Artificial ice sheet at the laboratory scale : model experiments and field work

La congélation de l’eau de mer forme une couche de glace qui recouvre la région Arctique et entoure l’Antarctique. A l’interface avec l’océan ouvert, cette banquise est soumise entre autres à la houle qui provoque sa fragmentation. Cette zone fragmentée est appelée la zone marginale de glace (MIZ). La fragmentation de la MIZ par les vagues est un phénomène encore mal caractérisé, en raison du manque d’observations directes. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre le mécanisme de fracture de la banquise par la houle, en combinant expériences de laboratoire et campagnes de terrain.En premier lieu, une expérience modèle est développée à l’échelle du laboratoire. Une fine couche de vernis est pulvérisée à la surface de l’eau et sert d’analogue à la glace de mer. La couche de vernis est d’abord caractérisée (module d'Young, épaisseur, densité, hétérogénéité). Ensuite, cette couche fragile est fracturée par des ondes de surface stationnaires. Les expériences permettent de montrer que la rupture du vernis est produite par les contraintes issues de sa flexion. Puis, avec la propagation de fissures dans la couche de vernis, une amplitude critique de rupture est mesurée. Il est montré que la courbure au seuil de rupture décroît avec la longueur d’onde. Ceci contredit le modèle utilisé pour la glace de mer, basé sur une contrainte constante au seuil de rupture. Un critère en énergie élastique est proposé : le seuil de rupture dépend de la taille du forçage, proportionnelle à la longueur d’onde de vagues. Ce modèle rend compte des observations expérimentales. Il constitue une base pour transposer les résultats à la glace de mer.La mise à l’échelle de l'expérience modèle est ensuite discutée. Bien que les propriétés mécaniques et hydrodynamiques diffèrent entre vernis et glace, les paramètres adimensionnés pertinents sont comparables, validant l’analogie expérimentale.En second lieu, des campagnes de terrain ont été menées aux alentours de Rimouski (Québec, Canada) en 2023 et 2024 dans le cadre d’une nouvelle collaboration interdisciplinaire. De nombreux instruments différents ont été déployés afin d’obtenir une caractérisation mécanique de différentes glaces de mer et pour développer de nouvelles techniques de mesures. Dans ce contexte, une nouvelle méthode de caractérisation de l’épaisseur de la glace et de mesure de la direction de la houle a été développée. Elle nécessite un minimum d'instruments (3), et utilise la mesure passive des ondes de flexion générées par la houle. Les résultats de cette méthode sont cohérents avec ceux des autres instruments de mesure. Les observations produites à l’échelle hectométrique ont permis de caractériser des couches de glace dans des conditions diverses, entre jeunes glaces molles en formation et couches consolidées. Les différentes mesures ont mis en évidence la variabilité des caractéristiques de la glace. Ensuite, lors d'une expédition dans le Fjord du Saguenay à bord du brise-glace l'Admundsen en février 2024, une expérience de fragmentation a été effectuée. Le brise-glace a généré des vagues via son sillage, qui ont impacté et fracturé une couche de glace d'eau douce. Les paramètres physique de la glace (module d'Young, épaisseur, coefficient de Poisson) ont été mesurés. Puis, à partir de vidéos de drone des vagues fracturant la glace, le champ des ondes a été reconstruit en 3D. Le seuil de rupture (amplitude, courbure, longueur d'onde) de cette plaque de glace a été mesuré, ce qui donne une mesure de référence pour la fracture d'une plaque de glace par des vagues.En conclusion, cette thèse établit un pont entre expériences en laboratoire et observations de terrain pour l’étude de l’interaction entre glace de mer et vagues. Elle fournit des éléments pour l’intégration du processus de fracturation de la glace de mer dans les modèles physiques de simulation de la dynamique des zones marginales de glace.

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