Projets d'études graduées

La Chaire d'Excellence en Recherche du Canada sur la télédétection de la nouvelle frontière Arctique du Canada, basé à l'Université Laval situé dans la ville de Québec, Canada, offrira de nombreuses bourses pour effectuer des études supérieures sous la supervision des professeurs associés au programme. Les projets de recherche actuellement disponibles pour le financement sont énumérés ci-dessous.

Pour plus d’information sur les projets de recherche ou plus généralement sur le programme d’apprentissage offert par la Chaire, contacter Marie-Hélène Forget, la coordonnatrice de la Chaire, Marie-Helene.Forget@takuvik.ulaval.ca ou visiter le site web www.cerc-arctic.ulaval.ca.

1. Étude des propriétés optiques de l’océan Arctique et application à la télédétection de la couleur de l’eau.

Directeur : Marcel Babin, titulaire de la Chaire d'excellence en recherche du Canada sur la télédétection de la nouvelle frontière arctique du Canada, Université Laval
Co-directeur : Simon Bélanger, Université du Québec à Rimouski.

La production primaire dans l'océan Arctique pourrait augmenter de manière significative dans un avenir proche parce que la glace de mer est en recul. Renforcement de la stratification verticale résultant de l'entrée d'eau douce accrue peut toutefois limiter l'approvisionnement en éléments nutritifs dans la couche de surface éclairée et ainsi limiter la production primaire. Certaines espèces phytoplanctoniques clés du sud ont déjà migré vers l'océan Arctique. La structure de la chaine alimentaire devient modifiées. Plus d'observations à cet environnement éloigné et rigoureux sont nécessaires pour mieux quantifier et comprendre ces changements. La télédétection par satellite de la couleur des eaux marines est l'outil le plus approprié pour surveiller la production primaire dans l'océan Arctique et déterminer la répartition spatiale de certaines espèces clés ou groupes de phytoplancton. Son utilisation dans cet environnement est cependant entravée par un certain nombre de difficultés, notamment la complexité optique de l'eau de mer, ce qui rend les algorithmes standards couleur des eaux inadéquate. L'objectif de cette thèse sera de documenter davantage les propriétés optiques de l'eau de l'océan Arctique, et pour élaborer et valider des algorithmes des la couleur de l'océan qui permettra le suivi de la production primaire et de certaines espèces phytoplanctoniques clés et / ou des groupes. Un accent particulier sera mis sur l'utilisation de la fluorescence de la chlorophylle induit par le soleil, un signal mesuré par les capteurs actuels de la couleur de l'océan, mais largement sous-exploité dans les eaux optiquement complexes. L'activité de recherche comprendra des travaux sur le terrain, des expériences de transfert radiatif numérique et traitement des données de la couleur de l'océan

2. Surveillance des efflorescences de glace de marge de glace dans l’océan Arctique à l’aide de la télédétection des couleurs des eaux

Directeur : Marcel Babin, titulaire de la Chaire d'excellence en recherche du Canada sur la télédétection de la nouvelle frontière arctique du Canada, Université Laval
Co-directeur : Simon Bélanger, Université du Québec à Rimouski.

Une fraction importante de la production primaire par le phytoplancton produit dans ce qu'on appelle l'efflorescence de marge de glace (EMG). Les EMG forment et suivre la limite des glaces au printemps lorsque la glace de mer se retire progressivement. La stratification verticale, la disponibilité des nutriments et la lumière sont alors optimales pour soutenir une floraison d'environ 3 semaines. EMG se trouvent dans la zone de glace saisonnière (ZGS), qui couvre la zone comprise entre les limites minimum et maximum annuels de l'étendue de la glace. Il est prévu que le ZGS couvrira tout l'océan Arctique en une ou deux décennies, quand la glace pluriannuelle disparaîtra complètement. Par conséquent, EMG deviendra un phénomène encore plus important dans l'océan Arctique. Afin de mieux quantifier et comprendre la dynamique de EMG, il est nécessaire d'augmenter notre capacité d'observation. La télédétection de la couleur des eaux par satellite est l'outil le plus approprié pour surveiller la production primaire dans l'océan Arctique, et a récemment révélé être un outil prometteur pour la surveillance des EMG. La complexité de la distribution spatiale des EMG et le fait que EMG sont toujours à côté ou mêlés à la glace de mer font, cependant, l'utilisation de la télédétection des couleur des océans difficile. L'objectif de ce projet doctoral sera de développer des approches améliorées pour l'utilisation de capteurs de la télédétection des couleurs de l'océan pour surveiller les EMG dans l'océan Arctique, basé sur l'état de l'art des méthodes d'analyse d'image. L'activité de recherche comprendra des travaux sur le terrain, des expériences de transfert radiatif numérique et traitement des données couleur de l'océan.

