21/10/2022 12:30

18/10/2022 17:30

11/10/2022 15:00

16/06/2023 13:00

Adriana Raats est doctorante à l’université d’Ottawa.

14/06/2023 16:00

Ning Lin est Associate Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Princeton University.

14/06/2023 11:30

Glaciology – Numerical modelling

Cette thèse étudie le méthane atmosphérique dans les régions circumpolaires, en se concentrant sur la campagne MAGIC2021 menée à Kiruna, en Suède (68°N) en août 2021. Les recherches combinent des mesures de terrain avec des modèles globaux et des simulations régionales pour étudier la distribution verticale du méthane, son transport, et évaluer les estimations des modèles existants.

L’étude a identifié différents panaches de méthane à diverses altitudes dans les données de campagne: les panaches de haute altitude ont été retracés jusqu’à des feux de biomasse distants en Amérique du Nord et au Nord-Est de l’Asie, tandis que les panaches de basse altitude étaient liés aux émissions locales. La découverte notable de panaches superposés à différentes altitudes avec des origines distinctes a démontré le biais potentiel dans les mesures de colonnes par satellite pour l’estimation des émissions.

Les comparaisons entre modèles et données de campagne ont révélé que les modèles globaux avec optimisation des flux par inversion correspondaient aux observations de terrain, particulièrement dans la troposphère, tandis que les simulations régionales tendaient à surestimer les rapports de mélange du méthane dans la couche limite atmosphérique. L’étude a également identifié des problèmes dans la modélisation de la chimie autour de la tropopause, où le positionnement et l’intensité du gradient n’étaient pas représentés avec précision dans les modèles.

L’analyse des estimations de flux à haute résolution a montré que les produits d’émissions actuels par approche montante peuvent reproduire les signaux forts mais manquent de variabilité spatiale et temporelle nécessaire à la reproduction des signaux observés. À travers l’évaluation des paramètres de contrôle des émissions, incluant les précipitations, l’étendue des zones humides et la dépendance à la température, on conclue que les produits d’émissions existants sont insuffisants pour reproduire précisément les estimations d’émissions de méthane basées sur les données de campagne à haute résolution. L’étude complète souligne la complexité de la dynamique du méthane dans les régions polaires et les limitations actuelles des modèles atmosphériques et des inventaires d’émissions.

Geoelectrical characterization of water distribution and dynamics in unsaturated frozen soils

With the intensification of global climate change, permafrost degradation, which affects hydrological processes, ecosystem integrity, and infrastructure stability. Repeated phase transitions of pore water during freeze-thaw cycles results in frost cracking in frozen porous materials, further accelerating permafrost degradation and potentially exacerbating global climate change. Geo-electrical methods (e.g., Spectral Induced Polarization), as non-destructive techniques with a wide ranges of approaches, are widely used to investigate the pore structure, hydrological, and thermodynamic characteristics of permafrost environments. This thesis comprehensively explores the application of spectral induced polarization in frozen environments through both theoretical modeling and laboratory experiments. The first part of thesis develops new capillary bundle models to describe the effects of surface conduction at different water interfaces, water saturation, salinity, and hysteresis on the electrical conductivity of frozen porous media.

A series of laboratory experiments are carried out using an electrical resistance apparatus and the nuclear magnetic resonance method for validating the proposed models. The fitting results show an excellent agreement between the predicted values and the experimental dataset, indicating that the new physically-based models can effectively predict the variation of the electrical conductivity in cold regions.

The second part of thesis presents a series of experimental, theoretical, and modeling investigations using spectral induced polarization to characterize the coupled effects of initial water content and clay mineralogy on soil cracking behaviors and complex conductivity under freeze-thaw cycling and desiccation processes. Experimental results show that freeze-thaw cycle significantly influences the morphological and intersection patterns of surface cracks during desiccation. Initial moisture contents and clay mineralogy notably affect the water evaporation and surface crack pattern in clayey soils. Both components of complex conductivity are linearly sensitive to surface crack ratio and gravimetric water content, exhibiting a similar decay behavior with drying time.

These findings quantitatively characterize the relationship between geophysical and geological parameters of clayey soils during desiccation, offering new insights and monitoring methods for studying clay slope stability and its interaction with global climate change.

