초록 ▼

I. 제 목 남극 해양생물자원 및 생태계 연구 (부재 : 남극 웨델해 극전선과 해빙해역의 탄소순환 연구) II. 연구개발의 목적 및 필요성 남빙양은 아열대수렴대 이남 해역으로 전지구 해양의 20% 가량을 차지한다. 남극순환해류는 전 세계 해양에서 가장 큰 해류운송량(130 Sverdrup)을 보유하고 전세계 해양으로 계속해서 흘러가는 유일한 해류이다. 또한 이 해류는 전 대양의 심층수의 형성에 큰 영향을 미친다. 남빙양에서 탄소플럭스는 상당히 크고 전지구 탄소순환에 있어서 매우 중요한 역할을 하고 있지만 아직까지 정량적으

I. 제 목 남극 해양생물자원 및 생태계 연구 (부재 : 남극 웨델해 극전선과 해빙해역의 탄소순환 연구) II. 연구개발의 목적 및 필요성 남빙양은 아열대수렴대 이남 해역으로 전지구 해양의 20% 가량을 차지한다. 남극순환해류는 전 세계 해양에서 가장 큰 해류운송량(130 Sverdrup)을 보유하고 전세계 해양으로 계속해서 흘러가는 유일한 해류이다. 또한 이 해류는 전 대양의 심층수의 형성에 큰 영향을 미친다. 남빙양에서 탄소플럭스는 상당히 크고 전지구 탄소순환에 있어서 매우 중요한 역할을 하고 있지만 아직까지 정량적으로 정확한 탄소플럭스의 양은 알려지고 있지 않다. 지구온난화는 남빙양의 해류순환, 대류, 생지화학적 작용에 대해 커다란 영향을 미치고 있고 이들 작용들은 다시 역으로 전지구 기후시스템을 변화시켜 지구온난화에 영향을 미친다. 현재 우리는 전지구 기후변화에 있어서 남빙양의 역할에 대해 거의 아는바가 없고 또한 지구온난화에 따른 남빙양에서 생지화학적 순환의 반응에 대해서도 거의 무지한 형편이다. 따라서 전지구 탄소순환에 있어서 남빙양의 역할을 이해하기 위해서 우리는 남빙양에서 일어나는 물리, 화학, 생물학적인 현상들을 규명할 수 있는 다양한 연구가 절실히 필요하다. 최근 남극 해양생물자원과 생태계는 오존층 파괴와 지구온난화와 같은 환경변화에 의해 심각하게 위협받고 있다. 남극 해양생물은 오랜 기간 동안 저온, 저광의 환경에 적응하면서 진화하였다. 남극 해양생태계는 자외선 증가와 수온 증가와 같은 작은 환경변화에 의해서도 생태계 구조가 달라질 정도로 커다란 영향을 받는다. 따라서 남극 해양생태계 구조를 장기간 모니터링 함으로써 남극 환경변화를 탐지 할 수 있다. 특히 미세조류는 해양생태계를 유지하는 기초생산자이기 때문에 환경변화를 탐지할 수 있는 좋은 지시자로 활용할 수 있다. 오존층 파괴와 지구온난화와 같은 환경변화에 의한 남극 해양생태계의 반응을 이해하기 위해서는 먼저 해양생태계가 환경변동에 의해 얼마나 민감하게 변화하는 지를 파악해야 한다. 그 첫 단계로서 우리는 남극 해양의 물리적 환경특성을 이해해야 한다. 장기간 동안 일어나는 물리적 환경특성변화는 해양생태계 변화를 적절한 시기동안 조사함으로써 파악할 수 있다. 본 연구의 주요목적은 다음과 같다. 1) 남빙양에서 탄소플럭스를 보다 정확히 관측하고 전지구 탄소순환에 어떤 역할을 하는지를 이해한다. 2) 일차생산성의 정량적인 양과 그 변화를 조절하는 요인들을 파악한다. 3) 지구온난화와 오존층 파괴와 같은 남극환경변화에 따른 남극해양 생물의 반응을 이해한다. 4) 남극환경변화를 지시해 줄 수 있는 지표종을 찾아낸다. III. 연구개발의 내용 및 범위 1) 2000/2001 남극 하계 South Shetland 군도 주변 해역의 해양물리 특성 2) 남극 남쉐틀랜드 군도 주변 해역의 무기 영양염, chl-a, 용존산소 및 총유기탄소 분포양상 3) 2000/2001 남극 하계 Drake 해협과 South Shetland 군도 주변해역의 해양환경 특성 4) 2000/2001 남극 하계 South Shetland 군도 주변 해역의 크릴 분포와 자원량 5) 남극 극전선역의 일차생산과 철이온의 상관관계 6) 남극 브랜스필드 해협에서 2000년 1년 동안 입자 플럭스의 계절변화 7) 1999/2000 퇴적물 포집기를 이용한 남극 브랜스필드 해협 규조의 상대적 분포 8) 2001/2002 남극 하계 Drake Passage 해역의 해수 특성 9) 2001/2002 남극 하계 드레이크 해협과 북서 웨델해 극전선의 표층 pCO2 분포 10) 2001/2002 남극 하계 웨델해 극전선과 해빙해역의 철이온 정밀분석 11) 서대서양 아남극과 남극해의 식물플랑크톤 분포양상 12) 남극해의 엽록소 위성 영상 13) 남극 웨델해 극전선 및 해빙해역의 미생물 생태 연구 IV. 연구개발 결과 1) 남쉐틀랜드 군도 북쪽 해역에서 1999/2000년도에 비해 강도가 약해진 Winter Water가 존재하고, Circumpolar Deep Water는 예년과 유사한 분포 형태를 보이고 있었다. Drake Passage와 브랜스필드 해협이 연결되는 남북 방향의 정선에서는 해협의 중앙부에서 V-형의 밀도 분포가, 남단에서는 Weddell해의 영향에 의한 Antarctic Slope Front Water가 나타났다. 해협의 동서 방향 분포에서는 100 m 상층부에서 Antarctic Surface Water에 의해 수온약층이 형성되었으며 하층은 거의 성층화된 구조를 보이고 있었다. 한편, T/S diagram에 의해 수괴를 분석한 결과 5개의 수괴가 구분되었으며, 부력 주파수는 200 m 상층부는 2 ～ 4 cycles/hr로 나타났으나 200 m 이하에는 거의 1 cycle/hr 미만으로 안정도가 약한 것으로 나타났다. 2) 남쉐틀랜드 군도의 북쪽 외해는 표층에서 비교적 높은 수온과 낮은 염분의 특성을 보였으며, 수심 75～100m 사이에 강한 수온약층이 존재하였다. 반면 군도의 북쪽 연안은 외해수에 비해 표층에서 낮은 수온과 높은 염분을 보이면서 전층이 활발히 혼합되는 양상을 보였다. 군도의 남쪽 해역은 북쪽해역에 비해 표층에서 높은 수온을 나타냈고, 염분은 북쪽 연안과 비슷하게 나타났다. 수온은 수심에 따라 완만하게 감소하고 염분은 증가하였다. 무기 영양염류의 농도는 군도의 북쪽 외해 표층부분에서 낮게 나타나고 있으나 저층으로 가면서 급격히 증가하는 양상을 보였다. 반면 군도의 북쪽 연안은 가장 높은 영양염 농도를 보였으며, 군도의 남쪽 해역이 가장 낮았으나 전 수심에 걸쳐 대체로 균일한 분포를 보였다. 식물플랑크톤 엽록소 (chl-a)는 군도의 북쪽 외해에서 가장 낮았으며 군도 남쪽 해역의 표층수에서 비교적 높은 엽록소 농도가 관찰되었다. 용존산소는 전 해역의 표층부분에서 유사한 분포를 보이나 군도의 북쪽 외해에서는 저층으로 갈수록 급격한 감소를 나타냈다. 총유기탄소의 농도는 군도의 북쪽 외해가 가장 낮았으며, 연안의 중앙 해역에서는 20 ㎎ℓ-1로 이상의 매우 높은 총유기탄소 농도가 관측되었다. 3) 남쉐틀랜드군도 주변해역의 수심 10m에서 관찰된 수온은 군도 북쪽해역이 군도 남쪽해역인 브랜스필드해협보다 낮은 수온 분포를 보였으며, 염분은 군도 남쪽에서 북쪽으로 갈수록 감소하는 경향을 나타내었다. 질산염류와 인산염의 경우는 남쉐틀랜드군도에 접하는 연안지점에서 높게 나타났으며, 외해로 갈수록 낮아지는 경향을 보였다. 규산염도 질산염과 마찬가지의 경향을 보이나, 외해로 갈수록 낮아지는 경향이 더욱 뚜렷하게 나타나며, 웨델해의 영향을 받는 브랜스필드해협의 동쪽에서 뚜렷한 증가를 보였다. 용존산소는 브랜스필드해협에서 남쉐틀랜드군도 북쪽으로 갈수록 증가하는 경향을 보였다. 무기영양염류와 비슷한 분포를 보이는 엽록소는 남쉐틀랜드군도에 접하는 연안정점에서 비교적 높게 나타났으며, 또한 웨델해의 영향을 받는 지역에서도 높게 나타났다. 남쉐틀랜드군도 주변해역의 10m 수심에서 관측한 해양특성 중 엽록소와 규산염이 비교적 높은 양의 상관관계를 나타내었으며, 규산염은 또한 염분과 높은 양의 상관관계를 나타내었다. 이로서 이곳의 생물생산을 담당하는 일차생산자는 규산염을 필요로 하는 규조류이며, 이들은 고염의 규산염이 풍부한 해역에 많이 서식함을 유추할 수 있었다. 4) South Shetland 군도 북부 해역에서 고밀도의 크릴군은 북서쪽의 대륙 사면과 외양역 부근에서 발견되었으며, Elephant 섬 주변에서는 북동쪽과 남쪽의 사면 지역에서 많이 나타나는 분포를 보였다. 