Résumé : Les plateaux continentaux de l’Océan Arctique renferment une importante quantité de carbone encore mal quantifiée sous forme depergélisol sous-marin (SSPF , de l’anglais subsea permafrost) et d’hydrates gazeux associés. Il a été suggéré que la submersion de ces plateaux continentaux pendant la déglaciation et leur dégel progressif provoqué par le réchauffement climatique actuel, conduisent à l’activationdu carbone stocké et au relarguage de méthane dans l’océan peu profond et, à terme, vers l’atmosphère. Etant donné le manque de mesures directes, nos connaissances sur le dégel du SSPF et de sa contribution au bilan de méthane et de sa contribution à la rétroaction sur le climat restent limitées. L’objectif principal de cette thèse est de faire la synthèse de résultats d’analyse en laboratoire, de modélisation et de considérations théoriques afin de fournir une vision systématique nouvelle du SSPF et d’évaluer correctement son rôle au sein du cycle du carbone global.Dans cette thèse, j’ai considéré les résultats de deux expériences en laboratoire, les premières réalisées avec comme objectif l’étude directe du processus de dégradation dans la partie supérieure du sol gelé après un événement de submersion. L’étude montre un bon accord entre les mesures avec les résultats de modélisation et avec le profil parabolique de la limite de dégel prévue par la théorie. Cela confirme que la conduction thermique peut être considérée comme le principal mécanisme de propagation de la chaleur. Cependant le mauvais accord avec la solution de Stefan détaillée suggère que les conditions aux limites réelles et la convection doivent également être incluses. Une comparaison des taux de dégel du SSPF mesurés et modélisés met en évidence l’importance des premières phases après la submersion.J’ai ensuite analysé les résultats de la première implémentation d’une composante SSPF dans JSBACH , le module de surface continentale du modèle de système Terre de l’Institut Max Planck (MPI-ESM). Les conditions des fonds sous-marins des simulations de référence ont été obtenues à partir de simulations pré-industrielles de MPI-ESM. Les simulations avec JSBACH que j’ai réalisées en 1D au niveau du site montrent que le temps de réponse typique du SSPF à la submersion est de l’ordre du millénaire et que le dégel est contrôlé par la lente pénétration du sel dans les sédiments. Le dégel thermo-chimique est de seulement 82 cm en 1000 ans, n’impliquant aucune menace de dégradation massive. En revanche, dès que la température des eaux profondes est légèrement plus élevée que la température de dégel du SSPF , une destabilisation massive (avec des taux de dégel supérieurs à 15 cm/an) est possible. Ce scenario est compatible avec la température de fond de la mer Laptev prévu en l’an 2300 dans le cadre de RCP 8.5 ou encore avec l’augmentation observée des températures de l’eau en été dans la mer Laptev. Les simulations JSBACH ont montré également que le modèle est capable de reproduire qualitativement es caractéristiques complexes comme les taliks provoqués par la salinité, c’est-à-dire des sols non-gelés dans les régions de pergélisol.L’objectif du dernier chapitre est l’estimation des émissions potentielles non-turbulentes de méthane par le plateau continental arctique de la Sibérie orientale (ESAS , de l’anglais East Siberian Arctic Shelf), qui héberge SSPF et hydrates gazeux. En utilisant le modèle diagénétique BRNS , j’ai trouvé que l’oxydation anaérobique du méthane est un biofiltre efficace qui consume souvent presque complètement le méthane dissout avant qu’il n’atteigne la colonne d’eau. Cependant, il a été montré que dans des configurations caractérisées par une dynamique advective rapide (taux de sédimentation élevé et/ou flux advectif) l’efflux de méthane non-turbulent peut atteindre 27 μmolCH4/(cm2 an) (comparable aux volcans de boue). Un flux significatif (19 μmolCH4/(cm2 an)) est aussi possible dans une fenêtre temporelle restreinte quand les conditions aux limites du méthane sont perturbées. Une extrapolation régionale à l’échelle de la barrière de Laptev a montré cependant que le flux d’eau-sédiment n’excède pas 0.1 GgCH4/an.Cette dissertation constitue la première étape en vue d’un couplage entre un modèle de réaction-transport des sédiments (comme BRNS) et un modèle du système Terre (comme JSBACH), un outil préconisé depuis longtemps par la communauté de la modélisation et capable de mettre correctement en perspective le rôle du SSPF dans un cycle du carbone intégré et dans le système climatique.
