The Role of Sailboats in Advancing Our Understanding of the Ocean Carbon Sink

Abstract

The ocean absorbs about a quarter of anthropogenic CO₂ emissions each year, mitigating climate change. Since 2018, sailboats have collected >350,000 observations of CO₂ fugacity (fCO₂) mainly during round-the-world races in the Atlantic and the underobserved Southern Ocean, both key regions of carbon uptake. This dissertation examines the role of these sailboat data in advancing our understanding of the ocean carbon sink. First, I demonstrate the value of high-frequency sailboat observations in capturing fCO₂ variability across different small-scale ocean dynamics. For instance, under different fCO₂ regimes in the Agulhas region, fCO₂ is higher in anticyclonic eddies and lower in cyclonic eddies, with strong gradients at eddy edges. Under algae blooms, varied effects are observed: a Celtic Sea bloom reduces fCO₂, while a mixed coccolithophore bloom on the Patagonian Shelf causes short-term fCO₂ fluctuations up to 100 μatm within half an hour. Small-scale features such as fCO₂ gradients at eddy and bloom edges or bloom-induced fCO₂ fluctuations are often missed in infrequent observations, in regridded data products, or in models. Our findings demonstrate the critical role of high-resolution fCO₂ observations, such as those collected by sailboats, in understanding CO₂ dynamics and improving regional and global air-sea CO₂ flux estimates, particularly in variable, underobserved regions. Second, I show that including observations from even a single sailboat significantly impacts air-sea CO₂ flux estimates generated by the neural network gap-filling method SOM-FFN, particularly in the Southern Ocean. Adding sailboat observations significantly increases the regional carbon uptake estimate in the North Atlantic and decreases it in the Southern Ocean. While compensating changes in both basins limit the global effect, the Southern Ocean – particularly frontal regions between 40°S–60°S during summertime – exhibited the largest air-sea CO₂ flux changes, averaging 20% of the regional mean. The results stay robust within the expected random measurement uncertainty (±5 μatm) but remain undetectable with a measurement offset of 5 μatm. Third, using observing system simulations based on the HAMOCC model and novel sailboat tracks, we demonstrate how integrating sailboat data improves estimates of ocean carbon uptake. While we underestimate the ocean carbon sink when mimicking real-world sampling, adding available sailboat data does not substantially improve reconstructions. However, increased sampling reveals a stronger carbon sink, particularly between 40°S and 60°S. The improvement persists with hypothetical measurement uncertainties, but substantial differences arise depending on whether positive or negative biases are applied to the sailboat track data. While we show that two additional circumnavigations already improve the ocean mean sink estimate, we further highlight that the additional data remain insufficient to correct the overestimated CO₂ sink trend, calling for continuation of the ongoing data collection. These findings highlight the value of racing sailboats as a complementary observing platform that fills essential observational gaps, particularly in highly variable and underobserved ocean regions.

Der Ozean nimmt etwa ein Viertel der vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen pro Jahr auf und mildert damit den Klimawandel. Seit 2018 haben Segelboote mehr als 350.000 Beobachtungen der CO₂-Fugazität (fCO₂) gesammelt – hauptsächlich während Weltumsegelungen durch den Atlantik und den unterbeobachteten Südlichen Ozean, zwei Schlüsselregionen für die Kohlenstoffaufnahme. Diese Dissertation untersucht, welchen Beitrag Segelbootdaten zum besseren Verständnis der marinen Kohlenstoffsenke leisten. Zunächst zeige ich den Mehrwert hochfrequenter Segelbootbeobachtungen für die Erfassung der fCO₂-Variabilität im Zusammenhang mit verschiedenen kleinskaligen marinen Prozessen. In der Agulhas-Region etwa ist fCO₂ in antizyklonalen Eddies erhöht und niedriger in zyklonalen Eddies, mit starken Gradienten an den Rändern der Eddies. Algenblüten zeigen unterschiedliche Effekte: Eine Algenblüte in der Keltischen See senkt fCO₂, während eine gemischte Coccolithophorenblüte auf dem Patagonischen Schelf kurzfristige fCO₂-Schwankungen von bis zu 100 μatm innerhalb von 30 Minuten verursacht. Solche kleinskaligen Merkmale – wie fCO₂-Gradienten an Rändern von Eddies und Blüten oder blüteninduzierte fCO₂-Fluktuationen – werden in unregelmäßigen Beobachtungen, in aufgerasterten Datenprodukten oder in Modellen häufig nicht erfasst. Unsere Ergebnisse unterstreichen die zentrale Bedeutung hochaufgelöster fCO₂-Beobachtungen, wie sie durch Segelboote bereitgestellt werden, für das Verständnis der CO₂-Dynamik und für die Verbesserung regionaler und globaler Schätzungen des CO2-Flusses zwischen Atmosphäre und Oberflächenozean – insbesondere in variablen, unterbeobachteten Regionen. Zweitens zeige ich, dass bereits Beobachtungen eines einzelnen Segelboots die Schätzungen des CO₂-Flusses, die mit der neuronalen Netzwerk-Methode SOM-FFN erstellt werden, deutlich verändert, insbesondere im Südlichen Ozean. Die Integration von Segelbootdaten erhöht die geschätzte regionale Kohlenstoffaufnahme im Nordatlantik signifikant und verringert sie im Südlichen Ozean. Während sich kompensierende Änderungen in beiden Becken auf globaler Ebene größtenteils ausgleichen, zeigt der Südliche Ozean – insbesondere die Frontregionen zwischen 40°S und 60°S im Südsommer – die größten Veränderungen im CO₂-Fluss, die im Mittel 20 % des regionalen Mittels betragen. Die Ergebnisse bleiben innerhalb der erwarteten zufälligen Messunsicherheit (±5 μatm) robust, sind bei einem systematischen Messversatz von 5 μatm jedoch nicht mehr nachweisbar. Drittens zeigen wir mithilfe von Beobachtungssystemsimulationen basierend auf dem HAMOCC-Modell und neuartigen Segelbootrouten, wie die Integration von Segelbootdaten die Schätzung der marinen Kohlenstoffaufnahme verbessert. Wenn reale Probennahmemuster nachgebildet werden, unterschätzen wir die marine Kohlenstoffsenke. Die Ergänzung um bereits verfügbare Segelbootdaten führt zu keiner wesentlichen Verbesserung der Rekonstruktionen; eine verstärkte Probennahme hingegen zeigt eine stärkere Kohlenstoffaufnahme, insbesondere zwischen 40°S und 60°S. Diese Verbesserung bleibt auch unter Berücksichtigung hypothetischer Messunsicherheiten bestehen. Systematisch verzerrte Messungen hingegen – obwohl sie die mittleren jährlichen Flüsse über mehrere Jahre verbessern – verschlechtern die regionalen Flussschätzungen im Südlichen Ozean. Wir zeigen, dass bereits zwei zusätzliche Weltumsegelungen die Schätzung der mittleren marinen Kohlenstoffsenke verbessern; die zusätzlichen Daten reichen jedoch nicht aus, um den überschätzten Trend der Kohlenstoffaufnahme zu korrigieren. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, die laufende Datenerhebung fortzusetzen. Diese Ergebnisse verdeutlichen den Wert von Segelbooten als ergänzende Beobachtungsplattform, die wesentliche Lücken in hochvariablen und unterbeobachteten marinen Regionen schließt.