미국 콜롬비아 대학 산하 라몬트 도허티 지구 관측소(Lamont-Doherty Earth Observatory) 소속의 지구화학자인 Taro Takahashi를 주축으로 하는 연구팀은 해양 산성화(ocean acidity)가 전 세계 해양에서 얼마나 다양한지를 보여주는 가장 포괄적인 그림을 제시한 지도를 제안했다. 동 연구는 수년 동안 인간이 유발한 배기가스의 상당한 양이 해양에서 증가하고 있다는 것을 보여 주었다.
Takahashi는 연구진이 측정될 수 있는 미래 변화에 대한 지구 표준을 수립했다고 밝혔다. 관련 연구는 Marine Chemistry 저널에 발표됐다. 연구진이 제작한 지도는 껍질을 구축하는 유기체에 의해 사용되는 탄산칼슘(calcium carbonate) 광물의 포화 수준과 함께, 계절과 지리적 위치에 따라 해양 산성화가 어떻게 증가하고 감소하는지를 보여주는 월 단위의 정보를 제공했다. 지도는 라몬트-도허티 과학자와 다른 연구진이 수행했던 40년에 이르는 측정 자료와 표준년(reference year)으로 2005년을 사용했다.
해양은 지난 200년에 걸쳐 인간이 대기로 배출했던 이산화탄소(carbon dioxide)의 1/4을 흡수했다. 그러나 지구 온난화를 상쇄하는 해양의 도움은 상당한 대가를 치렀다. 해양은 과도한 이산화탄소를 흡수할 때, 산성이 더욱 증가했다. 해양 산성화 정도가 해양 생물과 생태계에 어느 정도 손상을 초래하는지는 아직까지 불명확하다. 그러나 스트레스의 징후는 보다 더 산성화된 해수에 서식하는 산호, 연체동물 및 다른 껍질을 구축하는 유기체 등에서 이미 나타났다. 산업혁명 시대가 시작된 이후, 온화한 해수에서 평균 표면 해수 pH는 0.1 pH 단위로 8.2에서 8.1까지 떨어졌으며, 이것은 산성 농도의 30% 증가와 동일한 수준이다.(더 낮은 pH는 더 산성이 강한 조건을 의미한다.)
대부분의 산호가 성장하는 광대한 열대 및 온대 해양은 겨울철과 여름철에 온도가 변화할 때 8.05~8.15의 pH를 맴도는 최소의 변화를 나타냈다. 여기서 해수는 생존하기 위하여 껍질을 구축하는 유기체가 필요로 하는 물질인 광물성 아라고나이트(aragonite)에 대하여 과포화됐다.
해양 pH는 시베리아, 알래스카 및 태평양 연안 북서부와 남극 대륙 등의 차가운 해수에서 변동한다. 봄철과 여름철, 대량의 플랑크톤이 해수에서 이산화탄소를 흡수하여 번성하고 pH가 상승하여 해수 산성도는 감소한다. 겨울철에, 심해로부터 이산화탄소가 풍부한 물의 용승은 표면수를 더욱 더 강한 산성을 나타나게 하는 원인이 된다. 겨울철 북극 해양의 산성화는 아르고나이트 수준을 감소시켜, 수많은 포식 어류의 먹이가 되는 익족류와 복족류 달팽이의 성장을 지연시킨다.
지도는 북부 인도양이 독특한 지리 때문에, 남극과 태평양 해양보다 최소 10% 이상 더 강한 산성을 나타낸다는 사실을 규명했다. 북극해를 고립시킴으로써, 북부 인도양의 화학은 계절성 몬순 강우뿐 아니라 거대한 유라시아 대륙의 하천 배수로부터 영향을 받는다.
