Sentinelle Nord

CHANTIER THÉMATIQUE 1
Décoder les interrelations entre systèmes complexes du Nord

 
 
 
 

Chantier thématique 1: Décoder les interrelations entre systèmes complexes du Nord

Le Nord, avec ses divers réseaux interconnectés, est un vaste système complexe aux prises avec de rapides changements climatiques, écologiques, sociaux, et économiques. L'objectif principal de ce chantier de recherche est d'acquérir une meilleure compréhension des systèmes complexes du Nord (microbiomes, écosystèmes, géosystèmes, et sociétés) et de leur logique interne qui dépend, entre autres, de leurs interactions mutuelles. Cette complexité sera analysée grâce aux méthodes de la science des réseaux, un cadre conceptuel et pratique où les composantes d'un système complexe sont reliées entre elles par un ensemble d'interactions et dont le comportement collectif est plus riche que celui des éléments constitutifs, donnant lieu à des propriétés émergentes.

Réunissant plus de 35 professeurs de 3 facultés et 12 départements de l'Université Laval oeuvrant avec leurs collaborateurs au sein de 5 sous-projets, ce chantier thématique explorera les systèmes nordiques à toutes les échelles: microscopique (microbiotes et biologie des systèmes), mésoscopique (préservation de la biodiversité et espèces sentinelles), et macroscopique (services écosystémiques, gestion et qualité de l'eau, dégradation du pergélisol, infrastructures), alliés aux développements de puissants modèles numériques et d'une nouvelle génération de capteurs et de senseurs optiques aux possibilités multiples de réseautage.

 
 
 

1.1 Analyse réseau des espèces parapluie: évaluer l'intégrité des écosystèmes du Nord

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheur principal
Daniel Fortin

Co-chercheurs
Louis J. Dubé, Frédéric Maps, Louis-Paul Rivest

Collaborateurs hors UL
Antoine Allard (Espagne), Marcel Darveau (Canard Illimités), Mark Hebblewhite (Montana, É.-U.), Christian Hébert (Ressources naturelles Canada)

Résumé du projet
La biodiversité est fondamentale au fonctionnement d'un écosystème. Les espèces parapluie peuvent être utilisées pour simplifier la préservation de la biodiversité puisque leur protection assure une protection simultanée de multiples espèces coexistant sur de vastes territoires. Le caribou constitue une de ces espèces, en plus d'être protégé par la loi au Canada. La préservation du caribou impacte déjà le développement industriel des écosystèmes nordiques, et la situation devrait s'intensifier avec l'exploitation industrielle de nouvelles régions disponibles à la suite des changements climatiques. Une contribution efficace de la gestion du caribou pour la protection de la biodiversité nécessite de pouvoir prévoir, à grande échelle, la diversité des espèces malgré les changements environnementaux. Les changements climatiques rapides vont modifier les conditions locales de sorte qu'un emplacement donné pourra devenir plus favorable pour un groupe différent d'espèces dans un futur proche.

Notre projet vise à répondre à des questions pressantes de gestion des milieux nordiques soumis aux changements climatiques, grâce à une meilleure compréhension de leur complexité. En combinant des observations le long d'un axe latitudinal à des méthodes novatrices issues de l'analyse numérique et des réseaux complexes, nous mettrons en évidence les mécanismes responsables de la transition entre les écosystèmes, sous l'effet de variations des conditions environnementales. Nous développerons des outils pour évaluer l'intégrité des écosystèmes du Nord, afin d'anticiper, de surveiller et de préserver la biodiversité, l'espèce parapluie, ainsi que les services écologiques (p.ex., approvisionnement en bois, esthétique du paysage et valeurs culturelles des communautés du Nord), en dépit de changements globaux. Notre recherche permettra aussi d'identifier les cibles appropriées pour la restauration écologique et pour suppléer de façon soutenue aux besoins des communautés locales en ce qui a trait aux services écologiques d'approvisionnement (p.ex., récolte de bois, pollinisation) en présence des changements de l'environnement et de la pression anthropique croissante.

 

1.2 La résilience des réseaux complexes: identifier les indicateurs critiques pour une intervention ciblée

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
Louis J. Dubé, Simon Hardy

Co-chercheurs
Daniel Côté, Paul DeKoninck, Patrick Desrosiers, Nicolas Doyon

Collaborateurs
Yves DeKoninck, Jean-Philippe Lessard

Collaborateurs hors UL

Antoine Allard (Espagne). Laurent Hébert-Dufresne (Nouveau-Mexique), André Longtin (Université d'Ottawa), Freidrich W. Rainer (Suisse)

