aurait une origine syngénétique : sa formation serait le résultat d'une accumulation importante de sédiments au sein du bassin d'Utopia Planitia sous des conditions froides permettant le gel in-situ des sédiments. Les sédiments peuvent avoir été déposés par des vallées de débâcles provenant d'Elysium Mons et/ou par une activité éolienne importante. Par ailleurs, la formation synchrone d'une calotte de glace régionale près d'Utopia Planitia lors de périodes de moyenne obliquité (~ 35°) de Mars pourrait avoir induit un dépôt éolien préférentiel dans Utopia Planitia.Par la suite, le pergélisol riche en glace aurait subi une dégradation régionale importante entre ~ 5 et 10 Ma. Ce thermokarst aurait été déclenché par une insolation accrue lors de périodes de haute obliquité (~ 45°) de Mars. L'augmentation des températures aurait provoqué une déstabilisation thermique du pergélisol entraînant une sublimation de la glace, modifiant profondément le paysage de la région.Ainsi, les variations importantes de l'obliquité de Mars ont généré des changements climatiques globaux qui ont permis la formation et la dégradation du pergélisol riche en glace d'Utopia Planitia entre ~ 5 et 10 Ma.

La présente étude vise d'une part à comprendre l'état et le fonctionnement du pergélisol de montagne dans le contexte d'un massif cristallin très peu englacé (massif du Combeynot, Hautes Alpes), et d'autre part à en restituer la répartition et l'évolution à des échelles de temps et d'espace variables. Tout d'abord, les dispositifs de suivi du pergélisol, aidés par la succession de trois années contrastées en termes nivo-météorologiques, ont révélé les particularités du fonctionnement thermique de la surface du glacier rocheux de Laurichard. La spatialisation des températures de surface en hiver montre ainsi clairement l'effet de la canicule de l'été 2003 et de l'hiver 2003-2004, fortement et précocement enneigé, ce qui a nettement limité le refroidissement hivernal du sol. Cette relation avec l'enneigement, particulièrement en début d'hiver, ressort également de l'analyse comparée des vitesses d'écoulement du glacier rocheux et des données climatiques au cours des 20 dernières années. A l'échelle de l'ensemble du massif, la relation climat/pergélisol a été abordée par un modèle statistico-empirique rendant compte de l'influence des conditions topoclimatiques sur le pergélisol. Des études de cas menées sur quatre vallons du massif ont toutefois révélé que le contexte géodynamique local et son évolution au cours du Quaternaire sont, à l'échelle du versant et du bassin-versant, primordiales dans la répartition et l'état du pergélisol. Enfin, le réchauffement climatique récent semble avoir eu pour effet une accélération des vitesses de fluage du pergélisol, qui pose la question de la stabilité des versants gelés en cours de dégradation.

Plusieurs études récentes ont montré que le réchauffement climatique des régions nordiques, deux fois plus important dans les hautes latitudes nord qu’ailleurs dans le monde, augmentait l’épaisseur de la couche active de surface en zones de pergélisol (couche superficielle du sol qui dégèle durant la période estivale). Cette modification de surface pourrait avoir un impact environnemental très important sur la libération du carbone du sol, l’hydrologie, les écosystèmes, ainsi que sur le pergélisol. Cette évolution commence déjà à avoir des répercutions socio-économiques importantes sur les infrastructures des communautés du Nord. Le but du projet est d’exploiter une nouvelle base de données satellites micro-onde, que nous venons de développer, pour l’analyse des températures de surface et de l’évolution du pergélisol (permafrost) au Canada-Alaska sur les 30 dernières années. Un des objectifs spécifiques du projet est de mettre au point une méthode de caractérisation des changements de la couche active de surface en zones de pergélisol par l’assimilation des observations spatiales dans un modèle de flux de chaleur dans le sol. L’évolution de l’étendue des zones de pergélisol dérivée sera analysée en fonction de la couverture du sol et de la dynamique du couvert nival, deux paramètres aussi dérivés par satellite. Possibilité de validation des modèles par mesures au sol avec nos radiomètres micro-ondes. Ce projet combine ainsi développement théorique, modélisation et traitement d’images numériques sur différents domaines scientifiques (physique de la mesure en télédétection, géophysique de l’environnement, écosystèmes, science des sols). / Recent