Thèse (M.Sc.Géogr.) -- Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. 86-91. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Afin de déterminer l'impact direct des changements climatiques sur la dynamique des coins de glace et le régime thermique du pergélisol, 16 sites d'échantillonnage dans la vallée de la rivière Narsajuaq (Nunavik, Canada) qui ont fait l'objet d'études substantielles sur les coins de glace en 1989 et 1990 ont été revisités entre 2016 et 2018. Les observations et les mesures démontrent qu'au cours des 25 dernières années, les coins de glace de la vallée de la rivière Narsajuaq ont subi une dégradation sans précédent de leurs excroissances, engendrant un approfondissement généralisé des étages principaux en raison de l'approfondissement de la couche active qui a atteint des profondeurs de 1,2 à 3,4 fois supérieures à celles de 1991. Le régime thermique des quatre principaux types de sols identifiés (organique sableux mince, organique sableux épais, organique épais et sables fluviatiles) dans la vallée a fait l'objet de simulations numériques afin de reproduire les changements de température du pergélisol depuis 1990 et de prévoir les variations de l'épaisseur de la couche active jusqu'en 2100. Au cours des dernières décennies, les coins de glace de tous les types de sol ont été actifs, se fissurant presque tous les ans, excepté en 2010, l'année la plus chaude jamais enregistrée. Pour le reste du 21ième siècle, les simulations prédisent l'arrêt complet de la fissuration du sol entre 2020 et 2095 en fonction du type de sol, des seuils de craquement et des scénarios climatiques choisis. Cependant, en prenant en compte la variabilité interannuelle du climat, il est très probable que plusieurs coins de glace cesseront de fissurer au cours des 20-30 prochaines années. La couche active a atteint une profondeur record en 2010, puis s'est amincie avec le refroidissement récent. Il est attendu qu'elle s'approfondisse suffisamment au cours des prochaines décennies pour causer une dégradation généralisée des coins de glace, ne laissant que des coins de glace fossiles en profondeurs dans le pergélisol d'ici la fin du siècle. Cette thèse propose également une nouvelle approche permettant d'améliorer les estimations des réserves de carbone dans le pergélisol arctique en se basant sur la photo-interprétation de la géologie de surface et des formes de relief ainsi que sur la reconstitution de l'histoire géologique du paysage. Une forte correspondance existe en effet, entre les formes du relief et les formations meubles d'une part et les stocks de carbone sous forme de matière organique dans les sols, d'autre part. / To determine the direct impact of climate change on ice-wedge dynamics and the permafrost thermal regime, 16 study sites in the Narsajuaq river valley (Nunavik, Canada) that were extensively studied for ice wedge between 1989 and 1991 were revisited between 2016 and 2018. Observations and measurements show that over the last 25 years, the ice wedges of the Narsajuaq river valley have experienced an unprecedented degradation of their upgrowth forms, resulting in a generalized deepening of their main stages due to the active layer reaching depths 1.2 to 3.4 times greater than in 1991. The thermal regime of the four main soil types identified (thin sandy peat, thick sandy peat, thick peat, fluvial sands) in the valley was modelled to reproduce permafrost temperature changes since 1990 and predict active layer thickness until 2100. In recent decades, ice wedges of all soil types have been active, cracking almost every year except in 2010, the warmest year on record. For the rest of the 21st century, simulations predict a complete cessation of soil cracking between 2020 and 2095 depending on the soil type, soil cracking threshold and the selected climate scenarios. However, based on the interannual variability of the climate in the region, it is very likely that ice wedges will stop cracking over the next 20-30 years. The active layer reached a record depth in 2010, then moved up with recent cooling. It is expected that the active layer will deepen sufficiently in the next few decades to cause widespread ice-wedge degradation, leaving only fossil ice-wedge roots deep in permafrost by the end of the century. This thesis also suggests a new approach to improve estimates of carbon stocks in Arctic permafrost based on image analysis of surface geology and landforms, as well as on the reconstitution of the geological history of Arctic permafrost landscapes. There is a strong connection between landscape features and surficial geology on the one hand, and carbon stocks as organic matter in soils on the other.

