[중국] 북빙양 대기에도 수은으로 인한 오염이 있을까?
중국과학기술대학교 극지환경연구실 Zhou-qing Xie 과제팀은 "설룡(Xue Long, "설"은 남극 빙설세계를 뜻하고 "룡"은 중국을 의미)"호를 통해 고찰하여 여름철 북빙양대기 수은순환의 독특한 현상을 발견하였고 분석에 의하면 여름철 대기화학과정은 북빙양 수은오염의 가속화를 초래하였다는 결론을 얻었다고 한다.
"머큐리(mercury)"는 또한 "수은"이라고도 불리는데 일종의 대기 오염물질이다.수은은 비교적 높은 증기압(vapor pressure), 낮은 용해성과 비교적 긴 대기 보유시간을 가지고 있기에 전세계 범위로 수송할 수 있으며 따라서 남북극 등 외진 곳까지 확산할 수 있다. 북극지역에서 대기수은은 수송과정에서 침강하여 수생 생태계(aquatic ecosystems)에로 유입하며 또한 먹이사슬을 따라 북극곰 등 생물체에서 집중된다. 특히 북극에서 겨울철에서 봄철로 이어질때, 대기수은은 브롬(bromine)의 산화로 인해 용해성(soluble)이 더욱 강한 2+ 수은으로 전환하여 "수은 비(Mercury Rain)"로 변신하여 대기수은이 북빙양에 침강하는 속도를 가속화하였다. 사람들은 겨울철-봄철 "수은 비"에 대한 주목에 비해 북빙양 여름철의 대기는 비교적 깨끗한 것으로 알려져 있어 이 계절의 수은과정은 홀시되었다.
이 과제팀은 중국 극지 쇄빙선(ice breaker) “설룡”호를 이용하여 선박기반 해양대기 환경화학 관측 플랫폼을 건립하였고 다년간의 해양 가장자리 항로관측을 전개하였다. 2012년의 중국 제5차 북극 고찰 기간에, 중국 “설룡”호는 처음으로 북빙양 중심을 횡단하였으며 선박기반 대기수은의 온라인 고해상도 관측과 2010년 “설룡”호가 북빙양 고찰에서 얻은 데이터와 결합시켜 북빙양 대기수은의 시공간 분포특징을 얻었다.
북빙양 대기수은은 서쪽이 높고 동쪽이 낮으며 중심 해수지역과 개방수역은 현저하게 서로 다른 시공간분포특징을 나타냈다. 더욱 심도있는 연구에 의하면, 이런 변화는 해빙 융해와 담수의 유입과 관련된다. 여름철에 해빙이 융해됨에 따라 1년 혹은 다년간 해빙 중의 수은이 수체에 흘러들고 태양광과 미생물의 작용에 의해 물에 용해된 수은은 환원되면서 재차 대기로 방출되어 빙설지역 대기수은 농도가 개방수역보다 높게 된다.
다른 한편으로 무빙구(얼음이 없는 지역)에서 추크치해(chukchi sea) 대기수은 농도는 그린란드 방향의 해역과 노르웨이해(norwegian sea)보다 현저하게 높고 또한 이는 해수 염도가 떨어지고 유색 용해유기물이 높아지며 하천 담수의 유입은 북빙양 서쪽이 높고 동쪽이 낮은 중요한 요소라는 것을 설명한다.
여름철에 환형 북빙양 특히 추크치해의 하천을 통해 고농도의 수은이 북빙양으로 흘러 들어가고 따라서 해수 중의 용해상태 수은을 증가한다. 이와 동시에, 하천에서 흘러 들어간 고농도의 유기용해물은 용해상태 수은이 영가 기체상태의 수은으로 환원하는 능력을 강화하였으며 따라서 대기 중에 방출된다. 전세계 온난화가 진행함에 따라 여름철 해빙 융해속도 및 환형 북빙양 하천의 유입이 많아짐에 따라 북빙양은 대기에 방출하는 수은은 과연 증가할 것인가?
