Caractérisation des propriétés de transfert de la couverture végétale inférieure arctique - approche numérique expérimentale et numérique couplée Arctic low vegetation cover properties assessment - coupled experimental and numerical approach

Résumé

Les milieux arctiques sont les écosystèmes subissant la plus forte élévation de température moyenne annuelle liée au réchauffement climatique dans l’hémisphère nord. Les zones humides couvrent une grande partie des régions arctiques, avec notamment de vastes tourbières formées par l’accumulation importante de matière organique (tourbe) issue des organismes s’y trouvant : les Sphaignes et les lichens. Le changement climatique entraîne un dégel du pergélisol, horizon pédologique gelé en profondeur tout au long de l’année, présent sur 25 % des terres émergés de l’hémisphère nord, principalement aux hautes latitudes. La présence de grandes quantités de matières organiques gelées conservées dans le pergélisol pourrait entraîner des rétroactions positives non négligeables sur le changement climatique. De nombreux signaux (augmentation des températures moyennes annuelles, anomalies de précipitation, modification de la diversité végétale) peuvent déjà être observés. Les projections climatiques à l’horizon 2100 prévoient une augmentation de ces phénomènes sur l’ensemble des régions arctiques.
Cette thèse consiste à étudier la couverture végétale basse des zones humides arctiques (Sphaignes, lichen, tourbe) en les considérant comme des milieux poreux. Pour cela, un ensemble de techniques expérimentales et numériques est déclinée sur des échantillons prélevés sur plusieurs sites : principalement Khanymey (Sibérie), mais aussi Abisko (Suède). Des échantillons sont par ailleurs prélevés à Clarens (France) en guise d’échantillon-test. Les échantillons sont numériquement reconstruits grâce à la tomographie à rayons X. La reconstruction numérique permet ensuite d’étudier les propriétés morphologiques (§I), hydrauliques (§II) et thermiques (§III) de ces milieux poreux biologiques.
(§I) L’étude morphologique indique une porosité importante (parfois supérieure à 90 %) pour les échantillons de Sphaignes, de lichen et de tourbe. La surface spécifique élevée montre des possibilités d’échange et d’absorption non négligeables dans l’étude des transferts d’éléments chimiques. Des Volumes Élémentaires Représentatifs (VER) ont pu être mis en évidence pour une majorité d’échantillon.
(§II) La simulation d’un écoulement monophasique permet d’établir la perméabilité effective des échantillons étudiés.
Les échantillons possédant un VER sont étudiés au travers d’une simulation numérique directe à l’échelle du VER.
Pour les échantillons ne présentant pas de VER, un réseau de pore est généré à partir de la reconstruction de l’échantillon. Dans les deux cas, les valeurs du tenseur de perméabilité effective obtenue montrent une conductivité hydraulique élevée. Les résultats sont similaires à d’autres essais expérimentaux présents dans la littérature et permettent de s’affranchir des effets de compressibilité des échantillons.
(§III) Les propriétés thermiques sont caractérisées au travers d’une approche expérimentale et numérique couplée.
L’approche expérimentale consiste en l’observation d’un transfert de chaleur conductif à l’état stationnaire. La caractérisation de la conductivité thermique effective met en exergue le caractère isolant de la couverture végétale basse de l’arctique, avec une consistance des valeurs entre chaque type d’échantillon. La valeur de la conductivité thermique intrinsèque du matériel végétal est calculée par modélisation inverse des résultats expérimentaux. L’ensemble des études des propriétés de transfert permettent de fournir un ancrage solide dans la génération d’une condition limite effective de la couverture végétale arctique. Des travaux ultérieurs seront néanmoins nécessaires, notamment sur la quantification de l’influence du flux radiatif solaire dans l’équilibre énergétique de la couverture végétale arctique. À cette fin, quelques travaux préliminaires sont présentés affirmant la nécessité d’obtenir des informations complémentaires sur les propriétés de transfert radiatif de cette interface poreuse biologique.