Vol. 36, issue 04, article # 4

Antokhina O. Yu., Аntokhin P. N., Arshinova V. G., Arshinov M. Yu., Ancellet G., Belan B. D., Belan S. B., Guruleva E. V., Davydov D. K., Ivlev G. A., Kozlov A. V., Law K. S., Nedelec Ph., Rasskazchikova T. M., Paris J.-D.., Savkin D. E., Simonenkov D. V., Sklyadneva T. K., Tolmachev G. N., Fofonov A. V. Air composition over the Russian sector of the Arctic. 2. Carbon dioxide. // Optika Atmosfery i Okeana. 2023. V. 36. No. 04. P. 280–288. DOI: 10.15372/AOO20230404 [in Russian].
Copy the reference to clipboard


The work analyzes the spatial distribution of carbon dioxide over the seas of the Russian sector of the Arctic based on the results of the comprehensive experiment conducted in September 2020. It turned out that during the experiment, the concentration of CO2 increased from west to east. The minimum 396 ppm was over the Barents Sea, and the maximum, over the Chukchi Sea – 4106 ppm. The difference in concentrations between a level of 200 m and the free troposphere reached -156 ppm over the Barents Sea and decreased to -56 ppm over the Laptev Sea. Over the eastern seas, the difference generally became positive, which was associated with the air transfer from Alaska. Above the waters of most seas, horizontal heterogeneity in the distribution of carbon dioxide was observed, reflecting the regional features of its assimilation by the ocean and transfer from the continent.


Arctic, atmosphere, air, vertical distribution, carbon dioxide, greenhouse gases, transport, impurities, composition


1. IPCC, 2021: Summary for Policymakers // Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2021. P. 1–41.
2. Shepherd T.G. Effects of a warming Arctic // Science. 2016. V. 353, N 6303. P. 989–990.
3. Najafi M.R., Zwiers F.W., Gillett N.P. Attribution of Arctic temperature change to grenhouse-gas and aerosol influences // Nat. Clim. Change. 2015. N 2. 4 p.
4. Keeling C.D. The Concentration and isotopic abundances of carbon dioxide in the atmosphere // Tellus. 1960. V. 12, N 2. P. 200–203.
5. Le Quéré C, Andrew R.M., Friedlingstein P., Sitch S., Hauck J, Pongratz J., Pickers P.A., Korsbakken J.I., Peters G.P., Canadell J.G., Arneth A., Arora V.K., Barbero L., Bastos A., Bopp L., Cheval­lier F., Chini L.P., Ciais P., Doney S.C., Gkritzalis T., Goll D.S., Harris I., Haverd V., Hoffman F.M., Hoppema M., Houghton R.A., Hurtt G., Ilyina T., Jain A.K., Johannessen T., Jones C.D., Kato E., Keeling R.F., Goldewijk K.K., Landschüt­zer P., Lefèvre N., Lienert S., Liu Z., Lombardozzi D., Metzl N., Munro D.R., Nabel J.E.M.S., Nakaoka S., Neill C., Olsen A., Ono T., Patra P., Peregon A., Peters W., Peylin P., Pfeil B., Pierrot D., Poulter B., Rehder G., Resplandy L., Robertson E., Rocher M., Rödenbeck C., Schuster U., Schwinger J., Séférian R., Skjelvan I., Steinhoff T., Sutton A., Tans P.P., Tian H., Tilbrook B., Tubiello F.N., van der Laan-Luijkx I.T., van der Werf G.R., Viovy N., Walker A.P., Wiltshire A.J., Wright R., Zaehle S., Zheng B. Global carbon budget 2018 // Earth Syst. Sci. Data. 2018. V. 10, N 4. P. 2141–2194.
