| [독일] 호흡하는 모래: 북해 기저에 산소 공급을 검출하는 새로운 측정 기술
대륙붕은 투과성 모래 침전물로 약 70% 가량 덮여 있다. 투과성 모래 침전물은 극심한 산소, 탄소 및 영양분 등이 회전하는 중요한 지역으로 규명된 한편, 투과성 침전물에서 일어나는 구성물지의 교환은 명확하게 규명되지 않고 남아 있다. 북해 중앙은 주로 투과성 침전물로 구성되어 있으며, 저산소증(hypoxia)으로 발달할 위험이 증가하고 있는 것으로 밝혀졌다.
새로운 분석 방법은 북해(North Sea) 기저에서 모래로 이루어진 투과성 침전물(permeable sediment)이 어떻게 산소를 공급받는지 즉, 산소 교환(oxygen exchange)을 결정하는 요인이 무엇인지를 처음으로 보여주었다. 대사 속도가 이러한 유형의 해저(seabed)에서 특히 높고, 침전이 투과성이 있기 때문에, 산소 교환의 측정은 특히 복잡하다. 세부적인 조사와 독일 GEOMAR(Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel)이 주도하는 연구팀이 기술한 새로운 측정 기술을 기반으로, 역학적인 생태계 내부의 미래 변화뿐 아니라 해저에서 유기물과 영양분의 회전율은 더 잘 평가될 수 있었다.
해저 하부는 사막인가? 비록 북해의 해수가 2~3년마다 교환된다고 하더라고, 감소하는 산소 함량의 증거가 있다. 만약 이러한 기체의 더 낮은 양이 해수에서 용해된다면, 해저에서 생성되는 유기체는 해양 생태계에서 생물지구화학적 순환과 더 큰 생물에 초래하는 영향과 함께 더 적은 에너지를 생성하게 될 것이다. 영양분, 탄소 및 산소 등이 매우 잘 순환되고 북해의 2/3를 구성하고 있는 투과성 모래 침전물에서 신속하게 공정을 거치기 때문에, 대사 속도의 측정은 특별히 더 어렵다.
새로운 수생 에디 상관관계 기법(Aquatic Eddy Correlation technique)을 이용하여, 독일 GEOMAR, Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries, 덴마크 남부 대학(University of Southern Denmark), 코블랜츠 랜도 대학(University of Koblenz-Landau), 스코틀랜드 해양 연구소(Scottish Marine Institute) 및 오후스 대학(Aarhus University) 등의 연구진으로 구성된 연구팀은 산소가 북해의 바닥에서 어떻게 흐르는지를 증명했다. 연구진의 방법과 결과는 Geophysical Research: Oceans 저널에 발표됐다.
소위 에디 상관관계(Eddy Correlation) 기술은 몇 제곱미터의 영역에 걸쳐 작은 난류(turbulence)를 통하여 산소의 흐름을 검출한다. 이 기술은 거친 해저 위 해수의 유체 역학(hydrodynamics)과 해수에 서식하는 유기체에 의한 침전물의 혼합을 모두 고려한다고 GEOMAR 소속의 해양 생물학자인 Peter Linke 박사는 설명했다. 이전의 방법들은 단 기간 또는 무시된 중요한 변수를 간과했다. 현재 연구팀은 보다 더 실제적인 그림을 생성할 수 있다. 또 새로운 방법은 조개껍데기와 같은 작은 사물 또는 파도의 행동 또는 해류에 의해 형성된 물결조차도 투과성 침전물(permeable sediment)에서 산소 교환에 영향을 끼칠 수 있다는 사실을 고려했다.
아일랜드 연구 선박인 CELTIC EXPLORER를 이용한 탐험 원정 CE0913에서, 연구팀은 노르웨이 소유의 Tommeliten 지역 내에서 세 가지 다른 도구를 대체하기 위하여 수중 로봇 ROV KIEL 6000을 사용했다. 두 개의 에디 상관관계 착륙선(Eddy Correlation Lander)은 세 가지 조류 순환에 대한 산소 흐름의 강도를 기록했다. 침전물에서 산소의 분포에 관한 정보는 산소 센서를 구비하고 몇 미터를 흘러가는 해저 관측기지인 탐사 착륙선(Profiler Lander)을 이용하여 수집됐다. 해저 챔버(Benthic chamber)는 침전물 314 제곱센티미터를 격리하여 침전물에서 산소 소비를 결정하기 위하여 24시간에 걸쳐 해수로부터 시료를 수거했다.
연구진은 현장 마이크로탐사(microprofiles), 해저 챔버 및 수생 에디 상관관계 등을 결합하여 북해 투과성 침전물에 대한 해저의 산소 교환을 조사했다. 조수에 의한 저층류(tidal bottom current)가 ∼3 mm에서 8 mm에 이르는 다양한 침전 산소 침투 깊이를 추진했으며, 동시에 발생하는 난류로 추진된 해저 침전물의 산소 흡수는 25배의 변화를 나타냈다. 산소 흐름과 가변성이 해저 난류와 침전물 기공 해수 순환 사이의 관계를 나타내는 단순한 1-D 모델을 이용하여 재현됐다.
