[독일] 열대 해양을 환기시키는 무역풍: 증가하는 산소 결핍에 대한 설명
장기적인 관측은 열대 해양에서 산소극소대역(OMZ; oxygen minimum zones)이 최근 몇 십 년 사이에 확대됐다는 것을 보여 주었다. 이러한 현상의 원인은 아직까지 규명되지 않았다. 최근 독일 GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research 소속의 연구진과 SFB(Collaborative Research Centre) 754 “기후-열대 해양에서 생물지구화학적 상호작용”소속의 연구진은 무역풍(trade winds)의 자연적인 변동을 예측하는 모델 시뮬레이션에 도움을 줄 수 있는 설명을 확인했다. 관련 연구는 국제 저널인 Geophysical Research Letters에 발표됐다.
변화는 측정될 수 있지만, 측정된 변화의 원인은 규명되지 않았다. 수십 년 동안 과학자들은 열대 해양에서 산소극소대역이 확대되고 있다는 사실을 주의 깊게 관찰해왔다. 이러한 지역은 일부 특별하게 적응하는 미생물을 위한 천국이지만, 어류와 해양 포유류 등과 같은 보다 더 큰 해양 유기체가 서식할 수 없는 지역이다. 따라서 산소극소대역의 확대는 이미 일부 어류종의 서식지를 감소시키고 있다.
이전의 연구는 지난 수십 년 동안 열대 지역에서 산소 농도에 대한 부정적인 동향을 발견했다. 생물지구화학적 순환 모델(biogeochemical circulation model)을 적용하여, 연구진은 열대 해양에서 산소 수준을 설정하는 데 있어서 STCs(Subtropical-Tropical Cells)와 관련된 바람으로 유발된 해양 이동의 중요성을 강조했다.
연구진은 최근 기후와 생물학적 공정의 모델 시뮬레이션을 이용함으로써 이러한 변화에 대한 가능한 원인을 찾았다. 연구진은 적도의 북쪽과 남쪽 무역풍이 열대 해수에 산소를 공급하는데 있어서 중요한 역할을 한다는 것을 보여 주었다. 따라서 무역풍에서 변동은 최근 몇 년 이내에 산소극소대역의 관찰된 확대에 관여한다고 이 논문의 주저자인 Olaf Duteil 박사는 설명했다.
산소극소대역은 모든 열대 해양의 동쪽 가장자리에서 다른 강도로 존재한다. 깊은 해양으로부터 영양분이 풍부한 물이 이 지역의 표면에 도달하기 때문에, 플랑크톤이 특히 잘 번성한다. 따라서 거대한 양의 플랑크톤이 산소극소대역에서 사멸한다. 플랑크톤은 사멸된 후 해저로 가라앉는다. 심연으로 가라앉는 도중 박테리아는 바이오매스를 분해하기 시작한다. 박테리아가 이러한 분해 과정을 수행하는 동안 산소가 소비된다. 가장 큰 산소극소대역은 칠레와 페루 해안에서 태평양까지 펼쳐져 있다.
동시에 수백 미터 깊이의 해류는 아열대에서 산소가 최소인 지역의 열대로 향하는 산소가 풍부한 물을 이동시킨다. 열대 태평양을 욕조로 생각할 수 있다. 수도를 틀었을 때, 물 또는 산소로 각각 욕조를 채울 수 있다. 또 관이 열렸을 때, 산소는 동시에 소실된다. 이후 유입과 유출 사이에 불안정한 평형을 가지게 된다고 Duteil 박사는 설명했다. 만약 수도를 조금만 튼다면, 욕조는 느리게 비워질 것이라고 Duteil 박사는 밝혔다.
연구진이 현재 산소 균형(oxygen balance)과 해류의 강도(strength of the currents)에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 결정할 수 있기 때문에, 열대로 흐르는 산소는 무역풍의 강도와 직접적으로 관련이 있다. 무역풍이 10년의 시간 규모로 다양하다는 것은 잘 알려져 있는 사실이라고 공동 저자인 GEOMAR 소속의 교수인 Claus Boning 박사는 밝혔다. 그러나 이러한 변화는 열대 해양의 산소 수지(oxygen budget)에 대하여는 조사된 바 없었다.
1960년대부터 1990년대까지 약 30% 가까이 STCs의 관찰 및 시뮬레이션된 감소는 열대로 산소 이동의 감소로 유발됐다. 인산염(phosphate)의 이동이 유사하게 감소됐으며, 확산 생산(export production) 및 호흡이 감소했다. 물리적 이동과 생물학적 소비의 효과는 부분적으로 상쇄되어, 산소의 일 년 단위의 변화와 10년 단위의 가변성을 제어한다.
무역풍이 1970년대 중반 이후 약한 상태를 나타냈기 때문에, 약한 무역풍이 산소극소지대의 관찰된 확대에 대한 설명이 될 수 있다. 열대 해양의 산소 욕조가 비게 될 것이라고 Duteil 박사는 밝혔다. 일단 무역풍이 보다 더 강력한 상태로 되돌아온다면, 공정이 역전될 것이다.