특히, Bransfield 해협에서는 South Shetland 군도 남쪽 사면 지역에서 밀도가 높았으며, 연구 지역 가운데 가장 고른 분포를 나타내고 있다. 평균 밀도 분포는 South Shetland 군도, Elephant 섬, Bransfield 해협에서 각각 39.9 g/m2, 38.6 g/m2, 56.5 g/m2로 Bransfield 해협 부근에서 가장 높게 나타났다. 연구 지역 전체를 고려할 때, 평균 밀도는 43.86 g/m2, 예측되는 크릴 자원량은 약 3,293×천 톤으로 나타났다(CV=17.19%). South Shetland 군도 북부 해역에서는 조사 기간동안 일정한 밀도를 유지하고 있어 밀도? 시변동성이 컸다. 5) 수층적분한 일차생산은 27.08 ～ 837.93 ㎎ C m-2 hr-1의 범위를 나타내었다. 표층 생산성의 경우 Bransfield Strait와 Elephant 섬 주위에 위치한 정점에서 생산력이 높게 나타났다. 그러나 수층 적분한 시간당 생산력은 대체적으로 육지와 근접한 연안역에 위치한 정점에서 생산력이 외해에 위치한 정점보다 높게 관측되었다. 신생산은 0.88 - 12.88 mg N m-2 h-1, 재생산은 2.11 - 16.30 mg N m-2 h-1의 범위를 나타내었다. 일차생산중 신생산이 차지하는 비율인 f-ratio는 0.14 - 0.97(평균 0.36±0.18)로 원양역에 가까운 특성을 지니고 있었다. 철이온 또는 FeEDTA의 첨가에 따른 해수의 배양은 5일이 지나면서부터 식물플랑크톤 chlorophyll a에 뚜렷한 증가를 나타내었다. 그러나 chelator만을 첨가하였을 경우에는 증가가 뚜렷이 나타나지 않았다. 1 μM 이상의 농도에서는 철이온의 추가적인 첨가가 식물플랑크톤의 성장에 더 이상 증가요인으로 작용하지 않았다. 매우 강한 착화합물인 DTPA의 경우 철이온의 가용도를 감소시켜 식물플랑크톤의 성장에 제한요인으로 작용하였다. 6) 관측된 입자 플럭스는 시？공간적으로 매우 큰 변화양상을 보였다. 동브랜스필드 해협 수심 678m에서 총질량 플럭스는 여름철에 높고 겨울철에 낮아 뚜렷한 계절변화를 보이는 반면, 중앙브랜스필드 해협 수심 960m에서 총질량 플럭스는 1월에만 높은 값을 보였고 다른 계절에는 거의 관측되지 않았다. 동브랜스필드 해협 수심 678m에서 유기탄소 플럭스도 뚜렷한 계절변화를 보이는데 이런 계절변화는 표층에서의 일차생산성에 의해 크게 영향을 받은 것으로 보인다. 중앙브랜스필드 해협 수심 960m에서 총질량 플럭스가 1월에만 집중적으로 일어나는 것은 1월 이외의 다른 계절에는 표층에 있는 육상 쇄설물이나 유기물들이 빠른 표층 해류에 의해 수직으로 침강하지 못하고 수평으로 이동되어 계류된 퇴적물 트랩에 포집되지 않기 때문인 것으로 보인다. 동브랜스필드 해협 수심 1678m에서 총질량 플럭스는 1월부터 10월까지 매우 높게 관측된 반면, 중앙브랜스필드 해협 수심 1860m에서 총질량 플럭스는 1월과 2월에만 높게 관측되었다. 이 두 해협 저층에서 관측된 총질량 플럭스가 중층에서 관측된 것보다 높은 것은 분지 위 얕은 곳에 있는 생기원 원소들과 육상기원 쇄설물이 강한 조류에 의해 분지 내로 운반되어 퇴적되었기 때문이다. 7) KAST-1의 1,000 m 포집기에는 Minidiscus chilensis, Unidentified Thalassiosira species., Fragilariopsis spp.가 우점하였고, 2,000 m에서는 Chaetoceros cyst와 Thalassiosira spp.가 우점하였다. 한편, KAST-2의 1000 m에서는 Minidiscus chilensis와 Chaetoceros cyst가 우점하였고, 2,000 m에서는 Chaetoceros cyst와 Pseudo-nitzschia heimii가 우점하여 서로 상이한 결과가 나타났다. 8) 2001년 Drake Passage에서의 CTD 조사는 11월 30일부터 12월 6일까지 러시아 연구선 Yuzhmorgeologiya를 이용하여 52°W를 따라 52°- 60°S 사이와 59°W를 따라 58°- 60.5°S 사이 17개 정점에서 실시하였다. 수괴는 크게 관측 해역 저위도 상층에 분포하는 상대적 고온의 해수, 극전선 해역의 상층해수, 극전선 남쪽의 저온 표층수, 약 1000 - 3000 m 수심대 두껍게 분포하는 최고염수 및 저온의 심층수의 5개로 구분이 가능하였다. 극전선은 52°W 선상에서 56°- 57°N에 위치하였으며 전 관측수심에 걸쳐 나타났다. 전선의 강도는 200 - 300 m 수심에서 약 3 ℃/100km로서 가장 강하였고, 밀도 수직분포도는 전선역에서 밀도 구배가 현저하여 해류가 가장 강함을 보여주었다. 9) 남극 드레이크 해협과 북서 웨델해 극전선을 경계로, 극전선 북쪽의 탄산염 해양(Carbonate Ocean)과 극전선 남쪽의 규산염 해양(Silica Ocean)에서, 표층 CO2분압(pCO2)과 영양염(질산염, 인산염, 규산염) 변화를 비교하였다. 표층수온과 염분, pCO2는 대기-해양 pCO2 연속관측시스템(Flowing pCO2 system)으로 관측하였고, pH(-log [H+])와 알카리니티(TA), TCO2는 1시간 간격으로 해수를 채수하여, TA 정밀적정장치(an automated TA titration system)로 적정하였다. 표층해수의 수온과 염분, 영양염 농도는 극전선을 지나며 크게 변동하였다. 규산염(SiO2)과 질산염(NO3), 인산염(PO4) 모두 극전선을 가로질러 남쪽으로 가면서 꾸준히 증가하였다. 모든 항해 궤적을 따라 표층해수의 pCO2가 해양대기의 pCO2 보다 높았다 (>400 ppmv). 극전선을 경계로 북쪽의 Carbonate Ocean과 남쪽의 Silica Ocean은 서로 다른 pCO2와 영양염 사이의 상관관계를 보였다. 극전선 남쪽에서만 보이는 pCO2와 영양염류의 뚜렷한 상관관계는, 생물활동에 의한 CO2 제거(biological CO2 removal)효율이 극전선 남쪽의 Silica Ocean이 북쪽의 Carbonate Ocean 보다 더 높음을 시사한다. 10) 최근 들어 미량 금속 측정을 위한 분석 기기와 분석 방법에 큰 발전이 있었다. 또한 시료채취, 보관, 분석 등 일련의 과정에 발생할 수 있는 오염을 방지하기 위하여 세심한 주의가 필요하게 되었다. 이와 같은 청결 기술 때문에 HNLC(높은 영양염-낮은 클로로필) 해역의 일차 생산력에 있어 철이 제한 물질로서 중요하게 인식되었다. 남극해에서 일차 생산력에 대한 철 가설을 이해하기 위하여 웨델해 및 극전선 해역에서 2001년 11월～12월 사이에 표층수를 채취하였다. 채취된 해수는 미리 세척된 폴리카보네이트 막 여과지(Pore sixe 0.4㎛)를 이용하여 여과하였으며, 여과액은 세척된 폴리에틸렌 병에 담아서 고순도 염산 가하여 pH2이하로 처리한 후 비닐로 이중 포장하였다. 이상의 모든 시료 전처리 과정은 공기로부터의 오염을 최소화하기 위하여 Class-100 수준의 Clean bench에서 수행하였다. 본 조사에서는 기상 악화시 시료를 채취할 경우 오염 가능성이 있었으며, 이것을 방지할 수 있는 방안이 마련되어야 할 것이다. 11) 일차생산자인 식물플랑크톤과 관련된 연구를 위해 총 100개의 연구 정점에서 표층수가 채수 되었다. 물리, 화학적 환경특성과의 관계에 따른 식물플랑크톤의 생물량과 분포양상 조사를 위해 chl a (chl a) 측정이 이루어졌다. 전 연구정점의 표층수에서 측정된 chl a 농도는 0.14 - 2.42 mg chl a m-3 범위 (평균 0.93 mg chl a m-3)를 보였다. 가장 높은 식물플랑크톤 생물량을 보인 지역 (1.08 - 2.42 mg chl a m-3)은 아남극해 마젤란 해협과 포클랜드 섬 주변 해역이었다. 