Caractérisation des propriétés de transfert de la couverture végétale inférieure arctique : approche expérimentale et numérique couplée

Arctic low vegetation cover properties assessment : coupled experimental and numerical approach

• Auteur / Autrice : Simon Cazaurang
• Direction : Manuel Marcoux, Laurent Orgogozo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des Fluides
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Oxarango
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Marcoux, Laurent Orgogozo, Laurent Oxarango, Sophie Opfergelt, Michel Quintard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hotaek Park

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zones humides

Arctique -- Climat

Mots clés libres

Pergélisol

Sphaigne

Lichen

Tourbe

Tomographie à rayon X

Calcul Haute Performance

Permafrost

Sphagnum

Lichen

Peat

X-ray tomography

High Performance Computing

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 entrainer 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.

Arctic environments are the regions that see the most significant climate warming of the Northern Hemisphere. These wetlands are widespread in Arctic ecosystems due to the large accumulation of organic matter (peat) produced by the organisms found there, Sphagnum mosses and lichens. The presence of large amounts of permanently frozen soil horizons (permafrost) makes these environments vulnerable. Numerous signals (increasing average annual temperatures, precipitation anomalies, changes in plant diversity) can already be observed. Climate projections for the year 2100 predict increases in temperature and precipitation in northernmost Arctic regions. These increases lead to the activation of climate feedback loops, which in return amplify climate change. The aim of this thesis is to study the low vegetation cover of Arctic wetlands (Sphagnum, lichens, peat) by considering them as a porous medium. A set of experimental and numerical techniques for studying porous media will be applied to samples from several sites: Khanymey (Siberia) as first place, but also Abisko (Sweden). Some samples from Clarens (France) are collected to serve as test samples. The samples are digitally reconstructed using X-ray tomography. The digital reconstruction is then used to study the morphological (§I), hydraulic (§II) and thermal (§III) properties of this biological porous medium. (§I) The morphological study shows a high porosity (sometimes more than 90%) for Sphagnum, lichen, and peat samples. High specific surface areas indicate a significant exchange and absorption potential for the study of element transfer. Representative Elementary Volumes (REV) may be defined for a majority of the samples. (§II) The simulation of a single-phase flow is used to compute the effective permeability of the studied samples. Samples with a REV are studied by direct numerical simulation at the REV scale. For samples without REV, a pore network is generated from the sample reconstruction. In both cases, the obtained values of the effective permeability tensor show a high hydraulic conductivity. The results are similar to other experimental tests reported in the literature and make it possible to overcome the problem of sample compressibility. (§III) The thermal properties are characterized using a coupled experimental and numerical approach. The experimental approach consists in studying the steady-state conductive heat transfer. The characterization of the effective thermal conductivity highlights the insulating property of the Arctic vegetation cover, with consistent values between each type of sample. The value of the intrinsic thermal conductivity of the plant material is calculated by inverse modeling of the experiments. Taken together, these transfer property studies provide a solid basis for generating an effective boundary condition for Arctic vegetation cover. However, further work is needed, in particular to quantify the influence of solar radiation flux on the energy balance of the Arctic vegetation cover. To this end, a preliminary work is presented that confirms the need for further information on the radiative transfer properties of this porous biological interface.