Abstract In this article, we review evidence of how climate change has already resulted in clearly discernable changes in marine Arctic ecosystems. After defining the term ‘footprint’ and evaluating the availability of reliable baseline information we review the published literature to synthesize the footprints of climate change impacts in marine Arctic ecosystems reported as of mid‐2009. We found a total of 51 reports of documented changes in Arctic marine biota in response to climate change. Among the responses evaluated were range shifts and changes in abundance, growth/condition, behaviour/phenology and community/regime shifts. Most reports concerned marine mammals, particularly polar bears, and fish. The number of well‐documented changes in planktonic and benthic systems was surprisingly low. Evident losses of endemic species in the Arctic Ocean, and in ice algae production and associated community remained difficult to evaluate due to the lack of quantitative reports of its abundance and distribution. Very few footprints of climate change were reported in the literature from regions such as the wide Siberian shelf and the central Arctic Ocean due to the limited research effort made in these ecosystems. Despite the alarming nature of warming and its strong potential effects in the Arctic Ocean the research effort evaluating the impacts of climate change in this region is rather limited.

Summary Laboratory and field studies have indicated that anaerobic ammonium oxidation (anammox) is an important process in the marine nitrogen cycle. In this study 11 additional anoxic marine sediment and water column samples were studied to substantiate this claim. In a combined approach using the molecular methods, polymerase chain reaction (PCR), qualitative and quantitative fluorescence in situ hybridization (FISH), as well as 15 N stable isotope activity measurements, it was shown that anammox bacteria were present and active in all samples investigated. The anammox activity measured in the sediment samples ranged from 0.08 fmol cell −1 day −1 N 2 in the Golfo Dulce (Pacific Ocean, Costa Rica) sediment to 0.98 fmol cell −1 day −1 N 2 in the Gullmarsfjorden (North Sea, Sweden) sediment. The percentage of anammox cell of the total population (stained with DAPI) as assessed by quantitative FISH was highest in the Barents Sea (9% ± 4%) and in most of the samples well over 2%. Fluorescence in situ hybridization and phylogenetic analysis of the PCR products derived from the marine samples indicated the exclusive presence of members of the Candidatus ‘Scalindua’ genus. This study showed the ubiquitous presence of anammox bacteria in anoxic marine ecosystems, supporting previous observations on the importance of anammox for N cycling in marine environments.

Abstract Accelerated mass loss from the Greenland ice sheet leads to glacier retreat and an increasing input of glacial meltwater to the fjords and coastal waters around Greenland. These high latitude ecosystems are highly productive and sustain important fisheries, yet it remains uncertain how they will respond to future changes in the Arctic cryosphere. Here we show that marine‐terminating glaciers play a crucial role in sustaining high productivity of the fjord ecosystems. Hydrographic and biogeochemical data from two fjord systems adjacent to the Greenland ice sheet, suggest that marine ecosystem productivity is very differently regulated in fjords influenced by either land‐terminating or marine‐terminating glaciers. Rising subsurface meltwater plumes originating from marine‐terminating glaciers entrain large volumes of ambient deep water to the surface. The resulting upwelling of nutrient‐rich deep water sustains a high phytoplankton productivity throughout summer in the fjord with marine‐terminating glaciers. In contrast, the fjord with only land‐terminating glaciers lack this upwelling mechanism, and is characterized by lower productivity. Data on commercial halibut landings support that coastal regions influenced by large marine‐terminating glaciers have substantially higher marine productivity. These results suggest that a switch from marine‐terminating to land‐terminating glaciers can substantially alter the productivity in the coastal zone around Greenland with potentially large ecological and socio‐economic implications.