3. L’impact du changement climatique sur la physiologie des espèces phytoplanctoniques dans l’Arctique

Directeur : Marcel Babin, titulaire de la Chaire d'excellence en recherche du Canada sur la télédétection de la nouvelle frontière arctique du Canada, Université Laval
Co-directrice : Connie Lovejoy, Université Laval

Avec une diminution de la couverture de glace de mer, il y a une augmentation dans la production primaire, malgré la stratification renforcée qui pourrait limiter l'offre de nutriments dans les eaux de surface. Certaines espèces phytoplanctoniques clés du sud ont déjà migré vers l'océan Arctique. La structure de la chaîne alimentaire devient modifiée. Pour anticiper l'ampleur de ces changements dans un proche avenir, il est nécessaire de mieux comprendre la physiologie des espèces de phytoplancton dans l'Arctique, et plus précisément leurs propriétés photosynthétiques et caractéristiques de croissance. Plusieurs espèces de phytoplancton clés dans l'Arctique (principalement les diatomées et Prasinophytes) ont récemment été isolés et peuvent être cultivées en laboratoire. L'objectif de ce projet doctoral est de caractériser et de paramétrer les propriétés de croissance et de la photosynthèse de ces souches en utilisant bioréacteurs de pointe. Des expériences seront effectuer dans laquelle l'intensité lumineuse, température, disponibilité en éléments nutritifs (ou toute combinaison de ces facteurs) seront appliqués. Les résultats de ces expériences seront utilisés pour concevoir des modèles pour prédire l'impact du changement climatique sur les écosystèmes marins de l'Arctique.

4. Régulation des floraisons de phytoplancton à la marge des glaces par le zooplancton et implications pour la pompe biologique de l’océan Arctique (doctorat)

Directeur : Louis Fortier, Université Laval
Co-directeur : Marcel Babin, Université Laval

Les floraisons de phytoplancton à la marge des glaces de l’océan Arctique sont des structures récurrentes et quasi-ubiquitaires qui se forment suite la fonte printanière du couvert de glace. Elles représentent une proportion importante (>50%) de la production primaire annuelle des mers arctiques et possèdent un rôle vital dans le support des réseaux trophiques. Les changements environnementaux liés au climat et qui sont susceptibles d’affecter l’intensité et le timing des floraisons printanières pourraient donc avoir des conséquences profondes à la fois pour le transfert d’énergie vers les organismes trophiques supérieurs et pour l’export vertical de carbone et nutriments vers les profondeurs. Mieux comprendre les implications des scénarios de match-mismatch entre les floraisons de phytoplancton et les populations de zooplancton est donc clé à prédire la nature et de la magnitude de la pompe biologique pendant la période actuelle de déclin rapide du couvert de glace dans l’océan Arctique.
Le projet de doctorat proposé a pour but d’investiguer le rôle du zooplancton arctique dans la régulation du développement et du destin d’une floraison à la marge des glaces. L’objectif majeur sera de quantifier les voies de transfert et de caractériser les sources et les puits des éléments biogéochimiques majeurs (C, N, P, Si) entre la floraison de phytoplancton, la communauté de zooplancton et le flux vertical de particules. Le candidat aura la possibilité d’utiliser une approche multi-méthodologique combinant des échantillonneurs traditionnels (pièges à particules, filets à zooplancton), des profileurs in situ (véhicule sous-marin automatisé, caméras à particules), des analyses biochimiques (CHN, IP25, d13C, d 15N) et des observations microscopiques. La recherche sera développée dans le cadre multidisciplinaire de l’Unité Mixte Internationale CNRS-Université Laval localisée à Québec, Canada.

5. Variabilité du couplage spatiotemporel entre le mesozooplancton et la production primaire à l’aide de systèmes d’imagerie optique.

