[논문]동해 중층에 발달하는 인산염 대 규산염 비의 불연속층

김봉국; 이동섭; 김일남

doi:10.4217/opr.2010.32.3.331

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The CREAMS (Circulation Research of the East Asian Marginal Sea) survey in 1999 revealed a sharp mid-depth discontinuity of the phosphate:silicate ratio in all basins of the East/Japan Sea. Incidentally, this discontinuity layer corresponds to the oxygen minimum layer. Directly below the discontinui...

The CREAMS (Circulation Research of the East Asian Marginal Sea) survey in 1999 revealed a sharp mid-depth discontinuity of the phosphate:silicate ratio in all basins of the East/Japan Sea. Incidentally, this discontinuity layer corresponds to the oxygen minimum layer. Directly below the discontinuity layer, oxygen concentration is increased. This increase in oxygen concentration is interpreted as a proof of intermediate water formation. Oxygen minimum indicates that the water parcel is old and stable against mixing. So it seems be an efficient barrier to vertical exchange of materials. This means that, once materials enter the lower domain, they rarely return to the upper domain. Therefore, the biogeochemistry of the East/Japan Sea depends heavily on material input through the Korea Strait, and flux is expected to be sensitive to the climate change. As a result, the East/Japan Sea ecosystem seems vulnerable to tipping (regime shift), which occurred on a decadal time scale.

주제어

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문제 정의

이를 통해 생지화학적 인자들의 광역 분포도 처음으로 알려졌다. 본 연구에서는 CREAMS의 영양염 자료를 분석하였으며 인산염 대 규산염의 비에서 동해 전역에 걸쳐 확실한 불연속면이 존재함을 발견하였다. 이에 대해 이 불연속면과 기존 수괴 분류와의 관계와 불연속면이 나타나는 이유에 대해 살펴 보았으며, 이를 통해 동해의 수괴가 어떠한 특성을 보이는지에 대해 생지화학적 측면에서 그 의미를 고찰하였다.
본 연구에서는 CREAMS의 영양염 자료를 분석하였으며 인산염 대 규산염의 비에서 동해 전역에 걸쳐 확실한 불연속면이 존재함을 발견하였다. 이에 대해 이 불연속면과 기존 수괴 분류와의 관계와 불연속면이 나타나는 이유에 대해 살펴 보았으며, 이를 통해 동해의 수괴가 어떠한 특성을 보이는지에 대해 생지화학적 측면에서 그 의미를 고찰하였다.

제안 방법

용존 산소의 자료는 CTD-DO sensor로 측정한 자료를 Winkler 적정법으로 분석한 해수 자료로 보정한 것이다. CTD에 장착하여 용존 산소 측정에 사용한 센서는 Sensormedics Oxygen Sensor s/n 6였고, 해수 시료 분석은 Dosimat UV-endpoint detection automatic titration system을 이용하여 이루어졌다.
불연속층에서 용존산소가 어떠한 분포 특성을 보이는지 살펴 보기 위해 수심에 따른 용존 산소의 구배를 식 (1)과 같이 정의하고, 울릉 분지에 대해 그려 보았다(Fig. 3).
생지화학적 환경 특성을 살펴 보기 위해 울릉 분지의 겉보기 산소 소모량(AOU)대 인산염의 비를 그려 보았다(Fig. 4). 해양에서 AOU는 식 (2)와 같이 정의되어 있다.
용존 산소의 자료는 CTD-DO sensor로 측정한 자료를 Winkler 적정법으로 분석한 해수 자료로 보정한 것이다. CTD에 장착하여 용존 산소 측정에 사용한 센서는 Sensormedics Oxygen Sensor s/n 6였고, 해수 시료 분석은 Dosimat UV-endpoint detection automatic titration system을 이용하여 이루어졌다.
우선 불연속면이 나타나는 수심을 자세히 살펴보기 위해 동일본 분지(Eastern Japan Basin; EJS), 서일본 분지(Western Japan Basin; WJS), 울릉 분지(Ulleung Basin; UB), 야마토 분지(Yamato Basin; YB)로 나누어 각 분지에서 불연속면이 나타나는 수심을 살펴 보았다(Table 1). 그 결과 서일본 분지에서 900 m 부근으로 가장 깊게 나타났고, 그 다음으로 동일본 분지에서 710 m 부근에 나타났으며, 야마토 분지와 울릉 분지에서는 각각 560 m, 540 m 부근으로 불연속면의 수심이 얕아졌다.

