ABSTR ACT

It has been predicted that the Arctic Ocean will sequester much greater amounts of carbon dioxide (CO2) from the atmosphere as a result of sea ice melt and increasing primary productivity. However, this prediction was made on the basis of observations from either highly productive ocean margins or ice-covered basins before the recent major ice retreat. We report here a high-resolution survey of sea-surface CO2 concentration across the Canada Basin, showing a great increase relative to earlier observations. Rapid CO2 invasion from the atmosphere and low biological CO2 drawdown are the main causes for the higher CO2, which also acts as a barrier to further CO2 invasion. Contrary to the current view, we predict that the Arctic Ocean basin will not become a large atmospheric CO2 sink under ice-free conditions.

Abstract Carbon cycling in the coastal zone affects global carbon budgets and is critical for understanding the urgent issues of hypoxia, acidification, and tidal wetland loss. However, there are no regional carbon budgets spanning the three main ecosystems in coastal waters: tidal wetlands, estuaries, and shelf waters. Here we construct such a budget for eastern North America using historical data, empirical models, remote sensing algorithms, and process‐based models. Considering the net fluxes of total carbon at the domain boundaries, 59 ± 12% (± 2 standard errors) of the carbon entering is from rivers and 41 ± 12% is from the atmosphere, while 80 ± 9% of the carbon leaving is exported to the open ocean and 20 ± 9% is buried. Net lateral carbon transfers between the three main ecosystem types are comparable to fluxes at the domain boundaries. Each ecosystem type contributes substantially to exchange with the atmosphere, with CO 2 uptake split evenly between tidal wetlands and shelf waters, and estuarine CO 2 outgassing offsetting half of the uptake. Similarly, burial is about equal in tidal wetlands and shelf waters, while estuaries play a smaller but still substantial role. The importance of tidal wetlands and estuaries in the overall budget is remarkable given that they, respectively, make up only 2.4 and 8.9% of the study domain area. This study shows that coastal carbon budgets should explicitly include tidal wetlands, estuaries, shelf waters, and the linkages between them; ignoring any of them may produce a biased picture of coastal carbon cycling.

It has been speculated that the partial pressure of carbon dioxide (pCO2) in shelf waters may lag the rise in atmospheric CO2. Here, we show that this is the case across many shelf regions, implying a tendency for enhanced shelf uptake of atmospheric CO2. This result is based on analysis of long-term trends in the air-sea pCO2 gradient (ΔpCO2) using a global surface ocean pCO2 database spanning a period of up to 35 years. Using wintertime data only, we find that ΔpCO2 increased in 653 of the 825 0.5° cells for which a trend could be calculated, with 325 of these cells showing a significant increase in excess of +0.5 μatm yr-1 (p < 0.05). Although noisier, the deseasonalized annual data suggest similar results. If this were a global trend, it would support the idea that shelves might have switched from a source to a sink of CO2 during the last century.

Abstract A robust high-resolution coupled hydrodynamic-biogeochemical model was applied to the northern Gulf of Mexico to assess the efficiency of river- and ocean-sourced Ocean Alkalinity Enhancement (OAE). Sensitivity tests indicate that the effectiveness of OAE-induced CO2 uptake is primarily influenced by the amount of alkalinity introduced and local wind-driven mixing, with the former determining the overall uptake and the latter affecting short-term variability. Compared to ocean-sourced OAE (direct ocean release), river-sourced OAE (elevated river alkalinity) is more effective and sustainable. River-sourced OAE has higher CO2 uptake efficiency with reduced spatial and temporal uncertainty and greater overall CO2 uptake. For river-sourced OAE, surface pH increases pronouncedly near the mouths of the Mississippi River. The ideal OAE implementation time includes spring, early summer, fall, and winter. Mid and late-summer implementation is not recommended due to weak mixing, which results in less alkalinity dispersal and greater pH variability. In addition, while the aragonite saturation state generally remains below 6 around the Mississippi River plume, it increases pronouncedly during mid to late summer, risking alkalinity loss due to CaCO3 precipitation and reduced CO2 uptake efficiency near river mouths. Scaling OAE-induced CO2 uptake to the 25 largest rivers in the world indicates that increasing riverine alkalinity concentrations by 10% could remove 23.23 megatons of CO2 annually, meeting 0.37–0.61% of the 2025–2030 CO2 removal target.