이는 이 지역에 microphytoplankton (>20 ？m)의 규조류가 우점하고 있었기 때문이었다. 연구기간 동안 남극해 연구 해역에서는 20 ？m 이하의 편모식물플랑크톤이 전체 식물플랑크톤 현존량의 80% 이상을 차지하였다. 아남극해 평균 chl a 값 (0.92 mg chl a m-3)은 남극해의 평균 chl a 값 (0.97 mg chl a m-3)과 비교할 때 거의 차이가 없었다. Microphytoplankton (>20 ？m) (대부분이 규조류)이 우점하였던 아남극 해역의 식물플랑크톤 군집구조가 20 ？m 이하의 작은 pico- and nanophytoplankton (대부분이 편모식물플랑크톤, 극미소 및 미소식물플랑크톤)이 우점하였던 남극해 식물플랑크톤 군집구조와 달랐다. Chl a 농도가 낮았던 남극해 해역에서는 총 chl a 농도의 80% 이상이 극미소 및 미소식물플랑크톤 (<20 ？m)으로 구성되었으나, 마젤란 해협과 포클랜드 섬 주변의 아남극해 연근해 지역에서는 총 chl a 농도의 50% 이상이 미세식물플랑크톤 (>20 ？m)으로 이루어졌다. 예상했던 것처럼 아남극과 남극해 외양에서는 전 연구 기간 동안 chl a 농도가 낮게 나타났으나 (<1.0 mg chl a m-3), 아남극해 (마젤란 해협, 포클랜드 섬 주변)과 남극해 (브랜스필드 해협, 멕스웰 만)의 연근해 지역에서는 규조류와 Cryptomonas spp.의 수가 증가하여 전체 chl a 농도를 증가(>1.0 mg chl a m-3)시키는 역할을 하였다. 예상과는 달리 극전선 해역에서 chl a 농도가 증가하지 않았다. 아남극해의 연근해에서 규조류의 대량증식이 일어나 전체 식물플랑크톤 생물량의 증가가 일어난 이유는 이 해역에 형성된 안정된 수괴, 광조건의 호전, 남미 대륙에서 유입된 철의 증가, 포식압의 감소 등이 주요한 원인이 될 수 있으나, 남극순환류 외해와 극전선 해역에 형성되었던 낮은 식물플랑크톤 생물량은 수괴의 불안정, 낮은 철농도, 높은 동물플랑크톤 포식압 등이 식물플랑크톤의 생산력을 억제하였을 것으로 생각된다. 12) 남극 주변해의 식물플랑크톤 색소량과 일차 생산력 분포의 광역적 mapping을 위해서는 시？공간적 제약이 적은 위성 자료를 이용하는 연구가 바람직하다. 연구해역은 남극 세종기지 주변 해역인 Weddell Sea와 Drake Passage 주변 해역으로 남극 순환류와 함께 극전선을 가로지르는 해역에 해당되며, 이 해역의 엽록소 분포의 월간, 연간 변화와 지역적 분포 특성을 1997년 9월부터 2001년 9월까지 49개월간의 SeaWiFS 엽록소 이미지를 활용하여 살펴보았다. 이 연구는 지난 관측 결과들의 해석과 함께 앞으로의 연구 방향 설정에 있어 기초 정보를 제공하는데 주요 목적이 있다. 남극해의 엽록소 분포는 남극대륙의 연안에서 높은 값을 가지며, 태평양의 경우엔 뉴질랜드 주변과 칠레 서부 연안을 제외하곤 낮은 값을 보이고 있었다. 상대적으로 대서양과 인도양 해역은 연중 높은 값을 보이고 있는데, 특히 대서양 해역은 아열대 해역 (35°S 부근)에서 전 해역이 높게 나타나고 남극 대륙까지 높은 농도의 패취가 광범위한 해역에 넓게 분포함을 알 수 있었다. 연구해역의 엽록소 분포는 지역적, 계절적으로 상당한 변동을 보이고 있으며, 특히 1999년 12월에는 다른 해와 유달리 높은 농도가 나타나기도 했다. 이와 같은 현상이 나타나는 요인에 대해선 더 많은 연구가 필요하겠지만 현재로선 지구 규모의 기후 변화가 생태계 역학에 영향을 주었을 가능성도 예상할 수 있다. 남극해 식물플랑크톤 분포와 일차생산력의 연간 변동을 일으키는 요인에 대한 이해는 전 세계 해양에서 남극해가 차지하는 비중을 볼 때 매우 중요한 부분이 될 것이다. 이러한 목적에서, 엽록소 측정, 생물-광학 특성, 식물플랑크톤의 광합성 특성에 관한 향상된 알고리듬의 개발이 요구된다. 13) 조사수역에서 크기별 엽록소-a 농도의 분포는 WS 해역과 SF 해역에서 차이를 보였으며, WS 해역에서 Polar front 가 형성된 정점을 제외하고는 3 ㎛ 이하의 초미소 식물플랑크톤에 의해 우점하였다. 본 조사수역에서 식물플랑크톤에 대한 원생동물의 섭식률은 0.38 d-1 ～ 0.51 d-1 해 일일 식물플랑크톤 생물량에 31.6 - 40.5 %을 차지하는 것으로 나타났다. 수괴에 따른 박테리아의 생체량 및 생산력의 분포양상과 생장제한 영양요인에 대한 분석이 진행 중에 있다. V. 연구개발 결과의 활용계획 석탄, 석유와 같은 화석연료의 사용으로 매년 대기로 방출되는 이산화탄소의 총량은 약 5 기가톤 가량이며, 대기로 방출되는 이산화탄소의 약 40% 가량이 해양으로 흡수되는 것으로 추정된다. 따라서 해양으로 흡수되는 대기이산화탄소는 매년 약 2 기가톤 가량이며, 해양의 총탄소량(total CO2) 증가율은 매년 약 1 umol Kg-1이다. 그러나 이러한 모든 추정 값은 실제 관측 값에 근거한 결과가 아니며 컴퓨터로 재현한 수치모델(numerical model)의 계산결과이다. 상당수의 수치모델과 관측자료, 해양표층수의 이산화탄소 분포와 탄산염 변화자료는 해양이 대기 이산화탄소의 가장 주요한 sink임을 보여준다. 특히 북서태평양과 남극 웨델해, 극전선을 포함하는 고위도 해역은 가장 강력한 이산화탄소의 흡수해역으로 추정되고 있다. 그러나 대양의 이산화탄소 자료와 탄소순환에 대한 자료가 아직 충분하지 않으며, 특히 고위도 해역의 관측 자료는 매우 빈약하다. 본 연구의 결과는 전지구 탄소순환과 관련된 남빙양의 역할, 특히 강력한 이산화탄소 흡수해역의 하나로 알려져 있는 남극 웨델해에서 해양탄소순환을 정량화 할 수 있는 기초 자료로 사용될 수 있다. 전 지구 환경변화로 인한 남극 해양생태계가 얼마나 변화하였는지를 비교할 수 있는 과거의 데이터가 부족하기 때문에 지난 20년간 남극 해양 환경 변화의 주요 파라미터였던 자외선의 증가로 인해 얼마나 해양 생태계가 변화하였는지는 아무도 알 수 없다. 자외선이 증가된 현재의 환경에 존재하고 있는 해양생물들의 생존율, 자외선 흡수 물질 농도, 광합성률, 성장 양상 등의 변화는 분명히 지난 20년 동안 우점종의 생물학적 지위의 변화를 야기시켜 전체 해양 생태계의 구조적 양상에 영향을 주는 주요 원인이 되었을 것이라 생각한다. 남극 성층권 오존이 원래 상태로 회복되기까지는 앞으로 몇 십 년이 더 걸릴 것으로 예상되고 있다. 앞으로의 변화 양상이라도 더 체계적으로 조사하기 위해서는 현재 존재하고 있는 세종기지 주변 생물의 구조적 양상 및 생리적, 생화학적 반응 기작에 대한 기본 연구가 지속적으로 이루어져야만 할 것이다. 이와 같은 연구가 성공적으로 수행된다면, 우리는 남극 환경 변화(자외선 증가, CO2 증가, 빙벽 후퇴, 새로운 환경 형성)에 따른 연안 환경의 기상학적, 물리-화학적, 생물학적 파라미터의 특징과 생태계의 변화 양상을 이해하고 생물의 생리, 생화학적 반응 기작 연구를 이용, 남극 환경 변화 감시 시스템 구축 및 예측 기술 개발이 가능할 것이다. 또한 유전자, 단위세포나 종 수준에서의 생리, 생화학적으로 규명된 사실을 이용, 현장 생태계 생물 군집의 종조성, 생물량, 생산력 등의 변화와 환경 요소 변화 사이의 원인 기작과 경로를 이해함으로서 세종 기지 주변 환경에서의 환경변화 및 생태계 모니터링에 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼

I. Title Oceanographic studies on Antarctic marine living resources and ecosystems II. Significance and Objectives of the study The Southern Ocean, defined as the region south of the Subtropical Convergence, covers nearly 20% of the global ocean area. The Antarctic Circumpolar Current has the larg