북빙양 여름철 대기수은의 7월 ~ 9월 농도를 대조한 결과, 2010년과 2012년은 여름철 대기수은 농도가 가을철보다 모두 낮다는 것을 나타내며 대기수은의 변화는 일산화탄소 배경에서의 농도 변화와 현저하게 관련되어 있다는 것을 나타내며 여름철 북빙양 상공에서도 현저한 대기화학과정이 발생하였으며 대기에 방출된 수은은 산화되어 다시 한 번 해양과 얼음에로 침강되었다는 것을 설명한다.
북빙양 태양복사는 7월에서 9월 사이에 감소되는 추세를 나타내고 여름철 대기화학과정은 상대적으로 비교적 강하며 따라서 여름철 대기수은 농도는 가을철보다 낮다. 이는 융빙과 하천수가 공헌하는 수은은 대기화학과정의 작용으로 인해 대부분이 북빙양에 남게 되며 따라서 수은이 북극 생태계에 미치는 위험성이 가속화되었다. 위에서 서술은 연구는 국가자연기금, 극지전문프로젝트와 과학기술부 등의 지원을 받았고 관련된 연구성과는 Scientific Reports에 발표되었다.
그림: 2012년(a)과 2010년(b) 북빙양 대기수은 농도의 분포도
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中国科大发现大气化学过程将导致北冰洋汞污染加剧
中国科学技术大学极地环境研究室谢周清课题组通过“雪龙”船考察，发现了夏季北冰洋大气汞循环的独特现象，并经分析认为夏季大气化学过程将导致北冰洋汞污染加剧。
汞，俗称水银，是一种大气污染物。由于汞具有较高的蒸气压、低溶解性和较长的大气保留时间，可以在全球传输，从而到达南北极等边远地区。在北极地区，已经发现大气汞在传输过程中会沉降进入水生生态系统，并随食物链在北极熊等生物体中富集，特别是在北极冬天向春天过度时，大气汞由于溴的氧化，转化为可溶性更强的二价汞，犹如下“汞雨”，加速了大气汞向北冰洋的沉降。与大家对冬春季节“汞雨”的关注相比，由于北冰洋夏季的大气被认为较干净，这个季节汞的过程被忽视。
该课题组依托我国极地破冰船“雪龙”号，建立了船基海洋大气环境化学观测平台，开展了多年的海洋边界层走航观测。在2012年的中国第五次北极考察期间，中国“雪龙”号首次横穿中心北冰洋，通过船基大气汞的在线高分辨率观测并结合2010年“雪龙”号在北冰洋考察的数据，获取了北冰洋大气汞的时空分布特征。
北冰洋大气汞呈现西高东低以及中心海冰区与开阔水域显著不同等空间分布特征。进一步的研究发现，这种变化与海冰融化和淡水输入有关。夏季，随海冰融化，一年或多年老冰中的汞进入水体，在太阳光和微生物作用下，溶于水中的汞被还原再次释放到大气中，导致冰区大气汞浓度高于开阔水域。另一方面，在无冰区楚科奇海大气汞浓度显著高于格陵兰方向海域和挪威海，并拌随海水盐度的下降及有色溶解有机物的上升，表明河流淡水的输入是导致北冰洋西高东低的重要因素。夏季，环北冰洋特别是楚科奇海的河流携带高浓度的汞进入北冰洋，从而增加海水中溶解态汞，与此同时，河流带入高浓度的有机溶解物增加了溶解态汞还原为零价气态汞的能力，进而释放到大气中。那么是否随着全球变暖，夏季海冰消融的加速以及环北极河流输入的增多，北冰洋向大气释放的汞将增大呢？
对比北冰洋夏季大气汞7月至9月的浓度后发现，2010年和2012年均表现为夏天大气汞浓度低于秋季，大气汞的变化与一氧化碳背景浓度波动显著相关，表明夏天北冰洋上空也会发生显著的大气化学过程，释放到大气中的汞被氧化重新降落到海洋和冰面上。北冰洋太阳辐射从7月到9月呈减小的趋势，夏季大气化学过程相对较强，从而表现为夏季大气汞浓度低于秋季。这意味着融冰和河水贡献的汞由于大气化学过程的作用，更多的留在北冰洋中，从而加剧汞对北极生态系统的危害。
上述研究工作得到了国家自然基金、极地专项和科技部等的支持。研究成果发表于Scientific Reports。
2012年（a）和2010年（b）北冰洋大气汞浓度分布图
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