Résumé du projet
La capacité d'un système à ajuster son activité pour maintenir l'intégrité de son fonctionnement en présence d'erreurs et de perturbations environnementales, i.e. sa résilience, est une propriété caractéristique de plusieurs réseaux complexes. Toutefois, en dépit des conséquences majeures sur la santé humaine, l'économie et l'environnement, les événements conduisant à une perte de résilience sont toujours difficilement prévisibles et souvent irréversibles, qu'il s'agisse de pannes de systèmes technologiques ou de l'extinction d'espèces dans les réseaux écologiques. Le Nord, avec ses réseaux interconnectés, est confronté à des défis imminents causés par des changements rapides, à la fois climatiques, sociaux et économiques. Il est ainsi essentiel d'établir une approche générale et unificatrice afin de mieux comprendre et de protéger cet écosystème vulnérable. La science des réseaux (NS) présente un cadre unique, théorique et pratique, pour investiguer les systèmes complexes sur plusieurs échelles, microscopique (e.g. réseaux neuronaux), mésoscopique (e.g. biodiversité animale) et macroscopique (e.g. populations). Elle offre un langage universel et des concepts unificateurs pour comprendre les systèmes à la fois dynamiques, non linéaires, adaptatifs et hiérarchiques auxquels nous aurons à faire face dans le Nord. La relation structure-fonction nous accompagnera tout au long de notre étude. Pour confronter notre méthodologie à la réalité expérimentale, nous combinerons la NS avec la biologie des systèmes en portant notre attention sur le stade larvaire du poisson-zèbre, un modèle animal idéal, de par sa transparence, son développement rapide et son accessibilité par le biais de l'optogénétique. Les experts en neurophotonique de notre équipe pourront ainsi faire l'imagerie de l'activité du réseau complet des poissons-zèbres sous l'effet de perturbations externes (température et lumière) ou internes (stimulation optique). Au moyen de simulations dynamiques, nous comparerons nos résultats théoriques numériques aux données expérimentales du poisson-zèbre, ainsi qu'avec d'autres réseaux du Nord.

 

1.3 Documenter et modéliser les interrelations clés des systèmes hydriques nordiques soumis aux pressions climatiques, géosystémiques et sociétales

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheur principal
René Therrien

Co-chercheurs
François Anctil, Najat Bhiry, Alexander Culley, Florent Dominé, Guy Doré, Caetano Dorea, John Molson, Daniel Nadeau, Manuel Rodriguez

Collaborateurs
Patrick Levalloi, Benoit Levesque, Steve Charrette, André Fortin, François Laviolette, Jean-Michel Lemieux

Collaborateurs hors UL
Fabrice Calmels (Yukon Research Centre), Daniel Fortier (Université de Montréal), Vincent Fortin (ECC Canada), Émilie Gegan (Norvège), Thomas Ingeman-Nielsen (Danemark)

Résumé du projet
Une équipe multidisciplinaire de chercheurs en sciences naturelles, mathématiques, génie, et sciences de la santé propose de documenter et modéliser les interrelations clés des systèmes hydriques nordiques soumis aux pressions climatiques, géosystémiques et sociétales. Nous considérons l'hydrosphère terrestre (eaux de surface et eaux souterraines) et la cryosphère (glace, neige, pergélisol). Trois grands enjeux seront abordés: le manque de données et de modèles hydrométéorologiques pour le Nord, le besoin de prévoir l'impact de la dégradation du pergélisol sur les ressources en eau, les infrastructures et l'environnement et le besoin d'un approvisionnement durable en eau potable pour les communautés nordiques

Nous utiliserons des techniques d'analyse avancées pour la collecte de données, incluant des dispositifs d'optique-photonique, et nous allons développer les modèles les plus avancés de simulation hydrométéorologique et de la dynamique du pergélisol. Des travaux de terrain sont prévus sur plusieurs sites nordiques, incluant Umiujaq et Salluit au Nunavik, QC. Les retombées attendues du projet comprennent: la création d'une base de données unique sur les flux d'eau et d'énergie qui permettra d'améliorer les modèles opérationnels de prévisions météorologiques et de modélisation du climat,une base de données à grande échelle sur la dégradation du pergélisol dans des zones sensibles qui conduira au développement de la prochaine génération de modèles pour simuler la dynamique de la dégradation du pergélisol, et le développement de méthodes in situ de suivi de la qualité de l'eau et de méthodes de traitement et de surveillance de l'eau adaptées au Nord.

Nous allons collaborer étroitement avec des partenaires des organisations nordiques, de l'industrie et du gouvernement pour assurer le transfert et la mobilisation des connaissances. Ce projet permettra à Sentinelle Nord de se positionner parmi les leaders mondiaux de la recherche sur les systèmes hydriques nordiques.

