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일본 국립환경연구소 환경계측연구센터와 해양연구개발기구는 해저퇴적물의 중심에 보존되어 있는 유공충 화석의 방사성동위원소 분석을 통해 천년 스케일의 시간분해능에서 완신세(과거 1만년간)에 걸친 북태평양의 중, 심층수 순환변동을 밝혀내는데 성공하였다. 이 연구를 통해 연구진은 7,500~6,000년 전, 남반구의 기후변화를 계기로 북태평양의 중, 심층수의 순환이 강화되었다는 것을 확인하였다. 이 변동은 남극해주변의 대기순환이 강화되어 남극해의 심층후 형성의 강화와 운동하는 형태에서 심층수 순환의 하류에 위치한 북태평양의 심층수순환이 강화되었다고 밝혀졌다. 지금까지 완신세의 해양순환변동에 관한 연구결과가 거의 보고되지 않은 상황에서 북태평양에 관한 연구 성과로는 이 연구가 최초라고 할 수 있다.

해양심층수는 대량의 열을 축열하여 열대에서 고위도로 열을 운송하고, 대량의 이산화탄소를 축척하는 기능도 가지고 있다. 심층수의 순환읜 지구의 기후 시스템을 조절하는 조절 벨브로서 중요한 역할을 담당하고 있다. 최종 퇴빙기(17,400~11,400년 전)에는 대기 중의 이산화탄소농도가 80ppm 이상 상승하였다. 이것은 최종 빙기에 정체되어있던 심층수에 포함된 이산화탄소가 그 순환을 재개함에 따라 대기에 방출하였던 것이 주요한 원인이다.

현재 심층수는, 북대서양 고위도와 남극해에서 형성되어 최대 약 2,000년에 걸쳐 북태평양에 도달하는 흐름이 존재하고 있다. 따라서 기후변화와 심층순환은 표리일체의 관계라고 할 수 있다. 본 연구의 대상인 완신세는 빙기, 퇴빙기와 비교하여 기후적으로 매우 안정되어 있는 시기라고 알려져 있으며, 가장 최근의 과거만으로도 소빙하기와 중세온난기라는 인류활동에 큰 영향을 미친 기후변화를 포함하고 있다. 하지만 이 기후변화와 심층순환의 관련성에 대해서는 알려져 있지만, 완신세 자체의 심층순환의 변동의 유무를 포함하여 그 실태에 대해서는 아직 해명되지 않았었다.

본 연구는 시모키타반도 해역에서 수심 1,170m(그림 1)에서 채취한 해저 퇴적물 코어를 이용하여 실시하였다. 해저 퇴적물코어는 2005년 독립행정법인 해양연구개발기구의 지구심부탐사선 ‘지큐’의 CK05-04 항해 중 채취한 것이다. 채취된 해저퇴적물코어를 두께 1~2cm로 분할하여, 퇴적물 중에 보존되어 있는 부유성 유공층, 저생유공층화석을 추출하여 이 유공층화석의 방사성동위원소를 측정하여 당시의 중, 심층수의 연대를 계산하였다. 그 결과를 이용하여 최종퇴빙기후기에 해당하는 12,000년 전에서 500년 전까지의 기간에 걸쳐 부유 유공층 및 저생 유공층의 방사성동우원소의 측척에서 북태평양 중, 심층수순환을 복원하였다.

과거 12,000년에 걸쳐 천년 스케일의 시간분해능으로 중심층수의 연대를 계산한 결과 매우 큰 변동이 확인되었다. 특히 7,500~6,000년 전의 기간에는 중, 심층수순환의 변동이 매우 커 불과 수백 년의 기간 안에 큰 변동이 있었다는 것을 알았다. 과거 12,000년간의 변동에 대해 남반구에서 최신 보고된 데이터를 이용하여 순환의 강화의 원인을 해석한 결과 남반구의 편서풍대의 남북이동에 관련되어 있다는 것을 확인하였다. 이는 편서풍대가 남에서 이동한 결과, 남극대륙주변의 대기순환이 일시적으로 강화된결과, 남극지역의 기온상승, 남대양의 수온의 상승에 의해 남대양의 심층수 (남극심층수)의 형성이 활발해진 원인이라고 볼 수 있다.

한편, 또 하나의 심층수인 북대서양고위도 (그린랜드 해역)의 끝에서 시작하여 북태평양 심층수의 형성이 이 시기에 활발하게 일어났으며, 남북양반구의 심층수 형성이 동조된 가능성이 있다는 것을 확인하였다. 최종 퇴빙기의 남북양반구의 심층수 형성의 강약과 온난화, 한냉화의 변화 모드는 역위상의 관계 (bipolar seesaw)에 있다는 것을 확인하였다. 하지만 완신세에서 이 bipolar seesaw 메커니즘의 성립되지 않고 동위상에서의 변동할 가능성이 확인되었다. 여기에서 완신세에서 bipolar seesaw와 다른 새로운 메커니즘이 존재할 가능성이 제창되어, 이후 연구의 진전이 기대된다.