대상 데이터

바닥에 의한 교란 효과를 피하기 위해 탐사 정점 중 수심이 2000 m 이상인 심해저 평원 정점의 자료만을 골라 사용하였다. 이 탐사의 정점도는 Fig.
본 연구에서는 1999년 7-8월 CREAMS 동해탐사 자료 중 수온, 용존 산소, 영양염 자료를 이용하였으며, 원 자료는 홈페이지(http://sam.ucsd.edu/onr_data/hydrography.html)에 공개되어 있다. 이 자료의 지적 소유권은 Scripps Institution of Oceanography의 Lynn Talley 박사에게 있다.

이론/모형

영양염의 분석은 Scripps ODF 팀이 Technicon AA-II CFA 방식으로 하였으며, 규산염의 경우 Bernhardt와 Wilhelms (1967)의 방법을 따랐고, 질산염과 인산염의 경우 Armstrong (1967)의 방법을 따랐다.

성능/효과

우선 불연속면이 나타나는 수심을 자세히 살펴보기 위해 동일본 분지(Eastern Japan Basin; EJS), 서일본 분지(Western Japan Basin; WJS), 울릉 분지(Ulleung Basin; UB), 야마토 분지(Yamato Basin; YB)로 나누어 각 분지에서 불연속면이 나타나는 수심을 살펴 보았다(Table 1). 그 결과 서일본 분지에서 900 m 부근으로 가장 깊게 나타났고, 그 다음으로 동일본 분지에서 710 m 부근에 나타났으며, 야마토 분지와 울릉 분지에서는 각각 560 m, 540 m 부근으로 불연속면의 수심이 얕아졌다. 불연속면이 나타나는 수심에서의 수온과 염분을 살펴 본 결과, 뚜렷한 특징이 나타나지 않았으며, 이를 통해 이 수심에서 물리적인자를 통한 불연속면의 확인은 어렵다는 것을 알 수 있었다.
그 결과 서일본 분지에서 900 m 부근으로 가장 깊게 나타났고, 그 다음으로 동일본 분지에서 710 m 부근에 나타났으며, 야마토 분지와 울릉 분지에서는 각각 560 m, 540 m 부근으로 불연속면의 수심이 얕아졌다. 불연속면이 나타나는 수심에서의 수온과 염분을 살펴 본 결과, 뚜렷한 특징이 나타나지 않았으며, 이를 통해 이 수심에서 물리적인자를 통한 불연속면의 확인은 어렵다는 것을 알 수 있었다.
산소와 영양염의 연직 단면도를 그려 본 결과, 산소 최소층(인산염 대 규산염 비 불연속면) 아래에서 산소가 약간 증가하며, 규산염을 제외한 영양염들이 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 5). 이 수심에서 산소를 생산하고 영양염을 소비할 수 있는 기작이 존재하지 않으므로 산소가 풍부하고 영양염이 적은 표층 해수가 유입되었다고 해석하는 것이 타당하다.
이후 CREAMS 탐사에서 수심 약 1500 m 부근에서 염분 최소층이 발견되었고, 이는 동해의 모든 분지에서 존재하는 것으로 확인되었다. 기존의 동해 심층수(ESDW : East Sea Deep Water)는 CREAMS 탐사 이후 동해 중앙수(ESCW : East Sea Central Water)와 동해 심층수로 세분되었으며, 염분 최소층이 그 경계가 되었다.