I. Title Oceanographic studies on Antarctic marine living resources and ecosystems II. Significance and Objectives of the study The Southern Ocean, defined as the region south of the Subtropical Convergence, covers nearly 20% of the global ocean area. The Antarctic Circumpolar Current has the largest volume flux of any major ocean current (130 Sverdrups). It is the only continuous circumglobal current and responsible for mixing of the deep waters of the other major oceans. Fluxes of carbon in the Southern Ocean are large and play an important role in the global carbon cycle, yet the magnitudes of these fluxes remain poorly constrained. Global warming is likely to perturb ocean circulation, ventilation, and biogeochemical processes in the Southern Ocean and these represent potentially significant feedbacks into the nature of global change. At present, we know too little to predict the role of the Southern Ocean in global change, or the response of biogeochemical cycles in the Southern Ocean to global warming. By successfully conducting process studies in the Southern Ocean, and then incorporating these results into ongoing efforts to construct coupled physical-biogeochemical models, we can better determine the present role of the Southern Ocean in the global carbon cycle, and improve our capability to predict the likely response of the region to anticipated global change. Antarctic marine living resource and ecosystem have been recently threatened by environmental changes such as ozone depletion, global warming, and anthrophogenic pollution. Antarctic marine organisms have been adapted in low light and temperature for the long-time scale. Small changes in their living environment such as UV radiation and temperature can result in large impacts on the Antarctic marine community structure. Thus, Antarctic marine organisms can be used as important biological parameters to detect and monitor the environmental change. In special, a microalgae may act as a optimal indicator for the environmental changes because it is a major primary producer to sustain Antarctic marine ecosystem. To understand the response of marine ecosystem to Antarctic environmental changes such as Ozone depletion and global warming, it is necessary to determine the extent to which ecological variations are driven by environmental fluctuations. As a first step in investigating the response of marine ecosystems to the environmental changes. we need to characterize the variability spectrum of the Antarctic environment. Long-term environmental changes may be resolved with investigation of suitable time series for determining the natural variability of the marine ecosystem. The main objectives of the study are following; 1) to better constrain the fluxes of carbon in the Southern Ocean and to place these fluxes into the context of the contemporary global carbon cycle. 2) to identify the factors and processes which regulate the magnitude and variability of primary productivity. 3) to understand biological response to Antarctic environmental changes. 4) to find indicator species to be used as biological indicators of environmental changes. III. Contents and Scope of the study 1) Hydrography around the South Shetland Islands during 2000/2001 austral summer 2) Distributional pattern of inorganic nutrients, chl-a, DO and TOC in the area around the South Shetland Island, Antarctica 3) Oceanographical properties around Drake Passage and South Shetland Islands, Antarctica, during Austral summer 2000-2001 4) Distribution and biomass of Antarctic krill (Euphausia superba) around South Shetland Islands during 2000/2001 austral summer 5) The relationship between the primary production and iron in the Antarctic Polar Front 6) Seasonal variations of particle fluxes in the Bransfield Strait in 2000, Antarctica 7) 1999/2000 relative abundance of diatoms in year-round sediment trap materials