아이슬란드, 버뮤다, 카나리아 제도, 하와이 및 드레이크 해협 등으로부터 수집한 장기 자료를 분석하여, Takahashi는 아이슬란드처럼 멀리 떨어진 북부 해수와 남극 대륙처럼 멀리 떨어진 남부에서 10년당 5 %의 속도로 산성화되고 있다는 사실을 발견했다. 그의 추정은 인간이 대기로 추가한 이산화탄소의 양에 상응하는 것이며, 2014년 버뮤다 해양 과학 연구소(Bermuda Institute of Ocean Sciences) 연구 책임자인 Nicholas Bates 등이 수행한 연구를 포함한 최근 몇 년의 추정과 일치했다.
이 연구에는 참여하지 않았던 미국 해양 대기 관리처(NOAA; National Oceanic and Atmospheric Administration) 해양학자인 Rik Wanninkhof는 우리가 얼마나 많은 이산화탄소를 대기로 배출했는가에 대하여 예측했던 것과 일치했다고 밝혔다.
만약 현재의 해양 산성화 속도가 지속된다면, 2050년까지 온난한 해수의 산호는 현재보다 25% 더 높은 산성의 해수에서 서식하게 될 것이라고 Takahashi는 밝혔다. 산호가 현재 변화를 견뎌내고 있는 한편, 해양 생물학자들은 산호가 더 낮은 pH 수준에서 일 년 내내 성장을 지속할 수 있는지에 대해 의문을 가지고 있다. 장기적으로 산호가 경험하는 평균 pH는 산호가 성장하는 능력과 산호초를 구축하는 데 있어서 문제를 일으킬 것이라고 이 연구에 참여하지 않았던 마이애미 대학 소속의 해양 생물학자인 Chris Langdon은 밝혔다.
해양 산성화는 특히 심해수가 계절적인 용승을 겪기 때문에, 자연적으로 해수를 더욱 강한 산성을 만드는 지역에서 이미 영향을 끼치고 있다. NOAA에서 수행된 최근 연구는 워싱턴 주, 오리건 주 및 캘리포니아 주 등의 해안에서 채취한 익족류의 50% 이상이 껍질이 심하게 용해됐다는 것을 보여 주었다. 해양 산성화는 어류가 포식자의 냄새를 맡는 능력을 상실하는 것과 관련이 있으며, 매년 봄철과 여름철 보다 더 산성이 강한 해수가 표면에 도달하는 워싱턴 주와 오리건 주에 위치한 부화장에서 어린 굴을 사멸시키는 것과 관련이 있다.
2100년까지, 해양 산성화는 어업, 관광 및 무형의 생태계 서비스 등의 분야에서 연간 소실되는 전 세계 비용은 3조에 이른다고 유엔 보고서는 밝혔다. 미국 회계 감사원(Government Accountability Office) 등은 유사한 결과에 도달했으며, 오바마 대통령은 해양 산성화에 헌신하는 연구 및 모니터링 프로그램을 생성할 것을 권고했다.
라몬트 도허티 지구 관측소 소속의 Stuart Sutherland, David Chipman, John Goddard 및 Cheng Ho, 콜로라도 대학 소속의 Timothy Newberger, Colm Sweeney 및 David Munro 등이 이 연구에 저자로 참여했다.
그림1> 2005년 2월 베링 해의 산성도 지도. 가장 산성이 강한 지역은 보라색으로 보여 주고 있다. 온대 해수는 더 낮은 산성을 나타내고 있으며, 적도 태평양은 엘니뇨와 라니뇨 등의 높은 가변성 때문에 공백으로 남아 있다. 그림2> 광물성 아르고나이트의 포화 상태는 해수가 더 산성일 때 감소하는 경향을 나타낸다. 그림3> Taro Takahashi
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 11월 14일]
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New Global Maps Detail Human-Caused Ocean Acidification
A team of scientists has published the most comprehensive picture yet of how acidity levels vary across the world’s oceans, providing a benchmark for years to come as enormous amounts of human-caused carbon emissions continue to wind up at sea.
“We have established a global standard for future changes to be measured,” said Taro Takahashi, a geochemist at Columbia’s Lamont-Doherty Earth Observatory who published the maps with his colleagues in the August issue of the journal Marine Chemistry. The maps provide a monthly look at how ocean acidity rises and falls by season and geographic location, along with saturation levels of calcium carbonate minerals used by shell-building organisms. The maps use 2005 as a reference year and draw on four decades of measurements by Lamont-Doherty scientists and others.