높은 산소 흐름 가변성은 보다 더 깊은 침전물 산소 침투 깊이를 발생시켰으며, 높은 속도 동안 산소 저장이 증가됐다. 이 연구는 해저 유체 역학(benthic hydrodynamics), 침전물 투과성(sediment permeability) 및 기공 물 산화환원 진동(pore water redox oscillation)이 모두 밀접하게 연결되어 있으며, 산소 이용도(oxygen availability)를 결정하는 중요한 변수라는 것을 밝혀냈다.
에디 상관관계 기술과 전통적인 도구의 결합은 해수와 하부에 있는 침전물 사이에 물질의 교환 역학에 대한 새로운 시각을 제공한다. 다양한 요인이 이용할 수 있는 산소의 시기와 양을 결정한다. 해류가 모래로 이루어진 침전물에 산소를 제공할 뿐 아니라, 작은 심해 저서생물(benthic organisms)을 확보하는 해저의 소규모 지형은 탄소와 다른 영양분을 처리할 수 있다. 종속 관계 역시 특별한 방법을 이용해서만 판독할 수 있을 만큼 복잡하다고 Linke 박사는 요약했다. 따라서 모델 계산뿐 아니라 해저에 대한 경계와 수체에서 세부적인 측정은 기본적인 기능을 이해하기 위하여 필수적이며, 재료의 순환에서 발생하는 미래 변화를 더 잘 예측할 수 있게 해준다. 예를 들면, 상용 방법을 이용하여, 우리는 더 적은 양의 물 이동이 일어나고 더 적은 산소가 도입되는 기간 동안 해류에 의해 초래되는 헐거워진 모래 침전물이 산소를 저장한다는 것을 확인할 수 없었다고 Linke 박사는 밝혔다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 10월 24일]
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Breathing sand: New measurement technique detects oxygen supply to bottom of North Sea
New analytical methods show for the first time, how the permeable, sandy sediment at the bottom of the North Sea is supplied with oxygen and which factors determine the exchange. Because the metabolic rate is particularly high in this type of seabed, and the sediments are permeable, measurements are particularly complicated. Based on the detailed investigation and new measurement technology described by a research team led by GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, the turnover of organic matter and nutrients at the sea floor as well as future changes within the dynamic ecosystem can be better assessed.
A desert at the bottom of the sea? Although the waters of the North Sea exchange about every two to three years, there is evidence of decreasing oxygen content. If lower amounts of this gas are dissolved in seawater, organisms on and in the seabed produce less energy -- with implications for larger creatures and the biogeochemical cycling in the marine ecosystem. Since nutrients, carbon and oxygen circulate very well and are processed quickly in the permeable, sandy sediments that make up two-thirds of the North Sea, measurements of metabolic rates are especially difficult here. Using the new Aquatic Eddy Correlation technique, scientists from GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries, the University of Southern Denmark, the University of Koblenz-Landau, the Scottish Marine Institute and Aarhus University were able to demonstrate how oxygen flows at the ground of the North Sea. Their methods and results are presented in the Journal of Geophysical Research: Oceans.
"The so-called 'Eddy Correlation' technique detects the flow of oxygen through these small turbulences over an area of several square meters. It considers both the mixing of sediments by organisms living in it and the hydrodynamics of the water above the rough sea floor," Dr. Peter Linke, a marine biologist at GEOMAR, explains. "Previous methods overlooked only short periods or disregarded important parameters. Now we can create a more realistic picture." The new method also takes into account the fact that even small objects such as shells or ripples shaped by wave action or currents are able to impact the oxygen exchange in permeable sediments.
On the expedition CE0913 with the Irish research vessel CELTIC EXPLORER, scientists used the underwater robot ROV KIEL 6000 to place three different instruments within the "Tommeliten" area belonging to Norway: Two "Eddy Correlation Landers" recorded the strength of oxygen fluxes over three tidal cycles. Information about the distribution of oxygen in the sediment was collected with a "Profiler Lander," a seafloor observatory with oxygen sensors and flow meters. A "Benthic chamber" isolated 314 square centimetres of sediment and took samples from the overlying water over a period of 24 hours to determine the oxygen consumption of the sediment.
"The combination of traditional tools with the 'Eddy Correlation' technique has given us new insights into the dynamics of the exchange of substances between the sea water and the underlying sediment. A variety of factors determine the timing and amount of oxygen available. Currents that provide the sandy sediment with oxygen, but also the small-scale morphology of the seafloor, ensure that small benthic organisms are able to process carbon or other nutrients. The dependencies are so complex that they can be decrypted only by using special methods," Dr. Linke summarizes. Therefore, detailed measurements in the water column and at the boundary to the seafloor as well as model calculations are absolutely necessary to understand basic functions and better estimate future changes in the cycle of materials.
"With conventional methods, for example, we would never have been able to find that the loose sandy sediment stores oxygen brought in by the currents for periods of less water movement and less oxygen introduction."
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