Malgré d’abondantes recherches sur le pergélisol au Nunavik, les sols polygonaux et la fissuration thermique du sol, aucune étude n’a encore été réalisée concernant la distribution spatiale de la fissuration active du sol par le gel et sur les sols polygonaux. Cette étude évalue l’activité de fissuration par le gel des polygones à fissures de contraction thermique sous les conditions climatiques actuelles et l’impact des paléoclimats froids de l’Holocène sur la répartition des polygones à travers les différentes zones bioclimatiques du Nunavik. Des milliers de photographies aériennes géoréférencées (n= 80 737) ainsi que les images satellitaires disponibles et accessibles via le logiciel ArcMap d’Esri (264 504,14 km²) ont été analysés afin de dresser un inventaire des polygones de toundra du Nunavik. Au total, 4 567 réseaux polygonaux ont été inventoriés. Pour chaque site répertorié, l’arrangement géométrique (par exemple : réseaux ouverts, fermés ou sans structure organisée), les angles d’intersection, les ordres de fissuration, le type de bombement et de bourrelets (plats, à centre surélevé, etc.), la nature du dépôt de surface affecté et la nature de la végétation dominante ont été notés et enregistrés dans une base de données. Les résultats et la modélisation des conditions de fissuration indiquent que les réseaux polygonaux actuellement actifs sont localisés au-delà du 60e parallèle Nord dans les dépôts organiques ou sur les terrasses sablonneuses recouvertes par un dépôt organique. Les tests statistiques effectués sur notre échantillon (n= 4 567) ont démontré qu’il existe une forte relation de covariance entre la nature du dépôt et les différents angles formant les réseaux. Il existe une prépondérance des réseaux orthogonaux (90°) sur les terrains plats ouverts où les contraintes thermo-mécaniques sont spatialement réparties de façon homogène dans le sol. Lorsque la topographie locale irrégulière engendre des flux de chaleur inégaux et des contraintes thermo-mécaniques hétérogènes, forçant un patron de fissuration irrégulier, le réseau tend à former un patron hexagonal (120°). / Despite abundant research in Nunavik on permafrost, ice-wedge polygons and ground thermal cracking, no study has yet been addressing the spatial distribution of active frost cracking and of thermal contraction crack polygons. To fill that knowledge gap, this study evaluates the spatial distribution of actively cracking polygons under the current climate conditions across the different bioclimatic zones of Nunavik. The study also assesses the importance of cold Holocene climate episodes for the formation of polygonal networks over the territory. Thousands of geo-referenced aerial photographs (80 737) and Esri satellite images (264,504.14 km²) were analyzed to conduct an extensive inventory of Nunavik's tundra polygons. A total of 4,567 polygonal networks were inventoried. For each identified site, the arrangement (e. g. open, closed or unorganized networks), intersections (angles), cracking orders (primary, secondary and tertiary cracks), type of bulge and rims (flat, high-centred, low-centred), the affected surficial geological materials and the vegetation cover were noted and compiled in a database. Mapping of the results and modelling of cracking conditions indicate that currently active polygonal networks are only present beyond 60°N, in the herbaceous tundra principally in organic soils, on raised beaches and on sandy organic-covered fluvial terraces. In addition, the statistical tests carried out on our sampled population showed that there is a strong dependency between the types of surficial deposits and the different angles forming the polygonal networks. Orthogonal polygons (90° intersection angles) dominate on flat terrains where the thermo-mechanical stresses are spatially homogenous and hexagonal polygons (120° intersection angles) are observed more likely on uneven terrain where local topography generates non-homogenous heat flows and uneven thermo-mechanical stresses in the ground, thus forcing a less regular cracking pattern

Thèse (M.Sc)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. 75-86. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Comme on l'observe dans le reste du Nunavik, la communauté d'Inukjuak connaît une forte croissance démographique. Il en découle un besoin accru en matière de logements et d'infrastructures. Il est donc essentiel de connaître les caractéristiques du sol lors de la planification urbaine, afin d'adapter les pratiques de construction et l'aménagement du territoire aux conditions de pergélisol locales. Dans cette optique, l'objectif principal de ce mémoire de maîtrise est de préciser la profondeur du roc, ainsi que la répartition et la stratigraphie des sédiments sur le territoire d'Inukjuak afin de fournir des connaissances supplémentaires destinées à l'évaluation des impacts associés au dégel du pergélisol pour les bâtiments et les infrastructures, dans un contexte de changements climatiques. Pour y parvenir, près de 20 km linéaires de levés de géoradar ont été réalisés lors des étés de 2015 et de 2017. L'interprétation de ces levés a nécessité l'utilisation des photographies aériennes, des cartes de dépôts de surface ainsi que des rapports d'excavations et de forages disponibles, en plus d'observations effectuées sur le terrain. Bien que certains secteurs d'Inukjuak reposent sur des sédiments fins et riches en glace, d'autres secteurs, comme la pointe sud-ouest du village, reposent sur des sables stratifiés épais ainsi que sur des dépôts de sables minces sur le roc peu profond. Outre les espaces en dépôts meubles, de nombreux et vastes affleurements rocheux sont également présents dans le village.

