[미국] 기후변화로 바다의 색이 변하고 있다

연구원들 적도 근처 열대 해양지역이 시간이 지나면서 점점 더 푸르게 변했음을 발견…해양 생태계의 중대한 변화를 반영

MIT 및 영국 국립해양학센터 연구원들이 공동연구…『네이처(Nature)』 최근호에 게재

 

해양 색상의 변화를 추적하기 위해 과학자들은 Aqua 위성에 탑재돼 21년 동안 해양 색상을 모니터링해온 MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)가 촬영한 해양 색상 측정을 분석했다. [사진출처(Photo source) = NASA, Joshua Stevens, 미국 지질 조사국USGS)]

 

지난 20년 동안 바다의 색이 크게 변했고, 이는 인간이 유발한 기후 변화의 결과일 가능성이 높다고 MIT, 영국 국립해양학센터 및 다른 과학자들이 보고했다.

지난 7월 12일 『네이처(Nature)』에 게재된 한 연구에 따르면, 연구팀은 지난 20년 동안 매년 자연적으로 설명할 수 없는 해양 색 변화를 감지했다고 말했다. 또한 이러한 색 변화는 인간의 눈으로는 잘 감지할 수 없지만 전 세계 바다의 56% 이상에서 발생했으며, 이는 지구의 전체 육지 면적보다 더 넓은 공간이라고 말했다.

특히 연구원들은 적도 근처의 열대 해양 지역이 시간이 지나면서 점점 더 푸르게 변했음을 발견했다. 해양의 색은 물 속의 유기체와 물질을 그대로 반영한다. 그렇기 때문에 해색의 변화는 해수면 내의 생태계 변화를 의미한다.

현시점에서 연구자들은 해양 생태계가 정확히 어떻게 변화하고 있는지 알 수 없다고 말했다. 그러나 그들은 인간이 초래한 기후 변화가 그 원인일 가능성이 높다고 확신했다.

스테파니 두트키에비치(Stephanie Dutkiewicz) MIT의 지구·대기·행성 과학부와 지구변화 과학센터의 수석 연구 과학자는 "수년 동안 해양 색의 변화가 일어날 것이라고 시뮬레이션을 돌려봤다"며 “그런 일이 실제로 일어나는 것을 보는 것은 놀라운 일이 아니라 두려운 일이다”라고 말했다. 그리고 “이러한 변화는 인간이 초래한 기후 변화와 일치한다"고 덧붙였다.

비비 카엘(B. B. Cael) 영국 사우샘프턴에 있는 국립 해양센터(National Oceanography Center)의 박사이자 이 연구의 수석 저자는 "이것은 인간 활동이 거대한 공간적 범위에서 걸쳐 지구상의 생명체에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 추가적인 증거를 제공한다"며 “이 변화는 인간이 생물권에 영향을 미치는 또 다른 방법이다"라고 말했다.

이 연구의 공동 저자로 국립 해양학 센터의 스테파니 헨슨(Stephanie Henson), 오레곤 주립 대학(Oregon State University)의 켈시 비슨(Kelsey Bisson), 메인 대학(University of Maine)의 엠마누엘 보스(Emmanuel Boss)가 참여했다.

해양의 색은 해수면에 있는 모든 것의 시각적 산물이다. 일반적으로 짙은 파란색의 물은 생명체를 거의 반영하지 않는 반면, 초록색의 물은 생태계의 존재를 나타내며 주로 식물성 플랑크톤 (해양 상층부에 풍부하게 서식하며, 녹색 엽록소를 포함하는 식물과 같은 미생물)의 존재를 나타낸다. 엽록소는 플랑크톤이 햇빛을 모으는 걸 돕는다. 햇빛을 이용해 플랑크톤은 대기에서 이산화탄소를 흡수하고 그것을 당으로 전환한다.

식물성 플랑크톤은 크릴새우, 물고기, 바닷새, 해양 포유류에 이르기까지 복잡한 유기체를 유지하는 해양 먹이 그물의 시작이다. 식물성 플랑크톤은 또한 이산화탄소를 흡수하고 저장하는 해양 능력에 강력한 동력이다.

따라서 과학자들은 해수면을 가지르는 식물성 플랑크톤을 모니터링하고, 이들이 기후 변화에 어떻게 반응하는지 관찰했다. 이를 위해 과학자들은 우주에서 해양 표면에서 얼마나 많은 청색과 녹색 빛이 반사되는지의 비율을 모니터링하고, 이를 기반으로 엽록소의 변화를 추적했다.

그러나 약 10년 전, 현재 연구의 공동 저자 헨슨(Henson)은 과학자들이 엽록소만 추적한다면 기후 변화에 의한 동향을 감지하기 위해 적어도 30년의 지속적인 모니터링이 필요하다는 논문을 발표했다. 그 이유는 해마다 엽록소의 크고, 자연적인 변화가 엽록소 농도에 영향을 미치기 때문이다. 따라서 정상적인 변화 속에서 의미 있는 기후 변화 신호를 골라내는 데 수십 년이 걸린다.