studies showed that global warming in arctic areas, as twice as important in northern high latitudes than in the rest of the world, growed the thickness of the surface active layer in permafrost areas (superficial layer of the soil that thaws during summer period). This surface modification could have a major environmental impact on soil carbon release, hydrology, ecosystems, and permafrost. It already starts to have socio-economical impacts on north community infrastructures. The project's goal is to use a new microwave satellite database that has just been developed for the analysis of surface temperatures and changes in permafrost in Canada, Alaska over the past 30 years. One of the specific goals of the project is to develop a method to characterize changes in the surface active layer in permafrost areas by the assimilation of space observations in a heat flow model in the soil. The evolution of the extension of permafrost areas derived will be analyzed according to the coverage of soil and the dynamics of snow cover, two parameters also derived by satellite. Possibility of model validation by ground measurements with a microwaves radiometers. This project combines theoretical development, modeling and image processing on different scientific fields (physics of remote sensing measurement, Geophysics of the Environment, ecosystems, soil science).

Le pergélisol est une composante majeure du système climatique terrestre. Avec le réchauffement du climat, la dégel du pergélisol profite à l'activité biochimique qui décompose davantage de matière organique dans les sols arctiques et la rejette dans l'atmosphère sous forme de gaz à effet de serre (CO2, CH4). Ce phénomène pourrait constituer une rétroaction climatique positive majeure. Prédire ces effets nécessite d'étudier l'évolution du régime thermique du pergélisol ainsi que des facteurs qui l'influencent. Le manteau neigeux, de par son pouvoir isolant, contrôle les échanges de chaleur entre le sol et l'atmosphère une grande partie de l'année. Le flux de chaleur à travers la neige dépend de la hauteur du manteau neigeux et de la conductivité thermique des couches de neige qui le constituent. Ces deux variables sont elles-même très dépendantes des conditions climatiques et de la présence de végétation. Nous réalisons ici le suivi des propriétés de la neige et du sol d'un site haut arctique de toundra herbacée (Île Bylot, 73N), et d'un site bas arctique à la frontière de la toundra arbustive et forestière (Umiujaq, 56N). Nous utilisons les données issues de stations de mesure automatiques complétées par des mesures manuelles. Une attention particulière est portée sur la conductivité thermique de la neige, car peu de données sont disponibles pour les régions arctiques. Le modèle numérique couplé ISBA-Crocus est ensuite utilisé pour simuler les propriétés de la neige et du sol des deux sites étudiés. Les résultats sont comparés aux mesures de terrain afin d'évaluer la capacité du modèle à simuler le régime thermique des sols arctiques.Nous avons pu caractériser les interactions atmosphère-neige-végétation qui façonnent la structure des manteaux neigeux arctiques. Le vent et la redistribution de neige qu'il induit sont des paramètres fondamentaux qui déterminent la hauteur et la conductivité thermique de la neige. Un couvert végétal haut et dense (arbustes, arbres) piège la neige soufflée et l'abrite du tassement éolien. De plus, la structure ligneuse des massifs arbustifs soutient la masse de neige et empêche son tassement. Cet abri procure à la neige une capacité d'isolation élevée qui retarde le gel du sol dès les premières accumulations. Le refroidissement atmosphérique se poursuivant, le manteau neigeux peu épais est soumis à un gradient thermique élevé qui provoque d'importants transferts de vapeur d'eau depuis le sol et les couches de neige basales, vers les couches supérieures et l'atmosphère. La croissance de givre de profondeur qui s'opère, favorisée à la fois par le gradient thermique élevé et la faible densité de la neige, aboutit à la formation de couches très isolantes en contact avec la surface du sol. Tant que le sol demeure relativement chaud, la croissance de givre de profondeur perdure. Finalement, des épisodes de fonte peuvent avoir lieu en automne durant la mise en place du manteau neigeux dans les régions arctiques. Le regel de la neige peut rapidement annuler ou même temporairement inverser l'effet isolant des interactions neige-végétation. Une surface de neige