Climate change has ecosystem-wide cascading effects. Little is known, however, about the resilience of Arctic marine ecosystems to environmental change. Here we quantify and compare large-scale patterns in rocky intertidal biomass, coverage and zonation in six regions along a north-south gradient of temperature and ice conditions in West Greenland (60-72°N). We related the level and variation in assemblage composition, biomass and coverage to latitudinal-scale environmental drivers. Across all latitudes, the intertidal assemblage was dominated by a core of stress-tolerant foundation species that constituted >95% of the biomass. Hence, canopy-forming macroalgae, represented by Fucus distichus subsp. evanescens and F. vesiculosus and, up to 69 °N, also Ascophyllum nodosum , together with Semibalanus balanoides , occupied >70% of the vertical tidal range in all regions. Thus, a similar functional assemblage composition occurred across regions, and no latitudinal depression was observed. The most conspicuous difference in species composition from south to north was that three common species (the macroalgae Ascophyllum nodosum , the amphipod Gammarus setosus and the gastropod Littorina obtusata ) disappeared from the mid-intertidal, although at different latitudes. There were no significant relationships between assemblage metrics and air temperature or sea ice coverage as obtained from weather stations and satellites, respectively. Although the mean biomass decreased >50% from south to north, local biomass in excess of 10 000 g ww m-2 was found even at the northernmost site, demonstrating the patchiness of this habitat and the effect of small-scale variation in environmental characteristics. Hence, using the latitudinal gradient in a space-for-time substitution, our results suggest that while climate modification may lead to an overall increase in the intertidal biomass in north Greenland, it is unlikely to drive dramatic functional changes in ecosystem structure in the near future. Our dataset provides an important baseline for future studies to verify these predictions for Greenlands intertidal zone.

Abstract Broadly distributed species need to perform well in a range of environmental conditions, but knowledge of how wide‐ranging marine larvae perform along latitudinal gradients remains limited. The fatty acid composition of larvae is important for their physiological responses to changing conditions. Here, we investigated the fatty acid composition of the last, non‐feeding stage of barnacle larvae (cyprids) using an integrative (larvae–environment) and comparative (latitudinal) approach. We measured fatty acids in the pelagic particulate matter and cyprids from Chthamalus bisinuatus , Chthamalus proteus , and Semibalanus balanoides from tropical to polar (Arctic) latitudes to identify potential food sources during the feeding larval stages (nauplius) that precede the cyprids and to ascertain larval capacity to integrate neutral (energetic) and polar (structural) fatty acids. We demonstrate that particulate matter in tropical waters mainly consisted of low‐quality saturated fatty acids derived from detrital pathways, while particulate matter from polar waters was rich in polyunsaturated fatty acids originating from living microalgae. Across the studied regions, neutral fatty acids were assimilated from various food sources including diatoms, dinoflagellates, detritus, and microeukaryotes. Cyprids consistently retained higher essential fatty acid levels than the relative share in the particulate matter. Particularly, the essential docosahexaenoic acid (22:6ω3), which was scarce in the particulate matter, was highly retained across all species but highest for the tropical cyprids. We argue that this latitudinal pattern in fatty acid retention is related to periods of reduced nutrient intake, increased energetic and/or synthetic requirements, and responses to physical large‐scale differences in environmental conditions.

Abstract. Most inhabitants of the Arctic live near the coastline, which includes fjord systems where socio-ecological coupling with coastal communities is dominant. It is therefore critically important that the key aspects of Arctic fjords be measured as well as possible. Much work has been done to monitor temperature and salinity, but in-depth knowledge of the light environment throughout Arctic fjords is lacking. This is particularly problematic knowing the importance of light for benthic ecosystem engineers such as macroalgae, which also play a major role in ecosystem function. Here we document the creation and implementation of a high-resolution (∼50–150 m) gridded dataset for surface photosynthetically available radiation (PAR), diffuse attenuation of PAR through the water column (KPAR), and PAR available at the seafloor (bottom PAR) for seven Arctic fjords distributed throughout Svalbard, Greenland, and Norway during the period 2003–2022. In addition to KPAR and bottom PAR being available at a monthly resolution over this time period, all variables are available as a global average, annual averages, and monthly climatologies, with standard deviations provided for the latter two. Throughout most Arctic fjords, the interannual variability of monthly bottom PAR is too large to determine any long-term trends. However, in some fjords, bottom PAR increases in spring and autumn and decreases in summer. While a full investigation into these causes is beyond the scope of the description of the dataset presented here, it is hypothesized that this shift is due to a decrease in seasonal ice cover (i.e. enhanced surface PAR) in the shoulder seasons and an increase in coastal runoff (i.e. increased turbidity and decreased surface PAR) in summer. A demonstration of the usability of the dataset is given by showing how it can be combined with known PAR requirements of macroalgae to track the change in the potential distribution area for macroalgal habitats within fjords with time. The datasets are available on PANGAEA at https://doi.org/10.1594/PANGAEA.962895 (Gentili et al., 2023a) and https://doi.org/10.1594/PANGAEA.965460 (Gentili et al., 2024). A toolbox for downloading and working with this dataset is available in the form of the FjordLight R package, which is available via CRAN (Gentili et al., 2023b, https://doi.org/10.5281/zenodo.10259129) or may be installed via GitHub: https://face-it-project.github.io/FjordLight (last access: 29 April 2024).

