[논문]알베도 변화에 의한 남극 눈 안정동위원소의 변동에 관한 연구

이정훈; 한영철; 함지영; 나운성

doi:10.4217/opr.2015.37.2.141

알베도 변화에 의한 남극 눈 안정동위원소의 변동에 관한 연구
A Study of Stable Isotopic Variations of Antarctic Snow by Albedo Differences 원문보기

Ocean and polar research, v.37 no.2, 2015년, pp.141 - 147

이정훈 (이화여자대학교 과학교육과) , 한영철 (한국해양과학기술원 부설 극지연구소) , 함지영 (이화여자대학교 과학교육과) , 나운성 (한국해양과학기술원 부설 극지연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Snow albedo can be decreased if there are any impurities on the snow surface other than the snow itself. Due to the decrease of snow albedo, melting rates of surface snow can increase, which is very crucial in climate change and hydrogeology in many parts of the world. Anthropogenic black carbons caused by the incomplete combustion of fossil fuel affect snow and tephra particles generated by geologic volcanic activities reduce snow albedo. In this study, we investigated isotopic compositions for snow covered by tephra particles and compared with this with clean snow. Isotopic compositions of snow with tephra statistically show more enriched than those of clean snow (p<0.02). This can be explained by the fact that snow becomes enriched in $^{18}O$ or D relative to meltwater as melting rates are increased. In addition, the slopes of the linear regression between oxygen and hydrogen for snow with tephra and clean snow are 6.7 and 8, respectively, and the latter is similar to that of the global meteoric water line of 8. Therefore, we can conclude that snow impurities control the isotopic compositions of snow, which is very crucial in the study of climate change and hydrogeology. To quantitatively explain these observations, melting experiments and numerical approaches are required.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2001). 따라서, 이번 연구에서는 눈이 쌓인 후에 눈에 포함되어 있는 불순물에 의해서 눈의 안정동위원소 값이 어떻게 변화하는지를 살펴보고, 이러한 변화가 언급된 연구에서 어떤 의미를 가지는지에 대하여 고찰해 보는 것을 목적으로 한다.

가설 설정

2009). 눈 표면에 불순물이 존재하지 않는다면 그만큼 눈이 녹는 속도가 늦어지게 되거나 극지역에서는 눈이 녹지 않을 것이다. 따라서, 같은 지역에서 녹은 눈과 그렇지 않은 눈의 안정동위원소 값은 차이를 보이게 될 것이다.
테프라 지역에서 멀어질수록 눈 표면이 가까운 곳에 비해 눈 표면에 불순물이 있을 확률이 낮아질 것이고, 이로 인한 알베도 감소 역시 줄어들 것이다. 따라서, 테프라의 기원지에서 멀어질수록 눈의 안정동위원소 값은 테프라의 영향을 받지 않은 지역의 안정동위원소 값과 비슷한 값을 가질 것이다. Fig.

제안 방법

눈 안정동위원소(δD, δ18O)는 극지연구소에 설치되어 있는 상용 물안정동위원소분석장비(Picarro L1102)를 이용하여 분석하였다.
눈 시료는 폴리에틸렌병에 담아 세종기지에서 냉동으로 보관한 후 극지연구소에서 분석할 때까지 최대한 냉동 보관하였다. 분석을 위해서 눈을 녹여 액상상태의 시료를 물안정동위원소분석장비를 이용하여 분석하였다.
2013). 시료를 5회 분석한 후 표준물질을 러닝스탠다드(running standard)로 이용하였다. 수소 및 산소동위원소의 정밀도(precision)는 각각 0.
1). 자연적인 화산활동으로 인해 존재하는 눈 표면의 불순물이 알베도에 영향을 미쳐 눈 안정동위원소에 어떠한 변화를 일으키는 지를 관찰하기 위해 화산활동의 부산물인 테프라가 풍화되어 이동되는 지역을 먼저 조사하였다. Fig.