Située dans la région de la rivière Biscarat au Nunavik, l'étude a été réalisée grâce à 18 profils de sols situés sous les sillons de polygones de toundra, un profil au géoradar, deux forages et les données climatiques d'une station automatique locale. Cinq phases de développement du réseau polygonal ont été reconstituées: 1. émersion et fissuration thermique initiale du sol (1041 ans cal. BP); 2. interruption de la fissuration et sédimentation localisée entre 900-700 cal. BP ; 3. réactivation de la fissuration entre 700-50 ans cal. BP ; 4. interruption de la fissuration (1900-1950); 5. fissuration sporadique (depuis 1960). Ces données permettent de mieux définir les conditions régissant l'activité des coins de glace actifs présents sous les sillons des réseaux dans une région climatiquement à la limite méridionale favorable du développement de ces formes. Malgré le réchauffement actuel, le climat demeure propice à une fissuration sporadique du réseau polygonal.

L'augmentation de la décomposition de la matière organique des cryosols arctiques sous l'effet du réchauffement et de la dégradation du pergélisol contribuerait à une rétroaction positive sur les changements climatiques. Nous étudions le fonctionnement biogéochimique de deux Cryosols: un cryosol histique (H) et un cryosol turbique (T), en conditions naturelles et réchauffés. Les profils ont été instrumentés à Salluit (Nunavik, Canada) et les mesures ont été faites pendant les étés 2010 et 2011. Le réchauffement augmente la respiration de l'écosystème (ER) de manière plus intense pour H que pour T, bien que ER pour H soit plus faible. La sensibilité thermique de ER (Q10) est supérieure pour T que pour H et diminue avec le réchauffement. L'étude montre que les cycles journaliers de ER en fonction de la temperature forment des hystérésis. La variance de ER est mieux expliquée en utilisant la température minimale de la journée et la profondeur du front de dégel pour H. Pour T, l'ajout de la vitesse du vent et la radiation solaire améliore l'explication de la variance de ER. Nous montrons trois dynamiques spécifiques aux écosystèmes nordiques: 1) ER dépendant des propriétés du sol et de la solution du sol ; 2) rôle de variables thermo-indépendantes sur ER et 3) variations journalières du Q10 et interannuelles de la respiration basale. La décomposition de la matière organique est la principale source de CO2 pour H alors que les processus végétaux contrôlent ER pour T. Nos résultats contribuent à la compréhension et à l'extrapolation des mesures ponctuelles dans les écosystèmes de toundra, améliorant ainsi la modélisation du cycle du carbone dans les cryosols. / Increased organic mater decomposition rate in Arctic Cryosols due to warming and to permafrost thawing can lead to the release of greenhouse gases, thus potentially creating a positive feedback on climate change. We studied the biogeochemical functioning of two different permafrost-affected soils (i.e. Cryosols): a Histic Cryosol (H) and a Turbic Cryosol (T), both in natural conditions and under an experimental warming. Profiles were instrumented in Salluit (Nunavik, Canada) and monitored during summers 2010 and 2011. The induced warming increased CO2 fluxes in both soils; this impact was however more striking at H even if ER was lower than at T. Temperature sensitivity of ER (Q10) was higher at T than at H and decreased both with warming. We highlighted that diurnal ER cycles as a function of temperature showed hysteretic loops. Linear models performed to explain ER variance were improved adding daily minimum temperature and thaw front depth at H. In contrast at T, adding wind speed and solar radiation in models improved the ER variance explanation. We showed three specific CO2 flux dynamics related to northern ecosystems: 1) the large difference of ER depending on soil properties and soil solution composition; 2) environmental variables strongly alter CO2 fluxes and 3) the diurnal Q10 variations and the inter annual variability of basal respiration. Our results support the assumption that organic matter decomposition might be the major source of CO2 at H while plant-derived processes dominated ER at T. Our results contribute to understand and extrapolate the numerous punctual measurements of CO2 fluxes from tundra ecosystems improving carbon cycle modeling in Cryosols.