Caractérisation géoélectrique de l’hydrodynamique et de la distribution dans des sols gelés non saturés

Avec l’intensification du changement climatique mondial, la dégradation du pergélisol affecte les
processus hydrologiques, l’intégrité des écosystèmes et la stabilité des infrastructures. Les transitions
de phase répétées de l’eau interstitielle pendant les cycles de gel-dégel provoquent des fissures par le
gel dans les matériaux poreux gelés, ce qui accélère davantage la dégradation du pergélisol et peut
potentiellement aggraver le changement climatique global. Les méthodes géoélectriques, telles que la
polarisation provoquée spectrale, en tant que techniques non destructives aux multiples approches,
sont largement utilisées pour étudier la structure des pores, les caractéristiques hydrologiques et
thermodynamiques des environnements gelés. Cette thèse explore de manière approfondie l’application
de la polarisation provoquée spectrale dans les milieux gelés à travers des modélisations théoriques et
des expériences en laboratoire.

La première partie développe de nouveaux modèles de faisceaux
capillaires pour décrire les effets de la conduction de surface aux interfaces aqueuses, de la saturation
en eau, de la salinité et de l’hystérèse sur la conductivité électrique des milieux poreux gelés. Une série
d’expériences en laboratoire ont été réalisées à l’aide d’un dispositif de résistance électrique et de la
résonance magnétique nucléaire afin de valider les modèles proposés. Les résultats montrent un
excellent accord entre les valeurs prédites et les données expérimentales, indiquant que ces modèles
physiques permettent de prédire efficacement les variations de conductivité électrique dans les régions
froides.

La seconde partie de la thèse présente une série d’études expérimentales, théoriques et de modélisation, utilisant la polarisation provoquée spectrale pour caractériser les effets couplés de la
teneur en eau initiale et de la minéralogie de l’argile sur les fissurations du sol et la conductivité
complexe lors des processus de gel-dégel et de dessiccation.

Les résultats expérimentaux montrent
que les cycles de gel-dégel influencent fortement les motifs morphologiques et d’intersection des
fissures en surface. L’humidité initiale et la minéralogie de l’argile affectent également l’évaporation de
l’eau et la formation des fissures. Les deux composantes de la conductivité complexe sont linéairement
sensibles au taux de fissuration et à la teneur en eau pondérale et présentent un comportement de
décroissance similaire au fil du temps de séchage.

Dans l’océan, la déstabilisation des courants majeurs engendre la formation de tourbillons de mésoéchelle, qui jouent un rôle clé dans la redistribution géographique de la chaleur, du sel et des produits biogéochimiques. Leur omniprésence et leur longévité en font une source majeure de variabilité océanique. Si leur capacité à transporter des traceurs est avérée, la quantification précise de ce transport reste incertaine, notamment en raison des multiples définitions du concept de « cohérence » utilisées pour les caractériser. Traditionnellement étudiés via l’altimétrie satellitaire, les tourbillons ont principalement été analysés en surface, introduisant un biais dans l’évaluation de leur capacité de transport. Bien que des travaux récents s’intéressent à leur structure tridimensionnelle, cette dimension reste encore peu explorée, limitant notre compréhension de leur dynamique de subsurface. Dans ce contexte, nous avons conduit une revue de la littérature afin de clarifier la notion de cohérence appliquée aux tourbillons de mésoéchelle.

En exploitant une base de données in situ issue de campagnes océanographiques et des simulations numériques, nous proposons une nouvelle définition de la cohérence fondée sur les propriétés thermohalines des coeurs des tourbillons. La présence d’anomalies thermohalines permet en effet d’identifier le transport effectif d’une masse d’eau par un tourbillon, et ainsi d’évaluer sa cohérence matérielle. Nous proposons également de caractériser la frontière tridimensionnelle des tourbillons de mésoéchelle et analysons leurs formes à l’aide de modélisation analytique.

Nos résultats révèlent que les frontières des tourbillons sont dynamiques, turbulentes, et d’intensité dépendante du nombre de Rossby du tourbillon considéré. Elles marquent la zone de contact entre la masse d’eau piégée et les eaux environnantes. Par ailleurs, nous montrons que l’extension verticale des tourbillons est contrôlée par la stratification locale. L’inclinaison des isopycnes constitue la principale source d’anomalie de densité, tandis que les anomalies le long des isopycnes n’affectent pas leur dynamique.