이것은 일반적인 지구 온난화와 같은 외부 공정이 열대 해양에서 산소 농도에 영향을 끼칠 수 없다는 것을 의미하지는 않는다. 지구의 주요 바람 시스템에 영향을 끼치는 지구 변화에 대한 증거가 있다. 이러한 지구 변화는 아열대와 열대 해양에서 산소 이동에 대하여 직접적인 영향을 끼친다고 공동 저자이며, SFB 754 강연자인 Andreas Oschlies 교수는 설명했다. 그러나 어쨌든 무역풍에 대한 이러한 연구는 열대 산소극소대역의 장기적인 발달에 대한 한 가지 요인으로 고려될 필요가 있다고 Oschlies는 덧붙였다.
이 연구의 결과는 열대 태평양에서 관찰된 나머지 산소 동향이 주로 산소 이동에서 변화에 의해 유발된다는 사실을 제안했다. STCs의 최근 관찰된 강도는 연구진이 산소 감소에서 일시적인 정지 또는 가까운 미래에 열대 태평양 산소 수치의 증가 등을 예측할 수 있게 해주었다.
그림1> 열대 태평양의 개략도 : (1) 플랑크톤의 강력한 성장은 높은 산소 소비와 확장된 산소극소대역 (2)으로 이어진다. 수백 미터 깊이에서 해류(3)는 아열대(4)로부터 산소가 포화된 해수(oxygenated water)의 흐름을 제공한다. 무역풍의 변동(5)은 이러한 해류의 강도에 영향을 끼친다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 12월 26일]
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Trade winds ventilate the tropical oceans: Explanation for increasing oxygen deficiency
Long-term observations indicate that the oxygen minimum zones in the tropical oceans have expanded in recent decades. The reason is still unknown. Now scientists at the GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel and the Collaborative Research Centre 754 "Climate -- Biogeochemical Interactions in the Tropical Ocean" have found an explanation with the help of model simulations: a natural fluctuation of the trade winds. The study has been published in the international journal Geophysical Research Letters.
The changes can be measured, but their reasons were unknown. For several decades, scientists have carefully observed that the oxygen minimum zones (OMZ) in the tropical oceans are expanding. These zones are a paradise for some specially adapted microorganisms, but for all larger marine organisms such as fish and marine mammals they are uninhabitable. Thus, their expansion has already narrowed down the habitat of some fish species.
Marine scientists from the GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel and the Kiel Collaborative Research Centre (Sonderforschungsbereich, SFB) 754 "Climate -- Biogeochemical Interactions in the Tropical Ocean" now have found a possible reason for these changes by using a model simulation of climate and biological processes. As their study shows, the trade winds north and south of the Equator play a crucial role in the supply of oxygen to tropical sea water. "So fluctuations in the trade winds could also be responsible for the observed enlargement of the oxygen minimum zones in recent years," explains Dr. Olaf Duteil, lead author of the study, which has now been published in the international journal Geophysical Research Letters.
OMZs exist in different intensities at the eastern edges of all tropical oceans. Because nutrient-rich water from the depths reaches the surface in these areas plankton thrives particularly well. Therefore large amounts of plankton organisms die there, too. After their death they sink down to the ocean floor. On the way down bacteria start to decompose the biomass. In doing so they consume the oxygen. The largest of these OMZs stretches from the coasts of Chile and Peru far into the Pacific ocean.
At the same time currents at a few hundred meters depth transport oxygen-rich water from the subtropics towards the tropics, where the oxygen minimum zones lie. "One can think of the tropical Pacific Ocean as a bathtub. When I open the tap, I fill the bathtub with water or 'oxygen', respectively. When the siphon is open, too, we lose oxygen at the same time. We then have an instable equilibrium between input and output," explains Dr. Duteil, "If I turn off the tap a little, the tub empties slowly."
As the researchers were able to determine in a computer simulation of the oxygen balance now, the strength of the currents and thus the oxygen flow to the tropics is directly related to the strength of the trade winds. "It is well known that they vary on a decadal time scale," says co-author Prof. Dr. Claus Böning from GEOMAR, "but these variations haven never been investigated in relation to the oxygen budget of tropical oceans. "
Since the trade winds have been in a weak phase since the mid-1970s, this could be the explanation for the observed enlargement of the oxygen minimum zones. "The oxygen bathtub of the tropical oceans is emptying," says Dr. Duteil. Once the trade winds come back into a stronger phase, the process will be reversed.
This does not mean that external processes such as the general global warming have no influence on the oxygen concentrations in the tropical oceans. "There is evidence that global change affects the major wind systems of the Earth. That would have a direct impact on the oxygen transport in the subtropical and tropical ocean," explains Prof. Andreas Oschlies, co-author and speaker of the SFB 754. "But it is important that according to this study the trade winds in any case as must be considered as a factor for long-term development of tropical oxygen minimum zones," Oschlies adds.
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