A new UV submersible spectroradiometer has been employed to determine the diffuse attenuation coefficient for irradiance in the clearest natural waters [K(w)(lambda)] with emphasis on the spectral region from 300 to 400 nm. K(w)(lambda) can be related to the inherent optical properties of pure water, in particular the total absorption coefficient a(w)(lambda) and the molecular scattering coefficient b(m)(lambda), by means of equations derived from radiative transfer theory. We present an analysis showing that limiting values of K(w)(lambda) can be estimated from a(w)(lambda) and vice versa. Published a(w)(lambda) data, which show discrepancies much larger than their estimated accuracies, are briefly reviewed and then compared, via our analysis, with K(w)(lambda) data (our own new and previously published data as well as relevant data of others). This comparative analysis and new data allow a consistent and accurate set of optical properties for the clearest natural waters and for pure fresh water and saltwater to be estimated from 300 to 800 nm.

A semianalytical radiance model is developed which predicts the upwelled spectral radiance at the sea surface as a function of the phytoplankton pigment concentration for Morel Case 1 waters. The model is in good agreement with experimental measurements carried out in waters which were not included in the data base used to derive it. It suggests that the observed variability in the radiance is due to variations in the backscattering of plankton and the associated detrital material. The model is extended to include other material in the water, such as dissolved organic material, referred to as yellow substances, and detached coccoliths from coccolithophorids, e.g., Emiliana huxleyi . Potential applications include an improved bio‐optical algorithm for the retrieval of pigment concentrations from satellite imagery in the presence of interference from detached coccoliths and an improved atmospheric correction for satellite imagery. The model also serves to identify and to interpret deviations from Case 1 waters.