The oceans have taken up a quarter of the carbon dioxide humans have put in the atmosphere over the last two hundred years. But their help in offsetting global warming has come at a price: the oceans are growing more acidic as they absorb our excess CO2. To what extent ocean acidification may harm marine life and ecosystems is still unclear, but already signs of stress have appeared in corals, mollusks and other shell-builders living in regions with naturally more acidic water. Since the industrial era began, average surface seawater pH in temperate oceans has fallen from 8.2 to 8.1 by 0.1 pH unit, equal to a 30 percent increase in acid concentration. (A lower pH indicates more acidic conditions.)
The vast tropical and temperate oceans, where most coral reefs grow, see the least variation, with pH hovering between 8.05 and 8.15 as temperatures fluctuate in winter and summer. Here, the waters are oversaturated with respect to the mineral aragonite—a substance that shell-building organisms need to thrive.
Ocean pH fluctuates most in the colder waters off Siberia and Alaska, the Pacific Northwest and Antarctica. In spring and summer, massive plankton blooms absorb carbon dioxide in the water, raising pH and causing seawater acidity to fall. In winter, the upwelling of CO2-rich water from the deep ocean causes surface waters to become more acidic. Acidification of the Arctic Ocean in winter causes aragonite levels to fall, slowing the growth of pteropods, planktic snails that feed many predator fish.
The maps reveal that the northern Indian Ocean is at least 10 percent more acidic than the Atlantic and Pacific oceans, which could be due to its unique geography. Cut off from the Arctic Ocean, the chemistry of the northern Indian Ocean is influenced by rivers draining the massive Eurasian continent as well as seasonal monsoon rains.
By analyzing long-term data collected off Iceland, Bermuda, the Canary Islands, Hawaii and the Drake Passage, off the southern tip of South America, Takahashi finds that waters as far north as Iceland and as far south as Antarctica are acidifying at the rate of 5 percent per decade. His estimate corresponds to the amount of CO2 humans are adding to the atmosphere, and is consistent with several recent estimates, including a 2014 study in the journal Oceanography led by Nicholas Bates, research director at the Bermuda Institute of Ocean Sciences.
“This is exactly what we’d expect based on how much CO2 we’ve been putting in the air,” said Rik Wanninkhof, a Miami-based oceanographer with the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) who was not involved in the study. “This is an important point for scientists to underscore—these calculations are not magic.”
If the current pace of ocean acidification continues, warm-water corals by 2050 could be living in waters 25 percent more acidic than they are today, said Takahashi. While corals can currently tolerate shifts that big, marine biologists wonder if they can sustain growth at lower pH levels year-round. “In the long run it is the average pH that corals see that matters to their ability to grow and build a coral reef,” said Chris Langdon, a marine biologist at the University of Miami, who was not involved in the study.
Ocean acidification is already having an impact, especially in places where the seasonal upwelling of deep water has made seawater naturally more acidic. In a recent study by researchers at NOAA, more than half of the pteropods sampled off the coast of Washington, Oregon and California showed badly dissolved shells. Ocean acidification has been linked to fish losing their ability to sniff out predators, and the die-off of baby oysters in hatcheries off Washington and Oregon, where more acidic deep water comes to the surface each spring and summer.
By 2100, ocean acidification could cost the global economy $3 trillion a year in lost revenue from fishing, tourism and intangible ecosystem services, according to a recent United Nations report. The U.S. Government Accountability Office, the watchdog arm of Congress, has reached similar findings and recommended that President Obama create a research and monitoring program dedicated to ocean acidification.
Other authors of the study: Stuart Sutherland, David Chipman (now retired), John Goddard and Cheng Ho, all of Lamont-Doherty; and Timothy Newberger, Colm Sweeney and David Munro, all of University of Colorado, Boulder.
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