from the Bransfield Strait, Antarctica 8) CTD observation in Drake Passage in November-December 2001 9) Surface pCO2 distribution across the Polar Front in the Drake Passage and northwestern Weddell Sea 10) Accurate analysis of iron in seawaters of the Weddell Sea and the polar front area(Antarctica) 11) Distribution pattern of phytoplankton in the Sub-Antarctic and the Antarctic in the western Atlantic Ocean 12) Satellite imagery of chlorophyll in the Antarctic Ocean 13) Ecological studies on the bacterioplankton and planktonic protists in the Antarctic Ocean during KARP-15 IV. Results of the study 1) Compared with the results of 1999/2000 survey, Winter Water (WW) was less intense but the strength of Circumpolar Deep Water (CDW) was about the same in the north of the South Shetland Islands. V-shaped density field was found in north eastern Bransfield Basin along north-south transect. Antarctic Slope Front Water (ASFW) of the Weddell Sea origin appeared at the southern end of the transect. In the east-west transect of the Bransfield strait, strong thermocline was formed above 100 m depth due to Antarctic Surface Water (AASW), with the water column below 100 m depth relatively well stratified. Water masses were classified into 5 types by T/S diagram. The buoyancy frequencies of water column were about 2 ～ 4 cycles/hr above 200 m depth, and under 1 cycle/hr below 200 m depth. 2) Northern open sea of South Shetland Islands was characterized with relatively high temperature and low salinity in surface water, and strong thermocline was found between 75m and 100m. In contrast, surface water of northern coastal sea showed lower temperature and higher salinity than those of northern open sea, and well mixed entirely. Surface water of southern sea (Bransfield Strait) of South Shetland Islands showed higher temperature than northern open and coastal sea, and surface salinity showed similar value to northern coastal sea. Temperature decreased and salinity increased with depth smoothly in this sea. Concentrations of inorganic nutrients were low in the surface layer of northern open sea but sharply decrease with depth. On the contrary, the highest concentration was found in northern coastal sea. Nutrients in southern sea (Bransfield Strait) showed the lowest value but distribution was practically regular with depth. Chl-a of phytoplankton showed the lowest value in northern open sea, and relatively high concentration was found at surface water of coastal sea of South Shetland Islands. Dissolved oxygen showed similar distributional patterns in the study area entirely but sharply decreased with depth in northern open sea. Concentration of total organic carbon was the lowest in northern open sea, and very high value above 20 ㎎ℓ-1 was found in central area of coastal sea. 3) Temperature at 10m water depth was relatively low in the north of the South Shetland Islands and high in the Bransfield Strait. Salinity at 10m water depth was low in the north of the South Shetland Islands and increased toward the Bransfield Strait. Nutrients at 10 m water depth was low in the open sea area and high in the area near the South Shetland Islands. Chlorophyll-a at 10m water depth was also low in the open sea area and high in the area near the South Shetland Islands and near the Weddell Sea. Chlorophyll-a and silicate at 10m water depth around the South Shetland Islands were showed positive correlation and also silicate and salinity were. It ascribed that the main primary producers around the South Shetland Islands during 2000/2001 season were siliceous phytoplanktons favoring the high salinity and high silicate environment. 