대상 데이터

이번 연구는 사우스세틀랜드의 킹조지 섬에 위치한 세종기지에서 3 km 정도 떨어진 곳에서 수행하였다(Fig. 1). 자연적인 화산활동으로 인해 존재하는 눈 표면의 불순물이 알베도에 영향을 미쳐 눈 안정동위원소에 어떠한 변화를 일으키는 지를 관찰하기 위해 화산활동의 부산물인 테프라가 풍화되어 이동되는 지역을 먼저 조사하였다.
테프라에 모여 있는 곳을 중심으로 테프라에 의해 영향을 받은 지역(snow cover with tephra)에서 5개의 시료와 그렇지 않은 지역(relatively clean snow)에서 4개의 시료를 채취하였다. 첫 시료는 테프라언덕에서 30-40 cm 떨어진 지점에서 채취하였으며 다음 시료들은 각각 90-120 cm 씩 이동하여 시료를 채취하였다. 눈 시료는 폴리에틸렌병에 담아 세종기지에서 냉동으로 보관한 후 극지연구소에서 분석할 때까지 최대한 냉동 보관하였다.
3과 같이 시료를 채취하였다. 테프라에 모여 있는 곳을 중심으로 테프라에 의해 영향을 받은 지역(snow cover with tephra)에서 5개의 시료와 그렇지 않은 지역(relatively clean snow)에서 4개의 시료를 채취하였다. 첫 시료는 테프라언덕에서 30-40 cm 떨어진 지점에서 채취하였으며 다음 시료들은 각각 90-120 cm 씩 이동하여 시료를 채취하였다.
표준물질로는 국제원자력기구에서 제공하는 VSMOW2(산소 및 수소동위원소 값: 0‰, 0‰), SLAP(-55.50‰, −427.5‰), GISP(−24.76‰, −189.5‰)를 사용하였다.

데이터처리

5‰)를 사용하였다. 각 표준물질은 개당 주입회수를 24회로 정하고 열두 번째 시료까지는 이전 시료의 기억효과(memory effect)를 고려하여 결과 값 산출 시 제외하고 나머지 열두 번의 결과의 평균값을 이용하였다. 시료는 개당 주입회수를 12회로 정하고 뒤의 여섯 번의 결과 값의 평균값을 이용하였다(Lee et al.
각 표준물질은 개당 주입회수를 24회로 정하고 열두 번째 시료까지는 이전 시료의 기억효과(memory effect)를 고려하여 결과 값 산출 시 제외하고 나머지 열두 번의 결과의 평균값을 이용하였다. 시료는 개당 주입회수를 12회로 정하고 뒤의 여섯 번의 결과 값의 평균값을 이용하였다(Lee et al. 2013). 시료를 5회 분석한 후 표준물질을 러닝스탠다드(running standard)로 이용하였다.
9‰이다. 위에서 언급한 테프라에 의한 영향을 알아보기 위해 t-test를 수행하였다(Fig. 4). t-test 결과 테프라에 의해 영향을 받은 지역의 눈 안정동위원소 값은 그렇지 않은 지역보다 높다는 것을 알 수 있다(p < 0.