 

1.4 Détection photonique extrême et suivi des environnements pergélisolés

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
Sophie LaRochelle, Richard Fortier

Co-chercheurs
Martin Bernier, Jean-Daniel Deschênes, Tigran Galstian, Jesse Greener, Younès Messaddeq, Amine Miled, John Molson, Wei Shi

Collaborateurs
Jean-Michel Lemieux, Warwick Vincent

Résumé du projet
Le Nord est en pleine mutation sous la double pression du développement socio-économique et du réchauffement climatique. Afin d'améliorer notre compréhension de la dynamique de ces changements, de nouvelles plateformes de capteurs photoniques seront développées pour assurer le suivi d'indicateurs critiques au développement durable du Nord, dont le tassement au dégel du pergélisol, l'émission de gaz à effet de serre, et les propriétés de l'eau. Cette recherche vise à répondre aux besoins suivants:

1) Caractérisation du pergélisol à de grande profondeur
Des capteurs à fibre optique faisant la mesure distribuée de température, de contraintes, ainsi que de pression et d'écoulement de l'eau souterraine, seront insérés dans un forage profond pour l'exploitation sécuritaire et durable de minéraux industriels sous la base du pergélisol

2) Détection des gaz à effet de serre
Des dispositifs photoniques sur silicium mesureront la composition de l'air et l'accumulation de gaz de sources naturelles et anthropiques (par exemple: CH4, CO and CO2)

3) Suivi des déformations de terrain pergélisolé
Des capteurs à fibre optique enfouis sous la surface et des caméras adaptatives d'imagerie 3D seront installés sur un site d'étude. Le suivi à haute résolution des mouvements de terrain fournira des informations cruciales aux modèles numériques décrivant le comportement des milieux pergélisolés ou prédisant la stabilité d'infrastructures nordiques construites sur le pergélisol

4) Mesure en continu de la qualité de l'eau
Des sources autonomes d'énergie basées sur des piles à combustible microbiennes seront développées pour l'alimentation d'échantillonneur microfluidique et des capteurs photoniques sur silicium afin d'analyser l'eau des mares de thermokarst et des puits.

Les retombées de nos travaux seront des plateformes robustes et versatiles à faible consommation énergétique qui seront des sentinelles exceptionnelles pour l'observation des environnements nordiques sous stress. Ces technologies fourniront des informations essentielles aux ingénieurs nordiques (miniers, civils et géotechniques) et aux scientifiques (hydrogéologues, biologistes et chimistes) pour le développement durable.

 

1.5 Pitutsimaniq, capteurs en réseau pour le suivi en temps réel des infrastructures et des écosystèmes nordiques

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
Michel Allard, Leslie Ann Rusch

Co-chercheurs
Guy Doré, Sophie LaRochelle, Younès Messadeq

Collaborateurs
David Conciator, Ariane Locat

Collaborateurs hors UL
Anderson S. L. Gomes (Brésil)

Résumé du projet
Pitutsimaniq, réseau en inuktitut, capte l'essence de ce projet qui vise l'interconnexion des systèmes de suivi des infrastructures pour le bien-être des communautés nordiques. La croissance démographique rapide et les besoins du développement économique créent un important besoin en nouvelles constructions et en rénovations alors que sévissent le changement climatique et la déstabilisation du pergélisol. L'intégration des systèmes de monitorage des milieux naturels et des infrastructures dans des réseaux intelligents sera une approche nouvelle pour l'alerte avancée face aux risques de dommages, le suivi de performance de moyens d'adaptation déjà installés et la capacité d'intervention des autorités publiques. À l'heure actuelle, les outils-sentinelles du suivi opèrent isolément, colligeant les données dans des dataloggers dispersés et accessibles au mieux quelques fois par année. Les communautés nordiques et les propriétaires d'infrastructures ayant besoin de moyens de surveillance en temps réel et produisant une information intégrée, notre projet fondamental vise à organiser en réseaux des capteurs peu dispendieux dotés de capacité de lecture, d'emmagasinage des données et de transmission des informations sous des conditions climatiques difficiles et ne consommant que très peu d'énergie. Des senseurs en réseaux distribués le long des infrastructures linéaires de transport et couvrant l'espace occupé par les communautés détecteront les sources de chaleur annonciatrices de tassements du sol et de dommages. À plus long terme, des capteurs en fibre seront élaborés pour mesurer le régime thermique des sols très important aussi bien pour la dynamique des écosystèmes en transition que pour la stabilité des infrastructures. Ces réseaux intelligents seront utilisables aussi par la panoplie de capteurs originaux qui seront mis au point par les autres équipes de Sentinelle Nord, multipliant ainsi la valeur créatrice du programme et conférant aux chercheurs une plus grande perspicacité dans la compréhension des impacts affectant l'environnement et les infrastructures humaines.

 
 
 

Comité de direction du chantier thématique 1

Membres du comité de direction
René Therrien, directeur
Département de géologie et génie géologique
rene.therrien@ggl.ulaval.ca

Louis J. Dubé
Département de physique, de génie physique et d'optique

Leslie Rush
Département de génie électrique et génie informatique

Coordonnatrice
Valérie Mathon-Dufour
valerie.mathon-dufour.1@ulaval.ca
418 656-2131 poste 4328

 
 
 

Chantiers thématiques

 
 

1- Décoder les interrelations entre systèmes complexes du Nord

 
 

2- La lumière comme moteur, environnement et vecteur d'information dans les milieux naturels et la santé dans le Nord

 
 

3- Microbiomes: sentinelles de l'environnement et de la santé dans le Nord

www.ulaval.ca