4) Krill swarms of higher density in this season were found in the north of the South Shetland Islands, the east of the Elephant Island, and the central part of the Bransfield Strait. Mean density of the entire survey area was about 43.9 g/m2, and the estimated krill biomass was 3,293×103 tonne (CV=17.19%). Temporal variation of mean krill density during the survey was not great in the north of the South Shetland Islands. Mean krill density in Bransfield Strait, however, varied within the survey period, increasing in late December. 5) Vertically integrated primary production ranged 27.08 ～ 837.93 ㎎ C m-2 hr-1. Surface productivity showed higher values appeared along the Bransfield Strait and around the Elephant Island. However, vertically integrated productivity values showed higher values near coastal stations than the offshore stations. New production ranged 0.88 - 12.88 mg N m-2 h-1, regenerated production ranged 2.11 - 16.30 mg N m-2 h-1. The f-ratio, which is the fraction of new production from primary production, ranged 0.14 - 0.97(mean = 0.36±0.18), which is the characteristics of the open ocean values. The addition of iron or FeEDTA increased the chlorophyll a concentration significantly after 5 day incubation. However, the addition of chelator alone did not increase chlorophyll. The addition of iron in excess of 1 μM did not act as the stimulating agent for the phytoplankton growth. DTPA, which is a very strong chelator, act as the limiting factor for the phytoplankton by reducing the bio-availability of iron. 6) Particle fluxes showed extremely large temporal and spatial variations. Total mass fluxes showed distinct seasonal variations with high fluxes in the austral summer and low fluxes in the austral winter at a 678 m water depth in the eastern Bransfield Strait, meanwhile they were high only in January and fairly low in other months at a 960 m water depth in the central Bransfield Strait. Organic carbon fluxes also exhibited distinct seasonal variation at a 678 m water depth in the eastern Bransfield Strait, which appears to be closely related to the seasonal variations of primary production in the surface waters. The reason that total mass fluxes occurred only in January at a 960 m water depth in the central Bransfield Strait seems to be the strong tidal current in the surface waters, which leads to a substantial amount of terrestrial materials and locally produced organic matter being advected away from the mooring site. Total mass fluxes were very high from January to October at a 1678 m water depth in the eastern Bransfield Strait, meanwhile they were high only in January and February at a 1860 m water depth in the central Bransfield Strait. The fact that total mass fluxes were higher at the deep water in the both sites than at the intermediate water depth indicates that a substantial amount of terrestrial and organic materials are laterally transported by the strong tidal current from the shallow environments to the deep basins where sediment traps were deployed. 7) Relative abundances of Minidiscus chilensis, Unidentified Thalassiosira species., and Fragilariopsis spp. were high at 1,000 m of water depth in KAST-1 and Chaetoceros cyst and Thalassiosira spp. were abundance species at 2,000 m. In the case of KAST-2, relative abundances of Minidiscus chilensis and Chaetoceros cyst were high at 1,000 m and Chaetoceros cyst and Pseudo-nitzschia heimii were abundance species at 2,000 m. 8) CTD observation was carried out at 17 sites located at 52°- 60°S along 52°W and 58°- 60.5°S along 59°W in Drake Passage by using the Russian RV Yuzhmorgeologiya from 30 November to 6 December 2001. Five major water masses can be classified: the warm surface water in the region north of the polar front, surface water in the frontal region, cold surface water in the region south of the polar front, maximum salinity water distributed in the 1000 - 3000 depths, and deep cold water. The Polar Front appears in the region of 56°- 57°N for the whole observed depth. The maximum frontal strength is shown at the 200 - 300 m depths with its lateral gradient of 3 ℃/100km. The vertical density structure suggests that the flow is most strong in the frontal region. 