[일본] 북극해의 소용돌이가 만든 해양 생태계

- 해빙 감소에 따른 플랑크톤의 서식환경 향상

독립행정법인 해양연구개발기구 지구환경관측연구개발센터 연구팀은 북극해의 해빙감소가 해양 생태계에 어떤 영향을 줄 것인지 조사하기 위해 북극해의 태평양측에 설치한 세디먼트 트랩(Sediment trap) 체류계에 의한 관측을 실시하고, 그 관측결과를 고려한 소용돌이 해상 해빙 해양결합모델에 의한 수치실험을 지구시뮬레이션을 이용하여 실시하였다. 그 결과로부터 영양분이 풍부한 대륙붕 유래의 해빙이 최근 해빙 감소로 활발하게 된 바다의 소용돌이 및 순환에 의해 수심이 깊은 북극해붕 지역을 수송함으로써 초겨울 해빙 밑에서도 생물 유래의 유기물 입자가 많이 침강하고 있다는 것을 밝혀내었다.

해양연구개발기구를 중심으로 한 공동연구팀은 북극해에서 해빙 감소가 해양 생태계에 미치는 영향을 조사하기 위해 이 해역의 태평양측에 위치하는 노스윈드 심해평원에 세디먼트 트랩 체류계를 설치하고 2010년 10월부터 현재까지 침강입자를 포집하는 시계열 관측을 수행하였다. 그 결과 극야(polar night)가 시작하는 10월 이후의 초겨울에 신선한 이매패(bivalve)의 어린 조개를 많이 포함한 유기물 입자가 대량으로 존재한다는 것을 알았다. 침감 입자 중에는 광물 및 해안에서 자주 나타나는 규조류도 존재하기 때문에 수심이 얕은 대륙붕에서 해수의 수송이 관여하고 있다고 추측되었다.

이 관측결과를 검토하여 본 연구팀은 NAP 지점에서 겨울철에 침강입자량이 가장 많아지는 메커니즘을 조사하기 위해 해빙 해양 물리모델 COCO(Center for Climate System Research (CCSR) Ocean Component Model)에 북극해의 해양생태계 모델 NEMURO(North Pacific Ecosystem Model for Understanding Regional Oceanography)를 결합시킨 북극해 전역을 대상으로 하는 수치모델을 새롭게 개발하였다. 이것을 이용하여 해양연구개발기구 지구시뮬레이터에서 수치실험을 수행하고 NAP 지점에서 생물 유래 입자의 계절변동을 재현하는데 성공하였다.

본 실험에 의해 노스윈드 심해 평원에 추가로 동측의 캐나다 해붕 남부에서 보다 많은 입자가 침강하고 있다는 것이 밝혀졌지만, 이것은 해양 중의 소용돌이 활동이 중요한 역할을 담당하고 있다고 생각된다. 지금까지의 연구에서 태평양 기원수가 추크치(Chukchi) 대륙붕에서 캐나다 해붕지역에 유입될 때 직경 수십km의 해양 소용돌이가 발생한다고 보고되고 있지만, 본 실험결과에서는 이러한 소용돌이에 의해 영양염이 풍부한 추크치 대륙붕 물이 해붕지역에 운송되어, 소용돌이 내부에는 동식물 플랑크톤이 활발하게 활동하고 있다는 것을 밝혀내었다.

극야(polar night) 시기에 해빙 밑에는 북극해의 많은 해역에서 플랑크톤 활동이 휴지상태이지만, 유입되는 해양 소용돌이에서는 생물의 생산활동이 지속됨으로써 소용돌이가 통과하는 초겨울에 해붕지역에서 생물 유래 입자의 침강량이 최대가 된다고 생각된다. 본 연구에서는 해빙의 두께 조건을 변화시킨 수치실험을 실시하고 그 결과로부터 이번에 밝혀진 소용돌이 활동과 그와 동반한 생물유래 입자의 침강이 해빙 감소와 함께 서서히 활발하게 된다는 메커니즘을 밝혀내었다.