2019년 두트키에비치와 그녀의 동료들은 새로운 모델을 통해 다른 해양 색의 자연적인 변화가 엽록소의 변화 비해 훨씬 작다는 것을 보여주는 별도의 논문을 발표했다. 따라서 기후 변화로 인한 변화의 신호는 다른 해양 색의 작고 정상적인 변화를 통해 감지하기가 더 쉬워졌다. 그들은 그러한 변화가 30년의 모니터링이 아닌 20년 이내에 분명해질 것이라고 예측했다.

카엘은 "엽록소만으로 변화를 찾는 것이 아니라 다른 모든 색상에서 변화를 찾는 것이 합리적이라고 생각했다"라며 "스펙트럼의 한 조각에서 하나의 숫자를 추정하는 것보다 전체 스펙트럼을 살펴볼 가치가 있다"고 말했다.

일곱의 힘

카엘과 그 팀은 현재 연구에서 아쿠아(Aqua) 위성에 탑재돼 21년 동안 해양 색을 모니터링해온 MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)가 촬영 한 해양 색상 정을 분석했다. MODIS는 연구자들이 엽록소를 측정하는데 사용하는 두 가지 전통적인 색을 포함해, 7가지 눈에 보이는 파장을 측정했다. 

위성이 포착하는 색의 차이는 인간의 눈으로 구별하기에는 너무 미묘하다. 바다의 대부분이 우리 눈에 파란색으로 보이지만 실제 색상에는 파란색에서 녹색, 심지어 빨간색까지 미묘한 파장이 혼합되어 있다.

카엘은 2002년부터 2022년까지 위성이 측정한 7가지 해양 색상을 모두 사용해 통계 분석에 나섰다. 그는 먼저 주어진 한 해 동안 일곱 가지 색이 지역마다 얼마나 변했는지 살폈고, 이를 통해 자연적인 변화에 대한 아이디어를 얻었다. 그런 다음 그는 20년 동안 매년 해양 색이 어떻게 변화하는지 확인하기 위해 줌 아웃을 했다. 이 분석 결과는 정상적인 연도별 변화을 상회하는 명확한 추세를 보였다.

이 추세가 기후 변화와 관련이 있는지 알아보기 위해 그는 2019년부터 두트키에비치의 모델을 살펴봤다. 이 모델은 두 가지 시나리오에서 지구의 바다를 시뮬레이션했다. 하나는 온실가스를 추가한 것이고, 다른 하나는 온실가스를 추가하지 않은 것이다. 온실가스 모델은 20년 이내에 중요한 추세가 나타날 것이라고 예측했고, 이 추세는 세계 표면 해양의 약 50%에서 해양 색상의 변화를 일으킬 것이라고 예측했다. 이 시뮬레이션은 카엘이 실제 위성 데이터 분석에서 발견한 것과 거의 정확하게 일치했다.

카엘은 "우리가 관찰한 동향이 지구 시스템의 무작위한 변화가 아니라는 것을 시사한다”라며 "인위적인 기후 변화와 일치한다"고 말했다.

연구팀의 결과는 엽록소 관측보다 해양 색을 관측하는 것이 더 빠르고 명확하게 기후변화로 인한 해양 생태계 변화를 탐지하는 방법이라는 것을 과학자들에게 보여준다. 

두트키에비치는 "바다의 색이 바뀌었다"고 말했다. 또 "우리는 왜 이런 변화가 생겼는지는 말할 수 없지만 우리는 해양 색의 변화가 플랑크톤 군집의 변화를 반영한다고 말할 수 있으며, 이는 플랑크톤을 먹고 사는 모든 것에 영향을 미칠 것이다"라고 말했다. 그리고 "그것은 또한 바다의 탄소 흡수량을 바꿀 것이며, 다른 종류의 플랑크톤은 그것을 할 수없기 때문이다"라고 덧붙였다.

마지막으로 그는 "우리는 사람들이 이것을 진지하게 받아들이기를 바란다"며 "이러한 변화는 모델에서만 예측되는 것이 아니라 우리는 실제로 이런 일이 일어나는 것을 볼 수 있고, 바다는 변화하고 있다"고 경고했다.

[원문보기] 

Study: The ocean’s color is changing as a consequence of climate change

The color changes reflect significant shifts in essential marine ecosystems.

 

The ocean’s color has changed significantly over the last 20 years, and the global trend is likely a consequence of human-induced climate change, report scientists at MIT, the National Oceanography Center in the U.K., and elsewhere.  

In a study appearing today in Nature, the team writes that they have detected changes in ocean color over the past two decades that cannot be explained by natural, year-to-year variability alone. These color shifts, though subtle to the human eye, have occurred over 56 percent of the world’s oceans — an expanse that is larger than the total land area on Earth.