Regarding the effects of UV-B radiation on aquatic ecosystems, recent scientific and public interest has focused on marine primary producers and on the aquatic web, which has resulted in a multitude of studies indicating mostly detrimental effects of UV-B radiation on aquatic organisms. The interest has expanded to include ecologically significant groups and major biomass producers using mesocosm studies, emphasizing species interactions. This paper assesses the effects of UV-B radiation on dissolved organic matter, decomposers, primary and secondary producers, and briefly summarizes recent studies in freshwater and marine systems. Dissolved organic carbon (DOC) and paniculate organic carbon (POC) are degradation products of living organisms. These substances are of importance in the cycling of carbon in aquatic ecosystems. UV-B radiation has been found to break down high-molecular-weight substances and make them available to bacterial degradation. In addition, DOC is responsible for short-wavelength absorption in the water column. Especially in coastal areas and freshwater ecosystems, penetration of solar radiation is limited by high concentrations of dissolved and particulate matter. On the other hand, climate warming and acidification result in faster degradation of these substances and thus enhance the penetration of UV radiation into the water column. Several research groups have investigated light penetration into the water column. Past studies on UV penetration into the water column were based on temporally and spatially scattered measurements. The process of spectral attenuation of radiant energy in natural waters is well understood and straightforward to model. Less known is the spatial and temporal variability of in-water optical properties influencing UV attenuation and there are few long-term observations. In Europe, this deficiency of measurements is being corrected by a project involving the development of a monitoring system (ELDONET) for solar radiation using three-channel dosimeters (UV-A, UV-B, PAR) that are being installed from Abisko (North Sweden, 68 °N, 19 °E) to Tenerife (Canary Islands, 27 °N, 17 °W). Some of the instruments have been installed in the water column (North Sea, Baltic Sea, Kattegat, East and Western Mediterranean, North Atlantic), establishing the first network of underwater dosimeters for continuous monitoring. Bacteria play a vital role in mineralization of organic matter and provide a trophic link to higher organisms. New techniques have substantially changed our perception of the role of bacteria in aquatic ecosystems over the recent past and bacterioplankton productivity is far greater than previously thought, having high division and turnover rates. It has been shown that bacterioplankton play a central role in the carbon flux in aquatic ecosystems by taking up DOC and remineralizing the carbon. Bacterioplankton are more prone to UV-B stress than larger eukaryotic organisms and, based on one study, produce about double the amount of cyclobutane dimers. Recently, the mechanism of nitrogen fixation by cyanobacteria has been shown to be affected by UV-B stress. Wetlands constitute important ecosystems both in the tropics and at temperate latitudes. In these areas, cyanobacteria form major constituents in microbial mats. The organisms optimize their position in the community by vertical migration in the mat, which is controlled by both visible and UV-B radiation. Cyanobacteria are also important in tropical and sub-tropical rice paddy fields, where they contribute significantly to the availability of nitrogen. Solar UV radiation affects growth, development and several physiological responses of these organisms. On a global basis, phytoplankton are the most important biomass producers in aquatic ecosystems. The organisms populate the top layers of the oceans and freshwater habitats where they receive sufficient solar radiation for photosynthetic processes. New research strengthens previous evidence that solar UV affects growth and reproduction, photosynthetic energy-harvesting enzymes and other cellular proteins, as well as photosynthetic pigment contents. The uptake of ammonium and nitrate is affected by solar radiation in phytoplankton, as well as in macroalgae. Damage to phytoplankton at the molecular, cellular, population and community levels has been demonstrated. In contrast, at the ecosystem level there are few convincing data with respect to the effects of ozone-related UV-B increases and considerable uncertainty remains. Following UV-B irradiation, shifts in phytoplankton community structure have been demonstrated, which may have consequences for the food web. Macroalgae and seagrasses are important biomass producers in aquatic ecosystems (but considerably smaller than phytoplankton). In contrast to phytoplankton, most of these organisms are sessile and can thus not avoid exposure to solar radiation at their growth site. Recent investigations showed a pronounced sensitivity to solar UV-B radiation, and effects have been found throughout the top 10–15 m of the water column. Photoinhibition can be quantified by oxygen exchange or by PAM (pulse amplitude modulated) fluorescence. Surface-adapted macroalgae, such as several brown and green algae, show a maximum of oxygen production at or close to the surface; whereas algae adapted to lower irradiances usually thrive best when exposed deeper in the water column. Mechanisms of protection and repair are being investigated. UV effects on aquatic animals are of increased interest. Evidence for UV effects has been demonstrated in Zooplankton activity. Other UV-B-sensitive aquatic organisms include sea urchins, corals and amphibians. Solar UV radiation has been known to affect corals directly. In addition, photosynthesis in their symbiotic algae is impaired, resulting in reduced organic carbon supply. Amphibian populations are in serious decline in many areas of the world, and scientists are seeking explanations for this phenomenon. Most amphibian population declines are probably due to habitat destruction or habitat alteration. Some declines are probably the result of natural population fluctuations. Other explanations for the population declines and reductions in range include disease, pollution, atmospheric changes and introduced competitors and predators. UV-B radiation is one agent that may act in conjunction with other stresses to affect amphibian populations adversely. The succession of algal communities is controlled by a complex array of external conditions, stress factors and interspecies influences. Freshwater ecosystems have a high turnover and the success of an individual species is difficult to predict, but the development of general patterns of community structure follows defined routes. There is a strong predictive relationship between DOC concentration and the depth to which UV radiation penetrates in lakes. Since DOC varies widely, freshwater systems display a wide range of sensitivity to UV penetration. In these systems, increased solar UV-B radiation is an additional stress factor that may change species composition and biomass productivity. The Arctic aquatic ecosystem is one of the most productive ecosystems on earth and is a source of fish and crustaceans for human consumption. Both endemic and migratory species breed and reproduce in this ocean in spring and early summer, at a time when recorded increases in UV-B radiation are maximal. Productivity in the Arctic ocean has been reported to be higher and more heterogeneous than in the Antarctic ocean. In the Bering Sea, the sea-edge communities contribute about 40–50% of the total productivity. Because of the shallow water and the prominent stratification of the water layer, the phytoplankton are more exposed and affected by solar UV-B radiation. In addition, many economically important fish (e.g., herring, pollock, cod and salmon) spawn in shallow waters where they are exposed to increased solar UV-B radiation. Many of the eggs and early larval stages are found at or near the surface. Consequently, reduced productivity of fish and other marine crops is possible but has not been demonstrated. There is increased consensus, covering a wide range of aquatic ecosystems, that environmental UV-B, independent of ozone-related increases, is an important ecological stress that influences the growth, survival and distribution of phytoplankton. Polar ecosystems, where ozone-related UV-B increases are the greatest and which are globally significant ecosystems, are of particular concern. However, these ecosystems are characterized by large spatial and temporal variability, which makes it difficult to separate out UV-B-specific effects on single species or whole phytoplankton communities. There is clear evidence for short-term effects. In one study a 4–23% photoinhibition of photosystem II activity was measured under the ozone hole. However, extrapolation of short-term effects to long-term ecological consequences requires various complex effects to be accounted for and quantitative evaluation remains uncertain.