우선 영양염이 비교적 풍부하게 존재하는 츄크치 해륙붕에서는 해빙으로 덮인 시기가 짧아 식물 플랑크톤의 생산이 촉진된다. 또한 해수의 흐름을 억제하는 덮개의 역할을 하고 있던 해빙이 감소하면 해양표층의 해류 및 소용돌이 등 해수의 움직임이 강화된다. 그 결과 대륙붕의 영양염이 풍부한 해수가 소용돌이에 의해 해붕지역으로 운반되고, 대륙붕수(水)의 경로에서는 어류 등의 먹이가 되는 동식물 플랑크톤의 서식환경이 향상된다. 따라서 생물유래 입자의 해양심층으로의 침강도 증가한다고 생각된다. 이것은 북극해에서 “생물 펌프”의 활발화를 의미한다.

북극해의 노스윈드 심해 평원 및 캐나다 해붕 남부에서 어류의 먹이가 되는 동식물 플랑크톤의 서식환경이 해빙의 감소에 의해 향상되었다는 것이 본 연구에서 밝혀졌다. 이것은 장래적으로는 북극 해붕지역이 수산자원을 생산할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것을 의미하며, 앞으로 지구온난화 연구에서 북극해의 역할이 수정될 가능성이 있다는 것을 나타낸다.

(그림 1) 연구대상 해역 및 주변 지형
(그림 2) NAP지점에서 생물유래 입자의 침강량
(그림 3) 초겨울 해양심층으로의 생물입자 수송

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 6월 4일]

※1　セディメントトラップ係留系：
水中を沈降する粒子を捕集する観測機材「セディメントトラップ」を、浮き球・ロープ・切り離し装置・錨を用いて任意の深さに設置する係留系。本研究では防腐剤を含む捕集瓶を約二週間毎に自動的に交換させながら通年観測を行った。

※2　渦解像海氷海洋結合モデル：
海氷海洋場の循環や熱的変化などを物理法則および経験式に基づいて計算するモデルの中でも、比較的小規模な現象を表現するには水平格子を細かく切る必要があり、北極海では格子間隔がおよそ10 km以下のものが「渦解像モデル」に相当する。対象海域が同一ならば解像度が細かいほど計算量が莫大になる。それゆえに北極海全域を対象とした「渦解像モデル」の実装は世界で数例しかなく、かつ海洋生態系モデルまで結合させたものは極めて稀である。本研究では、JAMSTEC地球シミュレータの計算機資源を利用することにより、このような先駆的な実験を行うことができた。

※3　植物プランクトンの生産活動
植物プランクトンが海水中に溶けているCO2を利用して炭素を体内に取り込むことで有機物を形成するプロセス。一定時間に一定空間内で有機物が多く形成されることを「生物生産性が高い」と言う。

※4　バラスト粒子
海洋表層で形成された有機物が海洋深層に沈降する際におもりとなる粒子。大陸棚から離れた北極海盆域では、バラストとなる珪藻の殻や鉱物などが少ないために、生物生産量に対する有機物沈降量の割合が小さいことが報告されている。

※5　COCO：　Center for Climate System Research (CCSR) Ocean Component Model
東京大学気候システム研究センター（CCSR：現・大気海洋研究所）で開発された海氷海洋結合モデル。標準版では海氷厚・水温・塩分・流速といった物理変数のみを計算しており、JAMSTECとの共同によりversion 4.9まで整備されている。本研究では水平解像度5 kmで計算することにより、10 kmスケールの渦から1000 kmスケールの海洋循環など様々な海の動きを同時に表現している。

※6　NEMURO：North Pacific Ecosystem Model for Understanding Regional Oceanography
北太平洋海洋科学機構（PICES）の枠組みで開発された海洋生態系モデル。栄養塩から動・植物プランクトンまでの低次栄養段階の生態系変数を計算し、標準版では魚類・海生哺乳類は扱わない。元々は北太平洋海域を対象に開発が進められてきたが、本研究では北極海の海洋生態系を表現するために改良を加えている。

※7　北極海の渦：
人工衛星では中分解能撮像分光放射計MODIS、数値実験ではCOCOなどによって、北極海の太平洋側で見られる渦の特性について報告されてきた。現場観測については、2011年8月26日に発表されたJAMSTECプレスリリース（2010年「みらい」北極航海で観測された巨大暖水渦と生態系へのインパクト）も参照のこと。