La région boréale arctique (RBA) couvre une vaste étendue qui lui confère un rôle important dans le système climatique mondial, par ses échanges d'énergie et de matière avec l'atmosphère. La température de l'air dans la région boréale arctique a augmenté à des taux disproportionnés par rapport à la moyenne mondiale, entraînant des changements dans la composition et la structure de la végétation. La RBA comprend l'écotone de la forêt boréale et de la toundra (EFT), qui s'étend sur plus de 10,000 km à travers l'hémisphère nord. La structure et la composition de la végétation varient considérablement à travers l’EFT. Du sud au nord, les arbres deviennent plus courts, plus dispersés et finalement absents. Ce gradient entraîne des variations dans la balance énergétique de surface. Ainsi, des changements dans la composition et la structure de la végétation dans l’EFT pourraient influencer le climat régional futur de ces régions. Ces changements régionaux pourraient se répercuter sur le climat mondial en interagissant avec le cycle du carbone par des changements dans les régimes de perturbations et la profondeur de la couche limite atmosphérique. L'objectif de cette étude était de développer un état des lieux de la variation latitudinale des interactions entre la surface et l’atmosphère et du climat régional à travers l’EFT dans le nord-ouest du Canada. Nous avons utilisé des mesures de covariance des turbulences provenant d’une forêt subarctique en marge de l’EFT et d’une toundra minérale caractérisant l’EFT du nord-ouest du Canada afin de quantifier les différences journalière et saisonnières des échanges d'énergie. Quatre paramètres de surface (albédo, conductance aérodynamique, conductance de surface et facteur de découplage) ont été examinés dans le but d’expliquer les différences dans la balance énergétique de surface. Des observations par radiosonde basées sur des campagnes de terrain et une expérience de modélisation de la couche limite atmosphérique ont été réalisées afin de discuter des conséquences potentielles des changements de végétation sur la dynamique de la couche limite atmosphérique (hauteur, température, humidité) et ses implications pour le climat régional. La forêt subarctique a démontré une meilleure capacité à transférer la chaleur vers l’atmosphère et une plus grande résistance à l'évapotranspiration, se traduisant par des conditions atmosphériques plus chaudes et sèches, spécialement au printemps. En été et automne, une conductance de surface plus élevée sur le site de la toundra s’est traduite par à une plus grande proportion de l'énergie utilisée pour humidifier l'atmosphère, résultant en une couche atmosphérique moins épaisse et un refroidissement régional du climat. La caractérisation des interactions entre la surface et l’atmosphère à travers l’EFT contribuera à améliorer les prédictions des effets des changements de végétation en cours sur le climat régional dans la région boréale arctique. / Considering its vast extent, the Arctic-boreal region (ABR) plays an important role in the global climate system through its exchange of energy and matter with the atmosphere. Air temperature across the ABR has been increasing at a higher rate compared to the global average and has led to changes in vegetation composition and structure across the ABR. The ABR includes the forest-tundra ecotone (FTE), spanning more than 10,000 km across the northern hemisphere. As the world’s longest transition zone, the FTE separates the boreal and Arctic biomes over a width of only a few tens to hundreds of kilometers. Vegetation composition and structure varies considerably across the FTE as trees become, from south to north, shorter and more stunted, sparser, and eventually, absent. The associated latitudinal gradient in surface properties results in corresponding latitudinal variations in the energy balance. Thus, changes in the latitudinal variation in surface properties and energy exchanges within the atmospheric boundary layer (ABL) may