gelée ne subit pas l'effet du vent et empêche sa redistribution. La formation de croûtes de regel à forte conductivité thermique accélère le refroidissement du sol. Le manteau neigeux affecté par la fonte au début de l'hiver a donc une capacité d'isolation diminuée qui pourrait entraver le réchauffement des sols arctiques. Nos résultats de simulation montrent que ces différents effets ne sont pas correctement représentés dans les modèles de neige. Les erreurs dans les conductivités thermiques de la neige simulées sont particulièrement problématiques puisqu'elles interviennent lors de la période de gel du sol. Étant donné l'étendue des régions affectées par le pergélisol, ces erreurs sur la modélisation de la neige arctique pourraient significativement affecter les simulations climatiques et les projections de la hausse des températures globales. / Permafrost is a major component of the Earth climatic system. Global warming provokes the degradation of permafrost which favors biogeochemical activity in Arctic soils. The decomposition of organic matter increases and results in the release of high amounts of greenhouse gases (CO2 and CH4) to the atmosphere. By amplifying the greenhouse effect induced by human activities, this phenomenon may constitute one of the strongest positive feedbacks on global warming. Predicting these effects requires to study the evolution of the permafrost thermal regime and the factors governing it. The snowpack, because of its insulating effect, modulates the heat fluxes between permafrost and atmosphere most of the year. The snow insulating capacity depends on snow height and thermal conductivity. These two variables are highly dependent on climatic conditions and on the presence of vegetation. Here we monitor the snow and soil physical properties at a high Arctic site typical of herbaceous tundra (Bylot Island, 73°N), and at a low Arctic site situated at the limit between shrub and forest tundra (Umiujaq, 56°N). We use data from automatic measurement stations and manual measurements. A special attention is given to the snow thermal conductivity because very few data are available for Arctic regions. Results are interpreted in relation to vegetation type and atmospheric conditions. The numerical coupled model ISBA-Crocus is then used to simulate snow and soil properties at our sites. Results are compared to field data in order to evaluate the model capacity to accurately simulate the permafrost thermal regime.We managed to describe atmosphere-snow-vegetation interactions that shape the structure of Arctic snowpacks. Wind and the snow redistribution it induces are fundamental parameters governing snow height and thermal conductivity. A high vegetation cover (i.e. shrubs and forest) traps blowing snow and shields it from wind compaction. Vegetation growth thus favors the formation of an insulating snowpack which slows down or even prevents soil freezing. Furthermore, the shrubs woody structure supports the snow mass and prevents the resulting compaction of bottom snow layers. Thus sheltered, snow in shrubs develops a high insulating capacity which delays soil freezing. Continued atmospheric cooling increases the thermal gradient in the snow, maintaining large water vapor transfers from the soil and the snow basal layers to upper layers and atmosphere. The growth of depth hoar, enhanced by the large thermal gradient and the low snow density, results in the formation of highly insulating snow layers thus constituting a positive feedback loop between soil temperature and snow insulation. As long as the soil stays relatively warm, depth hoar growth persists. Finally, if warm spells occur in autumn, they can trigger the partial melting of the early snowpack which can cancel or temporarily reverse the insulating effect of snow-vegetation interactions. A frozen snow surface prevents snow drifting and its redistribution. The presence of highly conductive refrozen layers facilitates soil cooling and reduces the thermal gradient. An early snowpack affected by melting is thus less insulative which could hamper Arctic soil warming. Simulation results show that these different effects are not correctly represented in snow models. Errors in the estimated snow thermal conductivities are particularly problematic as they highly affect the simulation of soil freezing. Given the area of permafrost-affected regions, these errors on Arctic snow modelling could significantly impact climate simulations and the global warming projections.