The state and variability of the carbonate system of the Canadian Arctic in the context of ocean acidification

Abstract

Ocean acidification is an important yet often disregarded outcome of the rise in atmospheric carbon dioxide levels. Roughly a third of the carbon dioxide released to the atmosphere since the industrial revolution has been absorbed by the world’s oceans, resulting in a decrease in seawater pH, carbonate ion concentration and saturation state with respect to the calcium carbonate minerals aragonite and calcite. The Arctic Ocean is particularly vulnerable to acidification due to the weak buffer capacity of its cold waters and its steadily decreasing sea-ice cover. The ongoing changes in seawater chemistry constitute a potential threat for the health of marine ecosystems, particularly to calcifying organisms whose ability to secrete calcium carbonate skeletons and shells might be hindered by a decrease in pH and carbonate saturation states.Scientific interest towards ocean acidification and its effects on marine ecosystems of the Canadian Arctic Archipelago and its adjacent basins (Canada Basin and Baffin Bay) has grown over the last two decades, yet recent surveys of carbonate system parameters in the region are limited in scope and significant knowledge gaps remain. A vast dataset spanning 2003 – 2016 is used to characterize the recent state of the carbonate system in the Canadian Arctic, which is found to act as a net carbon dioxide sink in the summer and hosts two areas of consistent surface undersaturation with respect to aragonite, the central Canada Basin and the Queen Maud Gulf. Discontinuous time series highlight the strong variability of carbonate system parameters in this dynamic region, where biological activity accounts for approximately a third of the variability in surface DIC. The ocean acidification signal is estimated to emerge from the natural variability of the system in time series of pH, pCO2 and aragonite saturation spanning 20 to 30 years.Quoique méconnue du grand public, l’acidification des océans est une importante conséquence de la croissance de la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone. Les océans ont absorbé environ le tiers du dioxyde de carbone émis par les activités humaines depuis l’industrialisation, causant une diminution du pH, de la concentration en ions carbonates et de la saturation de l’eau de mer par rapport aux minéraux de carbonate de calcium, l’aragonite et calcite. L’Océan Arctique est particulièrement vulnérable à ce phénomène dû à la faible capacité de ses eaux froides à tamponner leur pH, relativement aux eaux des autres océans, et à la diminution rapide de son couvert de glace. Les changements engendrés par l’acidification de l’eau de mer constituent une menace potentielle pour plusieurs organismes marins, particulièrement pour les organismes calcifiants dont les squelettes et coquilles sont constituées de carbonate de calcium.Malgré l’intérêt croissant de la communauté scientifique face à la progression et aux effets de l’acidification dans l’Arctique Canadien, peu d’études récentes dressent un portrait complet du système des carbonates, qui régit le sort du dioxyde de carbone dans l’eau de mer, dans cette région. Un vaste jeu de données composé d’observations recueillies entre 2003 et 2016 est utilisé dans le but de caractériser et de suivre l’évolution temporelle de ce système dans l’Archipel Arctique Canadien, le Basin Canadien et la Baie de Baffin. Les résultats indiquent que la quasi-totalité des eaux de surface de cette région sont un puits de dioxyde de carbone durant l’été et que celles du Basin Canadien et du Golfe de la Reine-Maud sont sous-saturées par rapport à l’aragonite. Des séries temporelles permettent de quantifier la forte variabilité du système des carbonates dans cette région dynamique, où l’activité biologique est responsable d’environ 30% de la variabilité du CID (carbone inorganique dissout) en surface. Par conséquent, l’observation directe du signal d’acidification requerra des séries temporelles plus longues, de l’ordre de 20 à 30 ans dans le cas du pH, de la pCO2 et de la saturation en aragonite de l'eau de mer