affect future regional climate across the FTE. The goal of this study was to develop a baseline understanding of the latitudinal variation in surface-atmosphere interactions and atmospheric boundary layer dynamics across the FTE in northwestern Canada. We used paired eddy covariance measurements of surface energy fluxes and supporting environmental measurements at a subarctic woodland (‘woodland’) and a mineral upland tundra site (‘tundra’) to quantify differences in daily and seasonal differences in woodland and tundra properties and energy exchanges. Four bulk surface parameters (albedo, aerodynamic conductance, surface conductance, and decoupling factor) were examined to explain drivers of those differences. Campaign-based radiosonde observations and numerical experiments using an ABL model were used to examine the impacts of a sparse tree cover on ABL dynamics (height, temperature, humidity) and their implications for surface climate compared to treeless tundra. The sparse tree cover at the woodland site showed an enhanced ability to transfer heat into the atmosphere and a higher resistance to evapotranspiration compared to tundra, leading to warmer and drier conditions especially in late winter and spring. In summer and fall, higher bulk surface conductance at the tundra site led to more energy being used to moisten the atmosphere, resulting in a shallower ABL and regional cooling of the atmosphere. Refined characterization of land surface-atmosphere interactions across the FTE will help to project the effect of ongoing vegetation changes on regional climate in the circumpolar Arctic-boreal region.

Des expériences de fertilisation à court terme ont montré que la présence d 'un tapis de mousses était une contrainte au recyclage de l'azote (N) et du phosphore (P) par les plantes graminoïdes des polygones de tourbe de l'Arctique, dont se nourrissent des herbivores comme les oies. Cette contrainte retarderait l'effet fertilisant de leurs fèces qui sont riches en nutriments facilement assimilables (N et P) par les plantes broutées. Dans ce contexte, une expérience de fertilisation à long terme, cumulant 14 traitements (N, P, N+P, fèces et glycine), a été menée dans les polygones de tourbe de l ' île Bylot, un site du Haut-Arctique canadien. Le but était de simuler la présence annuelle de la Grande Oie des neiges qui vient s 'y alimenter chaque été. Nos résultats montrent, qu 'après cinq ans de fertilisation avec 'Une quantité de fèces qui équivaut au double de celle produite par la population d 'oies actuelle, on a une forte tendance pour l'augmentation de la croissance des plantes graminoïdes. Par contre, c'est seulement avec une fertilisation en N inorganique supérieure (~ 1 g Nfm2 fan), pour venir saturer le tapis de mousses, que l'on a un effet significatif sur leur croissance. De plus, la décomposition de la matière organique est alors favorisée. L'étude dévoile aussi que l ' absorption de l'N et du P par la végétation n'est pas clairement favorisée par des apports combinés en ces nutriments en comparaison à des apports de l'un ou l'autre seuls. Par contre, la fréquence d'application d'une même quantité de fertilisant (individuelle vs. annuelle) influence la croissance des mousses, alors qu'elle ne montre pas de différence sur celle des graminoïdes. En effet, les mousses ont profité davantage du fractionnement d'une dose de fertilisant à chaque année, que de l'application complète de la même dose, la première année de l'expérience. Donc, par leur présence annuelle, il semble que l ' effet fertilisant des oies soit plus important sur la croissance des mousses que sur celle des graminoïdes broutées. Ces plantes vasculaires, également, ne compensent que partiellement la perte de tissu liée au broutement, ce qui abaisse leur couvert et donne probablement accès à plus de lumière pour les mousses. À l'île Bylot, la présence des oies favoriserait donc le maintien d'un couvert de bryophytes caractéristique des polygones de tourbe arctiques.