성능/효과

남극 세종기지 주변에서 자연적인 요인인 테프라로 인해 알베도의 차이가 발생하고 때문에 눈 표면에서 눈 녹는 속도에 변화가 생겨 눈 안정동위원소의 변화가 생기는 것을 관찰하였다.
t-test 결과 테프라에 의해 영향을 받은 지역의 눈 안정동위원소 값은 그렇지 않은 지역보다 높다는 것을 알 수 있다(p < 0.02).
따라서, 동위원소교환반응으로 인해 눈은 융해(melting)가 일어나게 되면, 상대적으로 액상의 물에 비해 고체상인 눈은 동위원소 값이 증가하게 된다(Lee 2014). 따라서, 테프라에 의해 영향을 받은 지역은 그렇지 않은 지역에 비해 알베도 감소에 의해 눈 표면에서 눈이 녹기 시작하였으며, 이로 인해 안정동위원소 값이 통계적으로 유의미하게 그렇지 않은 지역보다 높은 값을 보여 주고 있다.
테프라에 의해 눈 표면에 불순물이 있는 지역의 경우에는 눈 안정동위원소 값이 그렇지 않은 지역보다 통계적으로 높았으며, 이는 알베도 감소로 인해 눈 표면에서 에너지 흡수에 의해 눈이 녹기 시작하고, 물과 눈의 안정동위원소교환반응으로 인해 눈에 지속적으로 상대적으로 무거운 ¹⁸O가 남았기 때문이다. 또한, 수소와 산소의 선형직선관계에서도 이러한 변화는 관찰되었으며, 테프라에 의해 영향을 받은 지역은 선형 기울기가 6.7이었으며, 그렇지 않은 지역은 전지구순환선과 거의 동일한 8.0을 나타내었다. 안정동위원소교환반응으로 인해 기울기가 8.
위의 통계적인 접근에서도 알 수 있듯이, 테프라로 덮힌 지역은 알베도의 감소로 인해 눈이 녹기 시작하여 동위원소의 분화가 일어났으며, 그렇지 않은 지역에서 거의 눈이 녹지 않아 나타난 차이는 두 동위원소의 선형관계에서도 잘 보여지고 있다. 먼저, 테프라에 의해 영향을 받은 지역은 두 동위원소의 선형적 관계에서 기울기가 6.7이며, 그렇지 않은 지역은 기울기가 8.0으로서 앞에서 설명한 GMWL과 거의 일치하고 있다. 따라서, 세종기지 주변의 해안에서 증발하여 응축된 수증기가 눈으로 내리고, 이러한 눈 위에 테프라가 바람에 의해 퍼지면서 알베도를 변화시켜 눈을 녹이게 되어 안정동위원소 값에 변화가 생기게 되었을 것이다.
이번 연구를 통해 눈 표면에 불순물이 존재하게 되면 눈 안정동위원소값에 변화가 생긴다는 것을 알 수 있다. 눈 표면의 알베도를 변화시키는 양을 정량적으로 측정할 필요가 있으며, 향후 눈 표면의 알베도를 직접 측정하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

2001). 강우 및 지하수가 하천에 미치는 영향을 평가하는 동위원소수문분리법(isotopic hydrograph separation)의 경우에도 새로운 물(융설; meltwater)의 동위원소조성이 바뀌지 않는다는 가정에서 출발하는데, 이번 연구를 통해 눈에 불순물이 있을 경우 이러한 가정이 위배 될 수 있으며, 또한 연구결과에 심각한 오차가 발생할 수 있을 것이다(Lee et al. 2014). 이러한 눈 안정동위원소의 변동을 이해하기 위해서는 냉동 실험실(cold laboratory)에서 용융실험(melting experiment)과 동위원소교환반응(isotopic exchange)을 이용한 수치모델 연구를 통해 좀 더 정량적으로 접근 할 수 있을 것이라고 판단된다(Lee et al.
이번 연구를 통해 눈 표면에 불순물이 존재하게 되면 눈 안정동위원소값에 변화가 생긴다는 것을 알 수 있다. 눈 표면의 알베도를 변화시키는 양을 정량적으로 측정할 필요가 있으며, 향후 눈 표면의 알베도를 직접 측정하는 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이러한 연구결과는 고기후 연구 및 수리지질학 연구에 많은 의미를 줄 수 있다(Lee 2014).
2014). 이러한 눈 안정동위원소의 변동을 이해하기 위해서는 냉동 실험실(cold laboratory)에서 용융실험(melting experiment)과 동위원소교환반응(isotopic exchange)을 이용한 수치모델 연구를 통해 좀 더 정량적으로 접근 할 수 있을 것이라고 판단된다(Lee et al. 2009).
테프라의 영향을 받지 않는 지역은 동위원소 값이 기원지에 가까워 질수록 감소되는 경향을 보여 주고 있고, 테프라의 영향을 받은 지역은 V자 형태를 나타내고 있다. 이번 연구에서 나타난 이러한 변동을 현재 설명할 수 있는 적합한 모델은 없을 것 같으며 향후 좀 더 넓은 지역 또는 고해상도 시료 채취를 통해 설명할 수 있을 것으로 판단된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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