Directeur : Louis Fortier, Université Laval
Co-directeur : Marcel Babin, Université Laval

Les organismes du mesozooplancton (0.2 – 2 cm) arctique, largement dominé par les copépodes, assurent le transfert d'énergie et de carbone entre les producteurs primaires et la faune vertébrée de l'Océan Arctique (poissons, mammifères marins, oiseaux marins). L'échantillonnage traditionnel du zooplancton à l'aide de filets, qui intègre ou stratifie grossièrement la colonne d'eau, ne fournit pas la résolution nécessaire à l'étude de la distribution verticale fine des différents taxa. En particulier, le zooplancton forme souvent de minces couches de forte densité qui n'occupent que quelques centimètres de la colonne d'eau. La dynamique de formation de ces couches revêt une importance cruciale pour le sort de la production primaire ainsi que pour l'alimentation des principaux prédateurs. Le déficit en résolution verticale des échantillonneurs traditionnels est maintenant compensé par de puissants systèmes d'imagerie optique in situ d'identification du zooplancton qui permettent de déterminer la position exacte des organismes dans la colonne d'eau, ainsi qu'une grande gamme de données environnementales (e.g. T, S, Chl a) qui y sont associées. L'objectif général de cette étude est d'évaluer la variabilité spatiotemporelle du couplage entre la production primaire et la production secondaire dans l'Océan Arctique canadien.
L'échantillonnage sera réalisé à bord du NGCC Amundsen avec des systèmes d'observation in situ tels que le « Underwater Vision Profiler » (UVP) et le « Lightframe On-sight Key species Investigation System » (LOKI) sur l'ensemble de l'archipel arctique canadien. Dans un premier temps, l'étudiant développera une base de données pour la reconnaissance taxonomique automatisée à l'aide d'images d'organismes individuels identifiés à l'espèce. Une fois l'identification numérique validée, des profils verticaux d'abondance et de biomasse des principaux taxa seront établis en vue de quantifier le rôle de groupes clé du zooplancton sur la dynamique et le sort de la production primaire.


6. Transcriptomique comparative des espèces phytoplanctoniques polaires (doctorat)

Directrice: Connie Lovejoy, Université Laval
Co-directeur: Marcel Babin, Université Laval

Projet doctoral en transcriptomique comparative des eucaryotes microbiens de l’Océan Arctique en période de changement. Le candidat retenu investiguera les fondements de l’adaptation au froid, des stress nutritifs et des variations des régimes de lumière pour de petits protistes isolés de l’Océan Arctique. L’étude des protistes fait partie d’un plus grand projet de séquençage du génôme, qui fournira des opportunités de collaborations et de stages internationaux. Le candidat retenu se joindra à un laboratoire d’océanographie microbienne dynamique avec accès à une collection importante de culture d’algues, à des séquenceurs haut-débit de nouvelle-génération et à un soutien bioinformatique.

7. Taxonomie et diversité fonctionnelles des flagellés chromistes arctiques  (doctorat)

Directrice: Connie Lovejoy, Université Laval
Co-directeur: Marcel Babin, Université Laval

Projet doctoral en taxonomie et diversité fonctionnelles des flagellés chromistes arctiques (eucaryotes ou protistes unicellulaires photosynthétiques) dans l’Océan Arctique et les mers environnantes. Le candidat retenu utilisera plus précisément le séquençage de nouvelle génération haut-débit à code-barre pour étudier la compartimentation spatiale dans la zone euphotique supérieure de l’Océan Arctique stratifié par la salinité. Le projet inclura la participation à des missions océanographiques dans l’Arctique Canadien et la réalisation de microcosmes afin d’évaluer les réponses des communautés aux changements de lumière, nutriments et salinité. Le candidat sélectionné se joindra à un laboratoire d’océanographie microbienne dynamique.

8. Télédétection de la couleur de l’eau dans les régions polaires: les problèmes de la faible élévation solaire et de la contamination par la glace de mer.