9) Carbonate parameters were measured across the Polar Front in the Drake Passage and in the northwestern Weddell Sea in the 2002-2003 austral summer. Sea surface temperature, salinity, and pCO2 were automatically measured every 2 minute by the flowing pCO2 system. Water samples were also collected every hour to follow the changes in nutrients and chlorophyll concentrations along the cruise survey lines. Sea surface temperature and salinity fluctuated greatly across the Polar Front. Strong variations were also observed in nutrient concentrations across the front. Silicate concentrations significantly increased traversing the frontal zone as well as nitrate and phosphate toward the south. Higher surface pCO2 values (>400 ppmv) were observed along most of the cruise survey lines, while atmospheric pCO2 showed relatively constant values (ca 360 ppmv). Clear correlation between pCO2 and nutrients in the south of the Polar Front suggests that the biological removal of CO2 is more efficient in the south of the front (in the Silica Ocean) than in the north of the front (the Carbonate Ocean) during the study cruise periods. 10) In recent, there have been major advances in analytical instrumentation and methodology for trace elements, and greater attention has been given to assuring the elimination of contamination during sampling, storage, and analysis. Because of these improvements, the significance of iron as a limiting factor in primary productivity of HNLC areas have been recognized. In order to understand the iron hypothesis in the Antarctic Sea, the surface seawater samples were collected in the Weddell Sea and the Antarctic polar front area in November -December, 2001. The samples for dissolved and particulate iron analyses were filtered through a pre-washed polycarbonate membrane filter(0.4㎛ isopore) into a cleaned polyethylene storage bottle where it was acidified to pH<2 with high purity hydrochloric acid. The bottle was double wrapped in polyethylene bags. All sample manipulations were carried out in a Class-100 laminar-flow bench to minimize possible airborne contamination. We must consider the problem of how to prevent the contamination in sampling under the bad weather condition of this cruise. 11) Chlorophyll a concentraitons were measured to investigate the relations between physico-chemical factors and phytoplankton biomass distribution. Chl a values ranged from 0.14 to 2.42 mg chl a m-3 (mean of 0.93 mg chl a m-3) in the overall surface stations. The highest values of the chl a concentrations (1.08 - 2.42 mg chl a m-3) were found in the Mangellan Strait and near Forkland Island in the Sub-Antarctic. Nanoplanktonic (<20 ？m) phytoflagellates were the important contributors for the increase of the chl a in the pelagic reion. The nano-sized phytoflagellates accounted for more than 80% of the total chl a biomass in the pelagic regions of the Sub-Antarctic and the Antarctic. Mean chl a concentration in the Sub-Antarctic (0.92 mg chl a m-3) was 0.05 mg chl a m-3 lower than in the Antarctic (0.97 mg chl a m-3), but it was not big difference between two areas. The phytoplankton community of the diatom (>20 ？m) dominated-bloom in the Sub-Antarctic was different with phytoflagellate (<20 ？m) dominated-bloom formed in the Antarctic. Autotrophic pico- and nanoplankton contributed >80% to total chlorophyll a in regions with low chlorophyll a concentrations, but microplankton contributed >50% in regions where phytoplankton biomass accumulated (Magellan Strait region, Forkland Island region). As expected, chlorophyll stocks in the the open waters of the Sub-Antarctic and ACC region were monotonously low (<1.0 mg chl a m-3) throughout the study, while a negligible build-up (<0.5 mmg chl a m-3) of phytoplankton biomass was observed in association with Polar Front region (PFr). In striking contrast