[미리안] 남빙양 행동양식에 대한 새로운 견해 제시
새로운 연구는 전 세계 해양 순환과 기후에 중요한 효과를 가지는 남빙양(Southern Ocean) 깊은 해수에서 난류 혼합(turbulent mixing)이 대기 중 폭풍우에 상응하는 해양의 표면 소용돌이(surface eddies)의 강도와 풍속(wind speed)을 다양하게 변화시킨다는 사실을 발견했다.
이 연구는 표면에서 소용돌이와 몇 개월에서 수십 년의 시간 규모에 대한 깊은 해수 혼합의 상관관계를 제시한 최초의 연구이다. 남빙양의 행동 양식에 대한 이러한 새로운 견해는 과학자들이 우리 기후가 미래에 어떻게 변화할 것인가를 보다 더 잘 예측할 수 있는 전산 모델을 구축할 수 있게 해줄 것이다.
연구 결과는 Nature Geoscience 저널 최신호에 게재됐다.
남빙양은 표면 시스템과 깊은 해류가 모든 해양을 연결하고, 지구 기후의 근본적인 결정 인자 중 하나인 지구 순환 전복(global overturning circulation)에서 중추적인 역할을 한다. 남극 대륙 주변의 남빙양은 해양이 대륙의 장벽이 없이 전 세계 모든 방향으로 자유롭게 순환할 수 있는 유일한 지역이다.
해양이 온도와 염도에 의존하는 수많은 물의 층으로 이루어져 있기 때문에, 물은 등밀도 층(isopycnal layer) 또는 수평층을 따라 용이하게 이동하지만, 밀도에 의한 혼합(diapycnal mixing)이라고 알려진 층을 가로 질러서만 느리게 혼합된다. 밀도에 의한 혼합과 등밀도 혼합(isopycnal mixing)은 깊은 해수를 표면으로 용승하게 추진하여 상층 전복 셀(overturning cell)과 하층 전복 셀을 형성한다. 깊은 해수가 표면으로 상승할 때, 깊은 해수는 플랑크톤이 성장하는데 필요한 영양분을 이동시킨다. 정반대로, 표층수가 가라앉을 때, 표층수는 열을 식히고 대기로부터 이산화탄소를 용해시키고, 지역 및 지구적 기후 변화를 강력하게 형성한다.
연구진은 남빙양의 드레이크 해협(Drake Passage)을 가로질러 주남극 해류(ACC; Antarctic Circumpolar Current)에서 밀도에 의한 이동을 측정하기 위하여 소규모 온도와 속도 변동(velocity fluctuations)을 측정했다.
연구진이 수행한 측정 기간 동안 밝혀진 자료는 깊은 해수에서 난류(turbulence)가 표면 소용돌이 활성(surface eddy activity)과 상당한 상관관계를 가진다는 것을 규명했다. 표면 해양에서 소용돌이를 유발하는 메커니즘은 해양의 상층과 하층에서 해류의 강화로 이어진다. 이러한 불안정성이 일어날 때, 강화된 하부 해류는 실제로 난류로 이동되는 내부 파도를 생성하기 위하여 거친 하부 지형과 상호작용을 한다. 이러한 공정은 심해수의 혼합을 위한 에너지 공급원을 제공하고, 교대로 지구 전복 순환을 촉진한다.
연구진은 깊은 해수 소용돌이가 ACC를 강제하여 몇 달에서 몇 십 년에 이르는 시간 규모에 대하여 심해 혼합이 대기 기후를 변화시키도록 반응하는 남빙양 상공에 강력한 서풍에 의해 에너지를 공급받는다는 사실을 제안했다.
이 연구의 공동 저자이며 사우샘프턴 대학(University of Southampton) 산하 해양 지구 과학과 박사 후 연구원인 Katy Sheen은 이러한 발견이 우리가 해양 순환과 혼합을 추진하는 공정을 이해하는 데 도움을 줄 것이며, 따라서 지구 시스템이 인간이 대기로 배출한 증가된 이산화탄소 수준에 어떻게 반응할 것인지에 대한 우리의 이해를 개선할 수 있다고 밝혔다.
