인간의 활동(human activities)이 지구 대기와 해양을 어느 정도로 오염시키는지를 이해하기 위하여, 자연적으로 발생하는 화합물과 인위적인 오염물질(human-made pollutants)을 구분하는 것은 중요하다. 미국 브라운 대학(Brown University) 소속의 연구진이 최근 수행한 연구는 해양에서 발생하는 자연적 공정뿐 아니라, 농업과 같은 인간 활동으로 생성되는 화합물인 암모늄(ammonium)에 대한 구분을 수행했다.
이 연구는 버뮤다 지역에서 수거한 빗물 시료에 대한 2년에 걸친 연구를 기반으로 하고 있으며, 외양(open ocean)에 증착된 암모늄이 인위적인 오염원이 아니라 자연적인 해양 공급원에서 유래한다는 사실을 제안했다.
이 연구의 공동 저자 중 한 사람이며, 브라운 대학 지구, 환경 및 행성 과학부 조교수인 Meredith Hastings는 새로운 연구 결과가 상당히 놀라운 것이라고 밝혔다. 연구진이 미국에서 암모늄 배출원이 무엇인지에 대한 판단을 일부 가지고 있으며, 따라서 버뮤다 지역에서 특성을 어느 정도 예측하고 있었지만, 실제로 얻은 결과는 예측과는 달랐다고 Hastings는 밝혔다.
Global Biogeochemical Cycles 저널에 발표된 연구 결과는 암모늄 배출(ammonium emissions)이 이전에 생각했던 것보다 더 낮다는 것을 의미하는 것은 아니라고 Hastings는 밝혔다. 암모늄은 해안에서 약 600마일 가량 떨어진 위치에 있는 버뮤다에 도달하기 전 대륙에 더 가깝게 침작된다. 연구 결과는 인간이 일부 연구자가 가정했던 것처럼 해양에 많은 암모늄을 추가하지 못한다는 사실을 제안했다.
암모늄에 대한 인간 기여를 예측하는 것은 암모늄이 질소(nitrogen)의 공급원이기 때문에 중요하다. 하천과 대양에 너무 많은 질소가 추가되는 것은 수생 생태계를 파괴할 수 있다.
우리는 수로와 음용수에서 증가된 질소 오염이 초래하는 수많은 치명적인 효과를 확인했다고 Hastings는 밝혔다. 따라서 만약 당신이 이러한 오염물질의 영향을 억제하고 배출을 제한하는 정책을 만들기를 원한다면, 우리는 어떤 오염원이 자연에서 유래하고, 어떤 오염원이 인위적인 활동에서 유래했는지 충분하게 규명하고 이해할 필요가 있다고 Hastings는 지적했다.
이상적인 테스트 기지
버뮤다 섬은 오염물질의 기원을 연구하는 데 이상적인 장소라고 Hastings는 밝혔다. 섬을 제어하는 기후는 남쪽으로부터 불어오는 열대 기단(tropical air masses)이 지배적이다. 그러나 2014년 대부분의 기간에 대하여 열대 고기압이 변화됐을 때, 기단은 대륙에 위치한 미국으로부터 유래하여 버뮤다 지역에 도달했다. 이러한 기단(air masses)은 대륙에서 발생하는 산업, 농업 및 다른 인간 활동 등에서 유래하는 오염물질을 함유할 수 있다.
다른 기단이 어디서 유래했는지를 확인하는 우수한 장치를 연구진이 보유하고 있다고 Hastings는 밝혔다. 연구진이 인위적인 대륙성 오염원이 어디에서 유래했는지, 자연적인 해양 오염원은 어디서 유래했는지 분리할 수 있었다고 Hastings는 밝혔다.
2년에 걸쳐 연구진은 빗물 시료(rain samples)를 수집했으며, 미국 해양대기관리처(NOAA; National Oceanic and Atmospheric Administration)가 공급한 역사적인 기단 자료와 각 시료를 매칭시켰다. 이후 연구진은 각 시료에 함유된 암모늄 양을 조사하기 위하여 시료를 테스트했다. 또 연구진은 암모늄에서 질소의 특정 동위원소를 조사했다. 암모늄 분자는 1 개의 질소 원자와 4 개의 수소 원자로 이루어진다. 종종 다른 오염원으로부터 유래한 화합물은 특정 원소에 대한 다른 동위원소를 가지고 있으며, 따라서 과학자들은 추적자로 동위원소를 이용할 수 있다.
연구진은 기단에도 불구하고, 시료가 일반적으로 동일한 양의 암모늄과 동일한 질소 동위원소(nitrogen isotope)를 가진다는 것을 발견했다. 대륙성 기단이 이 지역에 유입됐을 때조차, 암모늄에 대하여 인위적 오염원이라는 명확한 신호는 없었다. 해양에서 대기로 암모니아의 교환을 예측한 모델을 이용하여, 연구진은 해양 공급원에서만 이용할 수 있는 빗물에 대한 질소 동위원소와 암모늄의 양을 설명할 수 있었다.