후속연구

이는 중층수가 아극 전선에서 섭입될 때 인산염과 질산염은 표층의 낮은 농도가 보존되는데 반해 규산염은 상대적으로 농도가 높은 물이 표층 가까이에 있어서 혼합을 통해 높은 기성(preformed) 농도를 가지게 되는 것이 아닌가 하는 추측을 낳게 한다. 이는 추후의 연구를 통해 증명되어야 할 부분이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해의 심층의 특징은?	해의 심층이 수온이 매우 낮으며 산소가 비교적 풍부한 균질한 해수로 채워져 있다는 특징은 Uda (1934)에 의해 처음 관측되었으며, 그는 이 해수를 단일한 수괴라고 간주하고 고유수(Proper Water)라 명명하였다. 이후로 관측 장비의 개선에 힘입어 Nitani (1972)는 수온의 연직 구배에 근거하여 이 해수를 Deep Water, Upper Bottom Water, Lower Bottom Water로 구분하였다.
	해수를 Deep Water와 Bottom Water로 구분한 근거는?	이후로 관측 장비의 개선에 힘입어 Nitani (1972)는 수온의 연직 구배에 근거하여 이 해수를 Deep Water, Upper Bottom Water, Lower Bottom Water로 구분하였다. 한편 Gamo and Horibe (1983)는 수온과 용존 산소, 규산염 자료에서 나타나는 불연속면에 근거하여 이 해수를 Deep Water와 Bottom Water로 구분하였다.
	동일본 분지,서일본 분지, 울릉 분지,야마토 분지로 나누어 각 분지에서 불연속면이 나타나는 수심을 살펴본 결과는?	우선 불연속면이 나타나는 수심을 자세히 살펴보기 위해 동일본 분지(Eastern Japan Basin; EJS), 서일본 분지(Western Japan Basin; WJS), 울릉 분지(Ulleung Basin; UB), 야마토 분지(Yamato Basin; YB)로 나누어 각 분지에서 불연속면이 나타나는 수심을 살펴 보았다(Table 1). 그 결과 서일본 분지에서 900 m 부근으로 가장 깊게 나타났고, 그 다음으로 동일본 분지에서 710 m 부근에 나타났으며, 야마토 분지와 울릉 분지에서는 각각 560 m, 540 m 부근으로 불연속면의 수심이 얕아졌다. 불연속면이 나타나는 수심에서의 수온과 염분을 살펴 본 결과, 뚜렷한 특징이 나타나지 않았으며, 이를 통해 이 수심에서 물리적인자를 통한 불연속면의 확인은 어렵다는 것을 알 수 있었다.

참고문헌 (17)

Armstrong FAJ, Stearns CR, Strickland JDH (1967) The measurement of upwelling and subsequent processes by means of the Technicon AutoAnalyzer and associated equipment. Deep Sea Res 14(3):381-389
Bernhardt H, Wilhelms, A (1967) The continuous determination of low level iron, soluble phosphate and total phosphate with the AutoAnalyzer. Tech Symp 1:385-389
Gamo T, Horibe Y (1983) Abyssal circulation in the Japan Sea. J Oceanogr Soc Japan 39:220-230

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Kajiura K, Tsuchiya M, Hidaka K (1958) The analysis of oceanographical condition in the Japan Sea. Rep Develop Fisher Resour in the Tsushima Warm Current 1:158-170
Kang DJ, Park SY, Kim YG, Kim K, Kim KR (2003) A moving-boundary box model (MBBM) for oceans in change : An application to the East/Japan Sea. Geophys Res Lett 30(6). doi:10.1029/2002GL016486

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Kang DJ, Kim K, Kim KR (2004) The past, present and future of the East/Japan sea in change : a simple moving-boundary box model approach. Prog Oceanogr 61:175-191

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Kim K, Kim KR, Chung JY, Choi BH, Byun SK, Hong GH, Takematsu M, Yoon JH, Volkov Y (1996) New findings from CREAMS Observations: Water masses and eddies in the East Sea. J. Kor Soc Oceanogr 31:155-163

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Kim K, Kim KR, Kim YG, Cho YK, Kang DJ, Takematsu M, Volkov Y (2004) Water masses and decadal variability in the East Sea (Sea of Japan). Prog Oceanogr 61:157-174

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Kim K, Chung JY (1984) On the salinity minimum and dissolved oxygen maximum layer in the East Sea (Sea of Japan). Elsev Oceanogr Ser 39:55-65
Kim CH, Lie HJ, Kim KS (1991) On the intermediate water in the southeastern East Sea(Sea of Japan). In: Takano K (ed) Oceanography of Asian Marginal Seas. Elsevier Science Publishers, Amsterdam, pp 129-141
Miyazaki M (1953) On the water masses of the Japan Sea. Bull Hokkaido Reg Fish Res Lab 7:1-65
Nitani H (1972) On the deep and bottom waters in the Japan Sea. In: Shoji D (ed) Research in Hydrography and Oceanography. Hydrographic Department of Japan Maritime Safety Agency, Tokyo, pp 151-201
Seung YH (1997) Application of the ventilation theory to the East Sea. J of Kor Soc Oceanogr 32:8-16

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Shin CW, Byun SK, Kim C, Seung YH (1998) Southward intrusion of the East Sea intermediate water into the Ulleung Basin: observations in 1992 and 1993. J of Kor Soc Oceanogr 33:146-156

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Sudo H (1986) A note on the Japan Sea Proper Water. Prog Oceanogr 17:313-336

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Uda M (1934) The results of simultaneous oceanographical investigations in the Japan Sea and its adjacent waters in May and June 1932. J Imp Fish Exp Sta 5:57-190
Yanagi T (2002) Water, salt, phosphorus and nitrogen budget of the Japan Sea. J Oceanogr 58:797-804

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