6. Friedlingstein P., Jones M.W., O’Sullivan M., Andrew R.M., Hauck J., Peters G.P., Peters W., Pongratz J., Sitch S., Le Quéré C., Bakker D.C.E., Canadell J.G., Ciais P., Jackson R.B., Anthoni P., Barbero L., Bastos A., Bastrikov V., Becker M., Bopp L., Buitenhuis E., Chandra N., Chevallier F., Chini L.P., Currie K.I., Feely R.A., Gehlen M., Gilfillan D., Gkritzalis T., Goll D.S., Gruber N., Gutekunst S., Harris I., Haverd V., Houghton R.A., Hurtt G., Ilyina T., Jain A.K., Joetzjer E., Kaplan J.O., Kato E., Goldewijk K.K., Korsbakken J.I., Landschützer P., Lauvset S.K., Lefèvre N., Lenton A., Lienert S., Lombardozzi D., Marland G., McGuire P.C., Melton J.R., Metzl N., Munro D.R., Nabel J.E.M.S., Nakaoka S.-I., Neill C., Omar A.M., Ono T., Peregon A., Pierrot D., Poulter B., Rehder G., Resplandy L., Robertson E., Rödenbeck C., Séférian R., Schwinger J., Smith N., Tans P.P., Tian H., Tilbrook B., Tubiello F.N., van der Werf G.R., Wiltshire A.J., Zaehle S. Global carbon budget 2019 // Earth Syst. Sci. Data. 2019. V. 11, N 4. P. 1783–1838.
7. Huntingford C., Oliver R.J. Constraints on the CO2 fertilization effect emerge // Nature. 2021. V. 600, N 7888. P. 224–225.
8. Keenan T.F., Luo X., De Kauwe M.G., Medlyn B.E., Prentice I.C., Stocker B.D., Smith N.G., Terrer C., Wang H., Zhang Y., Zhou S. A constraint on historic growth in global photosynthesis due to increasing CO2 // Nature. 2021. V. 600, N 7888. P. 253–257.
9. Zhang Y., Ye A. Would the obtainable gross primary productivity (GPP) products stand up? A critical assessment of 45 global GPP products // Sci. Total Environ. 2021. V. 783. P. 146965.
10. Trisos C.H., Merow C., Pigot A.L. The projected timing of abrupt ecological disruption from climate change // Nature. 2020. V. 580, N 7804. P. 496–501.
11. Thomasy H. The Arctic Ocean may not be a reliable carbon sink // EOS. 2020. N 101. DOI: 10.1029/2020EO142366.
12. van Marle M.J.E., van Wees D., Houghton R.A., Field R.D., Verbesselt J., van der Werf G.R. New land-use-change emissions indicate a declining CO2 airborne fraction // Nature. 2022. V. 603, N 7901. P. 450–454.
13. Regnier P., Resplandy L., Najjar R.G., Ciais P. The land-to-ocean loops of the global carbon cycle // Nature. 2022. V. 603, N 7901. P. 401–410.
14. Crisp D., Dolman H., Tanhua T., McKinley G.A., Hauck J., Bastos A., Sitch S., Eggleston S., Aich V. How well do we understand the land–ocean–atmosphere carbon cycle? // Rev. Geophys. 2022. V. 60, N 2. P. e2021RG000736.
15. Averett N. The ocean is still sucking up carbon—maybe more than we think // EOS. 2022. N 103. DOI: 10.1029/2022EO220220.
16. Zhang M., Cheng Y., Bao Y., Zhao C., Wang G., Zhang Y., Song Z., Wu Z., Qiao F. Seasonal to decadal spatiotemporal variations of the global ocean carbon sink // Glob. Change Biol. 2022. V. 28, N 5. P. 1786–1797.
17. Isson T.T., Planavsky N.J., Coogan L.A., Stewart E.M., Ague J.J., Bolton E.W., Zhang S., McKenzie N.R., Kump L.R. Evolution of the global carbon cycle and climate regulation on earth // Global. Biogeochem. Cycles. 2020. V. 34, N 2. P. e2018GB006061.
18. Watson A.J., Schuster U., Shutler J.D., Holding T., Ashton I.G.C., Landschützer P., Woolf D.K., Goddijn-Murphy L. Revised estimates of ocean–atmosphere CO2 flux are consistent with ocean carbon inventory // Nat. Commun. 2020. V. 11. P. 4422.
19. Brothers S., Bowes D., Pearse W.D., Tank S., Vanengen R., Sibley P. Declining summertime pCO2 in tundra lakes in a granitic landscape // Global. Biogeochem. Cycles. 2021. V. 35, N 2. P. e2020GB006850.
20. Rõõma E.-I., Lauringson V., Laasa A., Kangro K., Viika M., Meinson P., Cremonaa F., Nõgesa P., Nõges T. Summer greenhouse gas fluxes in different types of hemiboreal lakes // Sci. Total Environ. 2022. V. 843. P. 156732.