Directeur : Simon Bélanger, Université de Québec à Rimouski
Co-directeur : Marcel Babin, Université Laval



La télédétection satellitaire de la couleur de l'océan est un outil puissant pour faire le suivi des écosystèmes marin de l'Arctique. Les propriétés bio-optiques et biogéochimiques de la couche de surface de l'océan – chlorophylle-a du phytoplancton, concentrations du carbone organique particulaire et dissous – peuvent être estimés à partir de la luminance spectrale sortante de l'eau (Lwn), qui est dérivée des données télé-détectées de la couleur de l'eau après l'élimination du signal atmosphérique. La qualité de la correction atmosphérique peut, toutefois, être significativement affectée par la présence 1) d'une faible élévation solaire et 2) de la glace de mer.

D'une part, à hautes latitudes, le l'angle de zénith solaire est généralement plus élevé que 55o, et souvent même plus grand que le maximum (70o) utilisé pour le développement des algorithmes de correction atmosphérique en se basant sur les calculs de transferts radiatifs à plan-parallèle. Conséquemment, à hautes latitudes, une large fraction de la surface de l'océan est non-documentée pour une grande partie de l'année malgré le fait que la production primaire y soit significative. L'impact de ce problème devra donc être déterminé et la qualité des corrections atmosphériques standards pour les grands angles de zénith solaire devra être étudiée.

De autre côté, Bélanger et al. (2007) et Wang and Shi (2009) ont examiné, en se basant sur des simulations de transfert radiatifs, les effets de la proximité de la glace de mer et de la contamination sub-pixel de la glace sur la Lwn retrouvée et sur les produits de niveau-2. Ils ont trouvé des impacts significatifs sur les quelques premiers kilomètres adjacent à la bordure de glace et pour des concentrations de glace sub-pixel au delà des quelques pourcents. L'étendu du problème (i.e. à savoir si ces résultats compromettent l'utilisation de la couleur de l'eau) dans des conditions typiquement polaires reste inconnu. La proposition de recherche implique de la modélisation de transfert radiatif, du développement d'algorithmes de corrections atmosphérique et de l'analyse de données de télédétection. Ainsi, le candidat au doctorat devra préférablement avoir une solide compréhension de la physique atmosphérique et possiblement en en modélisation du transfert radiatif.

9. La structure fine des processus azotés dans les couches sub-superficielles de chlorophylle de l'océan arctique

Directeur: Jean-Eric Tremblay, Université Laval
Co-directeur : Marcel Babin, Université Laval

Les travaux récents effectués par notre groupe ont montré que le maximum de chlorophylle profond (SCM) est une structure dominante et très répandue dans les eaux fortement stratifiées de l'océan Arctique. Cependant, la contribution de cette couche à la production primaire totale et ses composantes «nouvelle» et «régénérée» est mal établie et la manière dont cette contribution réagira aux changements climatiques n'est pas connue. Ce projet doctoral mettra en lumière l'écologie nutritive et photosynthétique des SCM diffus et concentrés dans des environnements contrastés (plateau côtier, eaux du large, marge des glaces) de l'Arctique canadien. Les travaux incluront des estimations directes des processus autotrophes (photosynthèse, nitrification, assimilation d'azote) et régénératifs (ammonification) sur une échelle vertical fine, en lien avec des études géniques ciblées et des estimés de la diversité phytoplanctonique.

10. L'utilisation de l'azote organique par les prokaryotes et les eukaryotes planctoniques de l'océan Arctique côtier


Directeur : Jean-Eric.Tremblay, Université Laval
Co-directeur : Marcel Babin, Université Laval

L'azote est considéré comme étant l'élément qui limite la production primaire dans les eaux côtières du Haut Arctique. Les changements en cours au niveau des apports en nutriment par les fleuves (débit, fonte du pergélisol), les océans voisins, l'atmosphère et la couche profonde de l'océan sont susceptibles d'influencer fortement la productivité primaire. Or, nous connaissons peu de choses sur la capacité des producteurs primaires arctiques à utiliser différentes sources d'azote, notamment l'azote organique, et l'impact des procaryotes et des processus photo-chimiques sur la disponibilité de cet azote. Ce projet doctoral combinera des approches génétiques à l'estimation directe de l'assimilation (ou transformation) de différents substrats azotés dans des régions contrastées des plateaux côtiers peu profonds. Ce travail sera complété par des expériences de laboratoire afin d'étudier l'effet de l'azote organique sur la croissance d'espèces phytoplanctoniques clés sous différents régimes thermiques et lumineux.