연구 결과는 연구팀이 버뮤다 지역에서 또 다른 질소 기반의 오염물질인 질산염(nitrate)에 대한 연구도 수행하는 원동력을 제공했다. 질산염에 대하여, 대륙으로부터 유래한 인위적 오염원의 동위원소 자료가 매우 명확한 신호를 가지고 있었다. 연구진이 암모늄과 동일한 현상을 관찰하기를 기대했지만, 실제로 다른 결과를 확인했다고 Hastings는 밝혔다.
화석 연료의 연소와 주로 관련이 있는 질산염의 배출은 암모늄보다 훨씬 더 잘 연구됐다고 Hastings는 밝혔다. 정책입안자가 화석 연료의 연소를 억제하려고 노력할 때, 암모늄을 포함한 다른 오염원은 매우 중요할 수 있다.
또한 이러한 동위원소 도구를 이용하는 것이 흥미롭다고 Hastings는 밝혔다. 연구진이 자연적인 오염원인지 인위적인 오염원인지를 확인하기 위하여 다양한 질소 오염원을 추적하기를 바라고 있다고 Hastings는 밝혔다. 이 도구는 자연적인 시스템에 인간이 초래한 혼동을 이해하는데 도움을 준다.
그림1> 바람과 비를 위한 실험실. 버뮤다 지역에서 다른 무역풍 하에서 빗물 시료를 추적함으로써, 연구진은 외양을 통과하여 유래하는 기단에 암모늄을 대양으로부터 유래하는 기단에 함유된 암모늄과 비교할 수 있다. 암모늄 수준은 자연적인 원인이라는 것을 설명할 수 있다.
To understand the extent to which human activities are polluting Earth's atmosphere and oceans, it's important to distinguish human-made pollutants from compounds that occur naturally. A recent study co-authored by a Brown University professor does just that for ammonium, a compound that is produced by human activities like agriculture, as well as by natural processes that occur in the ocean.
The research, based on two years of rainwater samples taken in Bermuda, suggests that
ammonium deposited over the open ocean comes almost entirely from natural marine sources, not from anthropogenic sources.
"That was a bit of a surprise," said Meredith Hastings, the Joukowsky Assistant Professor of Earth, Environmental, and Planetary Sciences and one of the study's co-authors. "We have some sense of what the ammonium emissions are in the United States, so we would expect to see that signature in Bermuda, but we don't see it."
The findings, published in Global Biogeochemical Cycles, don't necessarily mean that ammonium emissions are lower than was previously thought, Hastings said. It could be that the ammonium is simply deposited closer to the continent before it reaches Bermuda, which is about 600 miles of the coast. Either way, the findings suggest that humans are not adding nearly as much ammonium to the ocean as some researchers had assumed.
Understanding the human contribution of ammonium is important because ammonium is a source of
nitrogen. Too much nitrogen added to rivers and oceans can disrupt aquatic ecosystems.
"We see a lot of deleterious effects of increased nitrogen pollution on our waterways and our drinking water," said Hastings, who is also a fellow in Brown's Institute for the Study of Environment and Society. "So if you want to make policy to limit emissions and reduce these pollution impacts, we need to have a good handle on what sources are natural and what are anthropogenic."
An ideal testing ground
The island of Bermuda is an ideal place to study the origins of pollutants, Hastings said. The weather over the island is dominated by tropical air masses that blow in from the south. But for part of the year, when tropical high pressure shifts, air masses coming off the continental United States work their way into the region. Those air masses can contain pollutants from industry, agriculture and other human activities on the continent.
"It's a really nice setup where we have these different air masses at different times of the year," Hastings said. "We can separate what's coming in from anthropogenic continental sources and what's coming in from natural marine sources."
Over two years, the researchers collected rain samples and matched each sample with air mass history data supplied by the National Oceanic and Atmospheric Administration. They then tested the samples, looking for the amount of ammonium in each sample. They also looked for specific isotopes of nitrogen in the ammonium (the molecule is made from one nitrogen atom and four hydrogen atoms). Compounds from different sources often have different isotopes of certain elements, so scientists can use them as a tracer.
The researchers found that, regardless of air mass, the samples had generally the same amount of ammonium and the same nitrogen isotopes. There was no clear signal of an anthropogenic source for the ammonium, even when continental air masses entered the region. Using a model of the exchange of ammonia from the ocean to the atmosphere, the researchers were able to explain the amount of ammonium and the nitrogen isotopes in the rainwater using only marine sources.
The results were in stark contrast to research done by the same team looking at nitrate, another nitrogen-based pollutant, in Bermuda. For nitrate, there was a very clear signal in the isotope data of anthropogenic sources coming in from the continent.
"We expected to see the same thing with ammonium," Hastings said, "and I think it's pretty surprising that we didn't."
Emissions of nitrate, which are linked largely to the burning of fossil fuels, are much better studied than ammonium, Hastings said. As policymakers work to curb fossil fuel emissions, other sources of nitrogen, including ammonium, may become more important.
"That's one of my interests in using this isotope tool," Hastings said. "We want to see if we can track all of these different sources of nitrogen to see if they're man-made or if they're natural. That helps us to understand what perturbations humans are having on natural systems."
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