21. Cassidy A.E., Christen A., Henry Y.R. The effect of a permafrost disturbance on growing-season carbon-dioxide fluxes in high Arctic tundra ecosystem // Biogeosci. 2016. V. 13, N 8. P. 2291–2303.
22. Yasunaka S., Murata A., Watanabe E., Chierici M., Fransson A., van Heuven S., Hoppema M., Ishii M., Johannessen T., Kosugi N., Lauvset S.K., Mathis J.T., Nishino S., Omar A.M., Olsen A., Sasano D., Takahashi T., Wanninkhof R. Mapping of the air – sea CO2 flux in the Arctic Ocean and its adjacent seas: Basin-wide distribution and seasonal to interannual variability // Polar Sci. 2016. N 3. P. 323–334.
23. Bowen J.C., Ward C.P., Kling G.W., Cory R.M. Arctic amplification of global warming strengthened by sunlight oxidation of permafrost carbon to CO2 // Geophys. Res. Lett. 2020. V. 47, N 12. P. e2020GL087085.
24. Jentzsch K., Schulz A., Pirk N., Foken T., Crewell S., Boike J. High levels of CO2 exchange during synoptic-scale events introduce large uncertainty into the Arctic carbon budget // Geophys. Res. Lett. 2021. V. 48, N 9. P. e2020GL092256.
25. Pedron S.A., Welker J.M., Euskirchen E.S., Klein E.S., Walker J.C., Xu X., Czimczik C.I. Closing the winter gap – Year-round measurements of soil CO2 emission sources in Arctic tundra // Geophys. Res. Lett. 2022. V. 49, N 6. P. e2021GL097347.
26. Prytherch J., Yelland M.J. Wind, convection and fetch dependence of gas transfer velocity in an Arctic sea-ice lead determined from eddy covariance CO2 flux measurements // Global Biogeochem. Cycles. 2021. V. 35, N 2. P. e2020GB006633.
27. Massicotte P., Amon R.M.W., Antoine D., Archambault P., Balzano S., Bélanger S., Benner R., Boeuf D., Bricaud A., Bruyant F., Chaillou G., Chami M., Charrière B., Chen J., Claustre H., Coupel P., Delsaut N., Doxaran D., Ehn J., Fichot C., Forget M.-H., Fu P., Gagnon J., Garcia N., Gasser B., Ghiglione J.-F., Gorsky G., Gosselin M., Gourvil P., Gratton Y., Guillot P., Heipieper H.J., Heussner S., Hooker S.B., Huot Y., Jeanthon C., Jeffrey W., Joux F., Kawamura K., Lansard B., Leymarie E., Link H., Lovejoy C., Marec C., Marie D., Martin J., Massé G., Matsuoka A., McKague V., Mignot A., Miller W.L., Miquel J.-C., Mucci A., Ono K., Ortega-Retuerta E., Panagiotopoulos C., Papakyriakou T., Picheral M., Prieur L., Raimbault P., Ras J., Reynolds R.A., Rochon A., Rontani J.-F., Schmechtig C., Schmidt S., Sempéré R., Shen Y., Song G., Stramski D., Tachibana E., Thirouard A., Tolosa I., Tremblay J.E., Vaï­tilingom M., Vaulot D., Vaultier F., Volkman J.K., Xie H., Zheng G., Babin M. The MALINA oceanographic expedition: How do changes in ice cover, permafrost and UV radiation impact biodiversity and biogeochemical fluxes in the Arctic Ocean? // Earth Syst. Sci. Data. 2021. V. 13, N 4. P. 1561–1592.
28. Tei S., Morozumi T., Kotani A., Takano S., Sugimoto A., Miyazaki S., Shingubara R., Fan R., Petrov R., Starostin E., Shakhmatov R., Nogovitcyn A., Maximov T. Seasonal variations in carbon dioxide exchange fluxes at a taiga–tundra boundary ecosystem in Northeastern Siberia // Polar Sci. 2021. V. 28. P. 100644.
29. Juutinen S., Aurela M., Tuovinen J.-P., Ivakhov V., Linkosalmi M., Räsänen A., Virtanen T., Mikola J., Nyman J., Vähä E., Loskutova M., Makshtas A., Laurila T. Variation in CO2 and CH4 fluxes among land cover types in heterogeneous Arctic tundra in northeastern Siberia // Biogeosci. 2022. V. 19, N 13. P. 3151–3167.