Abstract— Spectral irradiance measurements. from 310 to 650 nm. have been made in low and modcrately productive ocean waters. These new data and selected earlier clear ocean water data are used as a basis for extrapolating the diffuse attenuation coefficient for irradiance into the 280 nm region. This allows a quantitative calculation of the penetration of UV‐B (280–340 nm) and of biologically (DNA) effective dose‐rates as a function of depth into various ocean water types. The model of Green et al . (1974a) for various atmospheric ozone thicknesses has been used to obtain input surface irrddiancc for this calculation. Our purpose is to provide a basis for estimating the penetration of possible increased UV‐B into natural waters due to possible changes in the ozone concentration of the stratosphere. Given appropriate biological data, this method allows a quantitative evaluation of radiation effects on aquatic organisms as a function of depth. As a specific example, our results have been graphically compared with the dosage‐response results on anchovy larvae obtained by Hunter et al . (1978).

The Antarctic Peninsula region is undergoing rapid change: a warming in winter of almost 6 °C since 1950, the loss of six ice shelves, the retreat of 87% of the marine glaciers, and decreases in winter sea-ice duration. Concurrently, there is evidence of ecosystem change along the western Antarctic Peninsula (wAP). Since the life histories of most polar marine species are synchronized with the seasonal cycle of sea ice, we assess how the seasonal sea-ice cycle is changing in the wAP region. Four new metrics of seasonal sea-ice variability were extracted from spatial maps of satellite derived daily sea-ice concentration: (a) day of advance, (b) day of retreat, (c) the total number of sea-ice days (between day of advance and retreat), and (d) the percent time sea-ice was present (or sea-ice persistence). The spatio-temporal variability describes distinct on-to-offshore and alongshore differences in ice–ocean marine habitats, characterized overall by a longer sea-ice season in coastal regions (6.8–7.9 months) versus a shorter sea-ice season over the shelf (4.1–5.3 months), with on-to-offshore differences increasing south-to-north. Large perturbations in the seasonality of the marine habitat occur in association with ENSO and Southern Annular Mode (SAM) variability. The local atmospheric response to these climate modes is largely a strengthening of the meridional winds during spring-to-autumn, which in turn affect the timing of the sea-ice retreat and subsequent advance. These perturbations are embedded in overall trends towards a later sea-ice advance, earlier retreat and consequently shorter sea-ice season, the impacts of which are expected to affect ecosystem functionality in the wAP region. A suite of ocean–atmosphere–ice interactions are described that are consistent with the amplified warming in late autumn, early winter.

The diffuse attenuation coefficient for irradiance, K T , is a physical measure of the bio‐optical state of ocean waters. From an analysis of irradiance, K T , and pigment concentration, the specific attenuation due to chlorophyll‐like pigments is found to be 0.016 ± 0.003 [m −1 (mg pigment m −3 ) −1 ]. The bio‐optical state of ocean waters can be remotely sensed by spacecraft sensors. K T is readily measured at sea and is highly correlated with and dependent on the chlorophyll‐like pigment concentration, C K . This pigment concentration and K T provide a measure of the fraction of radiant energy attenuated by phytoplankton. This fraction, in turn, is closely related to the production equations formulated by Bannister and can be directly incorporated into a general theory of phytoplankton dynamics. C K may also be used as an index of primary productivity. The determination of the bio‐optical state of ocean waters by surface vessel provides direct information concerning the productivity of these waters; to the extent that the bio‐optical state can be determined by satellite, it may be possible to examine important parameters of the marine ecosystem rapidly and repeatedly.

Measurements of underwater spectral irradiance have been used to investigate the behavior of the ratio of total quanta to total energy ( Q : W ) within the spectral region of photosynthetic activity. In data from a wide range of optical water types, the Q : W ratio varies by no more than ±10% and is 2.5 ± 0.25 × 10 18 (quanta sec −1 watt −1 ). Within this range Q : W varies systematically and thus it may be predicted within ±5%, if either the wavelength of maximum spectral irradiance or the chlorophyll concentration of the water under investigation is approximately known. The value of Q : W may be used to determine the total quanta available for photosynthesis accurately from a measurement of the total energy and vice versa.