In particular, the researchers found that tropical ocean regions near the equator have become steadily greener over time. The shift in ocean color indicates that ecosystems within the surface ocean must also be changing, as the color of the ocean is a literal reflection of the organisms and materials in its waters.

At this point, the researchers cannot say how exactly marine ecosystems are changing to reflect the shifting color. But they are pretty sure of one thing: Human-induced climate change is likely the driver.

“I’ve been running simulations that have been telling me for years that these changes in ocean color are going to happen,” says study co-author Stephanie Dutkiewicz, senior research scientist in MIT’s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences and the Center for Global Change Science. “To actually see it happening for real is not surprising, but frightening. And these changes are consistent with man-induced changes to our climate.”

“This gives additional evidence of how human activities are affecting life on Earth over a huge spatial extent,” adds lead author B. B. Cael PhD ’19 of the National Oceanography Center in Southampton, U.K. “It’s another way that humans are affecting the biosphere.”

The study’s co-authors also include Stephanie Henson of the National Oceanography Center, Kelsey Bisson at Oregon State University, and Emmanuel Boss of the University of Maine.

Above the noise

The ocean’s color is a visual product of whatever lies within its upper layers. Generally, waters that are deep blue reflect very little life, whereas greener waters indicate the presence of ecosystems, and mainly phytoplankton — plant-like microbes that are abundant in upper ocean and that contain the green pigment chlorophyll. The pigment helps plankton harvest sunlight, which they use to capture carbon dioxide from the atmosphere and convert it into sugars.

Phytoplankton are the foundation of the marine food web that sustains progressively more complex organisms, on up to krill, fish, and seabirds and marine mammals. Phytoplankton are also a powerful muscle in the ocean’s ability to capture and store carbon dioxide. Scientists are therefore keen to monitor phytoplankton across the surface oceans and to see how these essential communities might respond to climate change. To do so, scientists have tracked changes in chlorophyll, based on the ratio of how much blue versus green light is reflected from the ocean surface, which can be monitored from space

But around a decade ago, Henson, who is a co-author of the current study, published a paper with others, which showed that, if scientists were tracking chlorophyll alone, it would take at least 30 years of continuous monitoring to detect any trend that was driven specifically by climate change. The reason, the team argued, was that the large, natural variations in chlorophyll from year to year would overwhelm any anthropogenic influence on chlorophyll concentrations. It would therefore take several decades to pick out a meaningful, climate-change-driven signal amid the normal noise.

In 2019, Dutkiewicz and her colleagues published a separate paper, showing through a new model that the natural variation in other ocean colors is much smaller compared to that of chlorophyll. Therefore, any signal of climate-change-driven changes should be easier to detect over the smaller, normal variations of other ocean colors. They predicted that such changes should be apparent within 20, rather than 30 years of monitoring.

“So I thought, doesn’t it make sense to look for a trend in all these other colors, rather than in chlorophyll alone?” Cael says. “It’s worth looking at the whole spectrum, rather than just trying to estimate one number from bits of the spectrum.”

 The power of seven

In the current study, Cael and the team analyzed measurements of ocean color taken by the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aboard the Aqua satellite, which has been monitoring ocean color for 21 years. MODIS takes measurements in seven visible wavelengths, including the two colors researchers traditionally use to estimate chlorophyll.

The differences in color that the satellite picks up are too subtle for human eyes to differentiate. Much of the ocean appears blue to our eye, whereas the true color may contain a mix of subtler wavelengths, from blue to green and even red.

Cael carried out a statistical analysis using all seven ocean colors measured by the satellite from 2002 to 2022 together. He first looked at how much the seven colors changed from region to region during a given year, which gave him an idea of their natural variations. He then zoomed out to see how these annual variations in ocean color changed over a longer stretch of two decades. This analysis turned up a clear trend, above the normal year-to-year variability.

To see whether this trend is related to climate change, he then looked to Dutkiewicz’s model from 2019. This model simulated the Earth’s oceans under two scenarios: one with the addition of greenhouse gases, and the other without it. The greenhouse-gas model predicted that a significant trend should show up within 20 years and that this trend should cause changes to ocean color in about 50 percent of the world’s surface oceans — almost exactly what Cael found in his analysis of real-world satellite data.

“This suggests that the trends we observe are not a random variation in the Earth system,” Cael says. “This is consistent with anthropogenic climate change.”

The team’s results show that monitoring ocean colors beyond chlorophyll could give scientists a clearer, faster way to detect climate-change-driven changes to marine ecosystems.

“The color of the oceans has changed,” Dutkiewicz says. “And we can’t say how. But we can say that changes in color reflect changes in plankton communities, that will impact everything that feeds on plankton. It will also change how much the ocean will take up carbon, because different types of plankton have different abilities to do that. So, we hope people take this seriously. It’s not only models that are predicting these changes will happen. We can now see it happening, and the ocean is changing.”

This research was supported, in part, by NASA.

[출처 = MIT(https://news.mit.edu/2023/study-oceans-color-changing-climate-change-0712) / 2023년 7월 12일]