Abstract The oceans play a pivotal role in mitigating climate change by sequestering approximately 25% of annually emitted carbon dioxide (CO 2 ). High‐latitude oceans, especially the Arctic continental shelves, emerge as crucial CO 2 sinks due to their cold, low saline, and highly productive ecosystems. However, these heterogeneous regions remain inadequately understood, hindering accurate assessments of their carbon dynamics. This study investigates variation in p CO 2 levels during peak ice sheet melt, in the Greenland coastal ocean and estimates rates of air‐sea exchange across 6° of latitude. The East and West coast of Greenland displayed distinct regions with unique controlling factors. Though, both coasts represent CO 2 sinks in summer. Geographical variation in p CO 2 and air‐sea exchange was linked intricately to freshwater export from the Greenland ice sheet and levels of primary production in these ecosystems. Air‐sea exchange of CO 2 ranged from 0.23 to −64 mmol m −2 day −1 . However, we found that flux estimation faces substantial uncertainties (up to 672%) due to wind product averaging and gas exchange formula selection. Upscaling only heightens this uncertainty leading to wide ranging estimates of Greenland coastal CO 2 uptake between −16 and −26 Tg C year −1 (This study, Dai et al., 2022, https://doi.org/10.1146/annurev‐earth‐032320‐090746 ; Laruelle et al., 2014, https://doi.org/10.1002/2014gb004832 ). Obtaining a reliable assessment of air‐sea CO 2 exchange necessitates data collection across seasons, and, even more so, refinement of the gas transfer velocity estimations in the Arctic coastal zone.

Although geographic patterns of species' sensitivity to global environmental changes are defined by interacting multiple stressors, little is known about the biological mechanisms shaping regional differences in organismal vulnerability. Here, we examine large-scale spatial variations in biomineralisation under heterogeneous environmental gradients of temperature, salinity and food availability across a 30° latitudinal range (3,334 km), to test whether plasticity in calcareous shell production and composition, from juveniles to large adults, mediates geographic patterns of resilience to climate change in critical foundation species, the mussels Mytilus edulis and M. trossulus. We find mussels produced thinner shells with a higher organic content in polar than temperature regions, indicating decreasing shell calcification towards high latitudes. Salinity was the major driver of regional differences in mussel shell deposition, and in shell mineral and organic composition. In low-salinity environments, the production of calcite and organic shell layers was increased, providing higher resistance against dissolution in more corrosive waters. Conversely, under higher-salinity regimes, increased aragonite deposition suggests enhanced mechanical protection from predators. Interacting strong effects of decreasing salinity and increasing food availability on the compositional shell plasticity in polar and subpolar mussels during growth predict the deposition of a thicker external organic layer (periostracum) under forecasted future environmental conditions. This marked response potential of Mytilus species suggests a capacity for increased protection of high-latitude mussel populations from ocean acidification. Our work illustrates that mechanisms driving plastic responses to the spatial structure of multiple stressors can define geographic patterns of unforeseen species resilience to global environmental change.