연구진은 영국과 미국의 현장 프로그램인 DIMES(Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean) 프로젝트로부터 얻은 자료를 사용했다. DIMES 프로젝트의 목표는 남빙양에서 밀도에 의한 혼합과 등밀도 혼합을 측정하는데 있다. DIMES는 화학적 염료 추적자를 해수 표면 약 1 마일 아래 ACC로 방출했다. 5년에 걸쳐, 추적자의 수평 및 수직 확산이 수백 개에 이르는 해수 시료에서 추적자의 농도를 측정함으로써 지도로 제작됐으며, 이러한 시도는 남빙양이 얼마나 신속하게 물 입자 주변으로 이동하는지를 규명한다. 드레이크 해협(Drake Passage)에서 정박된 센서 무리는 추적자 혼합에 책임이 있는 공정에 대한 일련의 정보를 세부적인 시간에 따라 제공하기 위하여 사용됐다.
그림1> 드레이크 해협(Drake Passage)에 사용된 DIMES 프로젝트의 센서
그림2> 남빙양 파도
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 7월 25일]
[원문보기]
Mixing it up: Study provides new insight into Southern Ocean behavior
A new study has found that turbulent mixing in the deep waters of the Southern Ocean, which has a profound effect on global ocean circulation and climate, varies with the strength of surface eddies – the ocean equivalent of storms in the atmosphere – and possibly also wind speeds.
It is the first study to link eddies at the surface to deep mixing on timescales of months to decades.
This new insight into how the Southern Ocean behaves will allow scientists to build computer models that can better predict how our climate is going to change in the future.
The findings are published in the latest issue of Nature Geoscience.
T
he Southern Ocean plays a pivotal role in the global overturning circulation, a system of surface and deep currents linking all oceans and one of the fundamental determinants of the planet's climate. The Southern Ocean around Antarctica is the only location where the ocean can circulate freely all the way around the globe without continental barriers.
Because the ocean is made up of many layers of water that are dependent on temperature and salinity, water moves easily along horizontal or 'isopycnal' layers, but mixes only slowly across the layers, known as 'diapycnal' mixing. This combination of diapycnal and isopycnal mixing drives the upwelling of deep waters up to the surface, forming an 'upper' and 'lower' overturning cell. When deep waters rise to the surface, they bring with them the nutrients that plankton need to grow. Conversely, as surface waters sink they take heat and dissolved CO2 from the atmosphere, strongly shaping regional and global climate change.
The researchers took measurements of small-scale temperature and velocity fluctuations, to measure the diapycnal movements in the Antarctic Circumpolar Current (ACC) across the Drake Passage region of the Southern Ocean.
The data revealed that, during the period of their measurements, turbulence in deep waters significantly correlated with surface eddy activity. The mechanism that causes eddies in the surface ocean leads to an intensification of currents in the top and bottom layers of the ocean. When such instability arises, strengthened bottom currents interact with rough bottom topography to generate internal waves that eventually devolve into turbulence. This process provides a source of energy for the mixing of abyssal waters, which, in turn, hastens the global overturning circulation.
The researchers established that deep water eddies are likely energised by strong westerly winds over the Southern Ocean that force the ACC and that abyssal mixing, on time scales of months to decades, reacts to this changing atmospheric climate.
Study co-author Katy Sheen, a Postdoctoral Research Fellow from Ocean and Earth Science at the University of Southampton, says: "These findings will help us to understand the processes that drive the ocean circulation and mixing so that we can better predict how our Earth system will respond to the increased levels of carbon dioxide that we have released into the atmosphere."
The researchers used data from the 'Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean' (DIMES) project, a UK/US field program aimed at measuring diapycnal and isopycnal mixing in the Southern Ocean. DIMES released a chemical dye tracer into the ACC about a mile below the sea surface. Over five years, the horizontal and vertical spread of the tracer was mapped out by measuring its concentration in hundreds of seawater samples, to identify how quickly the Southern Ocean moved water particles around. It also used a mooring cluster of sensors in the Drake Passage to provide detailed time series information on the processes responsible for the mixing of the tracer.
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