The Arctic shelves host a large, yet poorly quantified amount of carbon, in form of subsea permafrost and associated gas hydrates. The subsea permafrost is relic permafrost which formed when the shelves, which were exposed during the glacial periods and whose subaerial conditions allowed permafrost to grow, were submerged once the sea level rose at the beginning of the Holocene. It has been suggested that shelf flooding during deglaciation and global-warming induced thawing lead to activation of stored carbon eventually releasing methane to the shallow ocean and ultimately to the atmosphere. Given the paucity of direct measurements, little is known about subsea permafrost thaw and its contribution to methane budget and to methane-climate feedback. In order to correctly frame the subsea permafrost within the carbon cycle a better understanding of its physical features and its biogeochemical effects is needed. The main goal of this dissertation is therefore encompassing laboratory results, modeling results and theoretical speculation to offer a systematic and novel view of the subsea permafrost in perspective of an integrated study of the topic.In the thesis, I considered the results of two laboratory experiments, the first ever carried out with the aim of a direct investigation of the degradation process of frozen soil from above after a submersion event. The outcomes of such experiments were compared with the results of a numeric thermal model developed on purpose and with the theoretical expectations of a modified Stefan’s problem. The study reveals a good agreement of measurements with modeling results and with the theoretically expected parabolic profile of the thawing boundary. This confirms that the heat conduction might be regarded as the main heat propagation mechanism. However the scarce agreement with the detailed Stefan’s solution suggests that the real boundary conditions and convection should be also included to describe the system in the laboratory. A comparison with measured subsea permafrost thawing rates reveals a good qualitative consistency and highlights the importance of the first phases after the submersion.Then I analyzed the results of the first implementation of a subsea permafrost component into JSBACH , the land surface model of the Earth System Model (ESM ): ESM of the Max Planck Institute (MPI-ESM ). The model has been developed based on the pre-existing terrestrial permafrost, which has provided the spin-up run needed to model the flooding of the permafrost and the formation of the subsea permafrost. The sea bottom boundary conditions for baseline simulations were derived from the pre-industrial runs of Ocean component of the MPI-ESM . The 1-D site-level JSBACH simulations I performedshow that the typical response time of the subsea permafrost to the submersion is of the order of the millennia, in line with other previous findings and that thawing is controlled by the slow penetration of salt into the the sediments. The thermo-chemical thawing during the interglacial condition is of only 82 cm in 1000 years, setting no threat for massive destabilization. Instead, as soon as the sea bottom water temperatures is even slightly higher than the thawing temperature of the subsea permafrost a massive destabilization (with thawing rates > 15 cm/yr) is possible. And this perspective is compatible either with projected seabottom temperature in the Laptev Sea in year 2300 according RCP 8.5 or with the observed increase in summer water temperatures in the Laptev Sea. JSBACH simulations also showed that the model is capable to qualitatively reproduce complex features like salinity-induced taliks, i.e. unfrozen soil in a permafrost region which can enhance heat, water and chemical transport.The aim of the last chapter was the investigation of the potential contribution of the subsea permafrost as a methane source and the estimation of the potential non-turbulent emissions of methane from the East Siberian Arctic Shelf ( ESAS ), which is underlain by destabilizing subsea permafrost or gas hydrates. Using the diagenetic model BRNS , I found that in marine sediments, the (an)aerobic oxidation of methane are efficient biofilters that often consume the dissolved methane almost completely before it reaches the water column. However, it was shown that in settings characterized by fast advective dynamics (high sedimentation rate and/or advective flow) the non-turbulent methane efflux can be as high as 27 μmolCH4/(cm2 yr) (comparable to mud-volcanoes). Bioirrigation and quality of the organic matter may enhance this flux as well. A substantial flux (19 μmolCH4/(cm2 yr)) is also possible in a limited time window when the methane boundary conditions are perturbed. A regional upscale to the Laptev Shelf showed that the flux does not exceed 0.1 GgCH4/yr , a quantity not sufficiently large to support the previously published high (and debated) estimates of ESAS methane fluxes to the atmosphere.This dissertation represents the first step in the direction of a coupling between a sediment reactive-transport model (like BRNS) and an Earth System Model (like JSBACH), a tool advocated for long by the modeling community and capable to put into the right perspective the subsea permafrost into an integrated carbon cycle and climate research.