Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) have a wide range of applications in marine geoscience, and are increasingly being used in the scientific, military, commercial, and policy sectors. Their ability to operate autonomously of a host vessel makes them well suited to exploration of extreme environments, from the world's deepest hydrothermal vents to beneath polar ice sheets. They have revolutionised our ability to image the seafloor, providing higher resolution seafloor mapping data than can be achieved from surface vessels, particularly in deep water. This contribution focuses on the major advances in marine geoscience that have resulted from AUV data. The primary applications are i) submarine volcanism and hydrothermal vent studies, ii) mapping and monitoring of low-temperature fluid escape features and chemosynthetic ecosystems, iii) benthic habitat mapping in shallow- and deep-water environments, and iv) mapping of seafloor morphological features (e.g. bedforms generated beneath ice or sediment-gravity flows). A series of new datasets is presented that highlight the growing versatility of AUVs for marine geoscience studies, including i) multi-frequency acoustic imaging of trawling impacts on deep-water coral mounds, iii) collection of high-resolution seafloor photomosaics at abyssal depths, and iii) velocity measurements of active submarine density flows. Future developments in AUV technology of potential relevance to marine geoscience include new vehicles with enhanced hovering, long endurance, extreme depth, or rapid response capabilities, while development of new sensors will further expand the range of geochemical parameters that can be measured.

The deep sea encompasses the largest ecosystems on Earth. Although poorly known, deep seafloor ecosystems provide services that are vitally important to the entire ocean and biosphere. Rising atmospheric greenhouse gases are bringing about significant changes in the environmental properties of the ocean realm in terms of water column oxygenation, temperature, pH and food supply, with concomitant impacts on deep-sea ecosystems. Projections suggest that abyssal (3000–6000 m) ocean temperatures could increase by 1°C over the next 84 years, while abyssal seafloor habitats under areas of deep-water formation may experience reductions in water column oxygen concentrations by as much as 0.03 mL L–1 by 2100. Bathyal depths (200–3000 m) worldwide will undergo the most significant reductions in pH in all oceans by the year 2100 (0.29 to 0.37 pH units). O2 concentrations will also decline in the bathyal NE Pacific and Southern Oceans, with losses up to 3.7% or more, especially at intermediate depths. Another important environmental parameter, the flux of particulate organic matter to the seafloor, is likely to decline significantly in most oceans, most notably in the abyssal and bathyal Indian Ocean where it is predicted to decrease by 40–55% by the end of the century. Unfortunately, how these major changes will affect deep-seafloor ecosystems is, in some cases, very poorly understood. In this paper, we provide a detailed overview of the impacts of these changing environmental parameters on deep-seafloor ecosystems that will most likely be seen by 2100 in continental margin, abyssal and polar settings. We also consider how these changes may combine with other anthropogenic stressors (e.g., fishing, mineral mining, oil and gas extraction) to further impact deep-seafloor ecosystems and discuss the possible societal implications.

The deep ocean below 200 m water depth is the least observed, but largest habitat on our planet by volume and area. Over 150 years of exploration has revealed that this dynamic system provides critical climate regulation, houses a wealth of energy, mineral, and biological resources, and represents a vast repository of biological diversity. A long history of deep-ocean exploration and observation led to the initial concept for the Deep-Ocean Observing Strategy (DOOS), under the auspices of the Global Ocean Observing System (GOOS). Here we discuss the scientific need for globally integrated deep-ocean observing, its status, and the key scientific questions and societal mandates driving observing requirements over the next decade. We consider the Essential Ocean Variables (EOVs) needed to address deep-ocean challenges within the physical, biogeochemical, and biological/ecosystem sciences according to the Framework for Ocean Observing (FOO), and map these onto scientific questions. Opportunities for new and expanded synergies among deep-ocean stakeholders are discussed, including academic-industry partnerships with the oil and gas, mining, cable and fishing industries, the ocean exploration and mapping community, and biodiversity conservation initiatives. Future deep-ocean observing will benefit from the greater integration across traditional disciplines and sectors, achieved through demonstration projects and facilitated reuse and repurposing of existing deep-sea data efforts. We highlight examples of existing and emerging deep-sea methods and technologies, noting key challenges associated with data volume, preservation, standardization, and accessibility. Emerging technologies relevant to deep-ocean sustainability and the blue economy include novel genomics approaches, imaging technologies, and ultra-deep hydrographic measurements. Capacity building will be necessary to integrate capabilities into programs and projects at a global scale. Progress can be facilitated by Open Science and Findable, Accessible, Interoperable, Reusable (FAIR) data principles and converge on agreed to data standards, practices, vocabularies, and registries. We envision expansion of the deep-ocean observing community to embrace the participation of academia, industry, NGOs, national governments, international governmental organizations, and the public at large in order to unlock critical knowledge contained in the deep ocean over coming decades, and to realize the mutual benefits of thoughtful deep-ocean observing for all elements of a sustainable ocean.

Mora and colleagues show that ongoing greenhouse gas emissions are likely to have a considerable effect on several biogeochemical properties of the world's oceans, with potentially serious consequences for biodiversity and human welfare.

Video and image data are regularly used in the field of benthic ecology to document biodiversity. However, their use is subject to a number of challenges, principally the identification of taxa within the images without associated physical specimens. The challenge of applying traditional taxonomic keys to the identification of fauna from images has led to the development of personal, group, or institution level reference image catalogues of operational taxonomic units (OTUs) or morphospecies. Lack of standardisation among these reference catalogues has led to problems with observer bias and the inability to combine datasets across studies. In addition, lack of a common reference standard is stifling efforts in the application of artificial intelligence to taxon identification. Using the North Atlantic deep sea as a case study, we propose a database structure to facilitate standardisation of morphospecies image catalogues between research groups and support future use in multiple front-end applications. We also propose a framework for coordination of international efforts to develop reference guides for the identification of marine species from images. The proposed structure follows the Darwin Core standard to allow integration with existing databases. We suggest a management framework where high-level taxonomic groups are curated by a regional team, consisting of both end users and taxonomic experts. We identify a mechanism by which overall quality of data within a common reference guide could be raised over the next decade. Finally, we discuss the role of a common reference standard in advancing marine ecology and supporting sustainable use of this ecosystem.