30. Ivakhov V.M., Paramonova N.N., Privalov V.I., Zinchenko A.V., Loskutova M.A., Makshtas A.P., Kustov V.A., Laurila T., Aurela M., Asmi E. Atmosfernaya kontsentratsiya dioksida ugleroda na stantsiyakh Tiksi i Mys Baranova v 2010–2017 years // Meteorol. i gidrol. 2019. V. 4. P. 110–121.
31. Nagurnyy A.P. Analiz dannykh izmereniy kontsentratsii dioksida ugleroda v prilednom sloe atmosfery na ledovoy dreyfuyushchey stantsii «Severnyy Polyus-35» (2007–2008 years) // Meteorol. i gidrol. 2010. N 9. P. 55–61.
32. Pipko I.I., Pugach S.P., Semiletov I.P. Dinamika СО2 na shel'fe Vostochno-Sibirskogo morya // Meteorol. i gidrol. 2010. N 9. P. 62–73.
33. Semiletov I.P., Shakhova N.E., Pipko I.I., Pugach S.P., Charkin A.N., Dudarev O.V., Kosmach D.A., Nishino S. Space-time dynamics of carbon and environmental parameters related to carbon dioxide emissions in the Buor-Khaya Bay and adjacebt part of Laptev Sea // Biogeosci. 2013. V. 10, N 9. P. 5977–5996.
34. France J.L., Cain M., Fisher R.E., Lowry D., Allen G., Shea S.J.O., Illingworth S., Pyle J., Warwick N., Jones B.T., Gallagher M.W., Bower K., Breton M.L., Percival C., Muller J., Wellpott A., Bauguitte S., George C., Hayman G.D., Manning A.J., Myhre C.L., Lanoiselle M., Nisbet E.G. Measurements of d13C in CH4 and using particle dispersion modeling to characterize sources of Arctic methane within an air mass // J. Geophys. Res.: Atmos. 2016. V. 121, N 23. P. 14257–14270.
35. Quennehen B., Schwarzenboeck A., Schmale J., Schneider J., Sodemann H., Stohl A., Ancellet G., Crumeyrolle S., Law K.S. Physical properties of pollution aerosol particles transported from North America to Greenland as measured during the POLARCAT summer campaign // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11, N 21. P. 10947–10963.
36. Leaitch W.R., Korolev A., Aliabadi A.A., Burkart J., Willis M.D., Abbatt J.P.D., Bozem H., Hoor P., Kollner F., Scchneider J., Herber A., Konrad C., Brauner R. Effects of 20–100 nm particles on liquid clouds in the clean summertime Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16, N 17. P. 11107–11124.
37. Airborne Measurements for Environmental Research / М. Wendisch, J.-L. Brenguier (eds.). Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2013. 655 p.
38. Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Nédélec Ph., Paris J.-D., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V. Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Krupnomasshtabnye issledovaniya gazovogo i aerozol'nogo sostava vozdukha nad Sibirskim regionom // Optika atmosf. i okeana. 2014. V. 27, N 3. P. 232–239.
39. Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Nédélec Ph., Paris J.-D., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V. Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Vertikal'noe raspredelenie gazovykh i aerozol'nykh primesey vozdukha nad Rossiyskim sektorom Arktiki // Optika atmosf. i okeana. 2017. V. 30, N 12. P. 1043–1052; Antokhina O.Yu., Аntokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Nédélec Ph., Paris J.-D., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. The vertical distributions of gaseous and aerosol admixtures in air over the Russian Arctic // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 3. P. 300–310.
40. Belan B.D., Ancellet G., Andreeva I.S., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Y., Balin Y.S., Barsuk V.E., Belan S.B., Chernov D.G., Davydov D.K., Fofonov A.V., Ivlev G.A., Kotel'nikov S.N., Kozlov A.S., Kozlov A.V., Law K., Mikhal'chishin A.V., Moseikin I.A., Nasonov S.V., Nédélec P., Okhlopkova O.V., Ol'kin S.E., Panchenko M.V., Paris J.-D., Penner I.E., Ptashnik I.V., Rasskazchikova T.M., Reznikova I.K., Romanovskii O.A., Safatov A.S., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Yakovlev S.V., Zenkova P.N. Integrated airborne investigation of the air composition over the Russian sector of the Arctic // Atmos. Meas. Tech. 2022. V. 15, N 13. P. 3941–3967.
41. Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Guruleva E.V., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Law K., Rasskazchikova T.M., Paris J.-D., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Sostav vozdukha nad Rossiyskim sektorom Arktiki. 1. Metan // Optika atmosf. i okeana. 2023. V. 36, N 2. P. 100–110.
42. O’Shea S.J., Allen G., Gallagher M.W., Bower K., Illingworth S.M., Muller J.B.A., Jones, Percival C.J., Bauguitte S.J.-B., Cain M., Warwick N., Quiguet A., Skuba U., Drewer J., Dinsmore K., Nisbet E.G., Lowry D., Fisher R.E., France J.L., Aurela M., Lohila A., Hayman G., George C., Clark D.B., Manning A.J., Friend A.D., Pyle J. Methane and carbon dioxide fluxes and their regional scalability for the European Arctic wetlands during the MAMM // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14, N 23. P. 13159–13174.
43. Pagonis D., Campuzano-Jost P., Guo H., Day D.A., Schueneman M.K., Brown W.L., Nault B.A., Stark H., Siemens K., Laskin A., Piel F., Tomsche L., Wisthaler A., Coggon M.M., Gkatzelis G.I., Halliday H.S., Krechmer J.E., Moore R.H., Thomson D.S., Warneke C., Wiggins E.B., Jimenez J.L. Airborne extractive electrospray mass spectrometry measurements of the chemical composition of organic aerosol // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14, N 2. P. 1525–1544.
44. Gaudet B.J., Davis K.J., Pal S., Jacobson A.R., Schuh A., Lauvaux T., Feng S., Browell E.V. Regional-scale, sectorspecific evaluation of global CO2 inversion models using aircraft data from the ACT-America project // J. Geophys. Res.: Atmos. 2021. V. 126, N 4. P. e2020JD033623.
45. DiGangi J.P., Choi Y., Nowak J.B., Halliday H.S., Diskin G.S., Feng S., Barkley Z.R., Lauvaux T., Pal S., Davis K.J., Baier B.C., Sweeney C. Seasonal variability in local carbon dioxide biomass burning sources over central and eastern US using airborne in situ enhancement ratios // J. Geophys. Res.: Atmos. 2021. V. 126, N 24. P. e2020JD034525.
46. Bisht J.S.H., Machida T., Chandra N., Tsuboi K., Patra P.K., Umezawa T., Niwa Y., Sawa Y., Morimoto S., Nakazawa T., Saitoh N., Takigawa M. Seasonal variations of SF6, CO2, CH4, and N2O in the UT/LS region due to emissions, transport, and chemistry // J. Geophys. Res.: Atmos. 2021. V. 126, N 4. P. e2020JD033541.
47. Ouyang Z., Li Y., Qi D., Zhong W., Murata A., Nishino S., Wu Y., Jin M., Kirchman D., Chen L., Cai W.-J. The changing CO2 sink in the western Arctic Ocean from 1994 to 2019 // Glob. Biogeochem. Cycles. 2022. V. 36, N 1. P. e2021GB007032.
48. Ueyama M., Iwata H., Nagano H., Tahara N., Iwama C., Harazono Y. Carbon dioxide balance in early-successional forests after forest fires in interior Alaska // Agric. Forest Meteorol. 2019. V. 275. P. 196–207.
49. Sweeney C., Chatterjee A., Wolter S., McKain K., Bogue R., Conley S., Newberger T., Hu L., Ott L., Poulter B., Schiferl L., Weir B., Zhang Z., Miller C.E. Using atmospheric trace gas vertical profiles to evaluate model fluxes: A case study of Arctic-CAP observations and GEOS simulations for the ABoVE domain // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22, N 9. P. 6347–6364.
50. Greenhouse Gas Bulletin – The State of Greenhouse Gases in the Atmosphere Based on Global Observations through 2020. WMO, 2021. N 17. 7 p.
51. Glinka N.L. Obshchaya khimiya. L.: Himiya, 1985. 702 p.
52. Boscolo-Galazzo F., Crichton K.A., Barker S., Pearson P.N. Temperature dependency of metabolic rates in the upper ocean: A positive feedback to global climate change? // Glob. Planet. Change. 2018. V. 170, N 11. P. 201–212.
53. Trumbore S. Carbon respired by terrestrial ecosystems – recent progress and challenges // Global Change Biol. 2006. V. 12, N 2. P. 141–153.