to this unexpected poverty of the PFr, phytoplankton increases (>1.0 mg chl a m-3), dominated by diatoms and Cryptomonas species, accumulated in coastal regions of the Sub-Antarctic (Magellan Strait and Forkland Island regions) and the Antarctic (Bransfield Strait and Maxwell Bay regions), respectively. The higher chlorophyll a concentrations in the Sub-Antarctic zone of the Atlantic Ocean may be caused by the higher deposition rate in the aeolian supply of dust (Fe input) from the Patagonian desert, more favourable light conditions and vertical stability and a virtual absence of larger grazers. The monotonously low biomass levels of the Polar Front region may be maintained by the combination of low growth rates due to deep mixing, lower iron availability and high grazing pressure (salp swarms). 12) Application of remote sensing data is desirable for mapping of phytoplankton biomass and primary production in the Southern Ocean. Study area include the Weddell Sea and Drake Passage near by South Sheteland Islands which are under the influence of Antarctic Circumpolar Current and Antarctic Polar Front. We investigated monthly and yearly variations of chlorophyll distribution using SeaWiFS images from September 1997 through September 2001. The purposes of this study are to review the past results and to provide background informations for deciding future study direction. Generally, chlorophyll concentration was higher in the Antarctic coast, and lower in the southern Pacific Ocean except coastal seas around New Zealand and Chile. Chlorophyll concentration was also higher in the southern Atlantic Ocean and Indian Ocean than that of Pacific Ocean, especially the concentration was higher from subtropical region (circa 35°S) to Antarctica in the Atlantic Ocean all the year round. There were large seasonal and spatial variabilities in chlorophyll distribution in the study area, and especially the concentration was conspicuously higher in December 1999 than that of other years. It is possible that global climate change can influence ecosystem dynamics. Understanding the causes of year-to-year variability of chlorophyll distribution and primary productivity in the Southern Ocean would be of fundamental importance. To this end, studies are desirable for better algorithm of chlorophyll estimation, bio-optical properties, and photosynthetic properties of phytoplankton among other things 13) Distributions of chlorophyll-a in the WS region was different from that in the SF region. Generally, pico-sized (< 3 ㎛) phytoplankton dominated in the WS region. Protozoan grazing on the phytoplankton appeared to be 0.38 ~ 0.51 d-1, which accounted for 31.6 ~ 40.5%of daily phytoplankton biomass. Bacterial biomass and production with physico-chemical properties of water column together with limiting resources for the bacterial growth are being analyzed. V. Further application of the study Total annual CO2 emission by fossil fuel combustion is about 5 Gt C, of which 40% is supposed to be removed into the ocean. About 2 Gt C of atmospheric CO2 is removed into the ocean, and the total CO2 concentration in the ocean increases annually by 1 μmolkg-1. However these results are obtained from numerical model, not form real observations. Based on the numerical model and field observations, ocean acts as the most important sink for the atmospheric CO2. In especial, northwest Pacific and Southern Ocean are supposed to be the most important CO2 sink areas in the ocean. However, works on CO2 measurements and the carbon cycle have not been sufficiently conducted in the ocean, especially in the high latitude oceans. The results of our study can be properly used as fundamental data to quantify the carbon cycle in the Weddell Sea where a large amount of atmospheric CO2 sinks. Small elevations in climate temperature may have profound effects on the activity threshold of the primary producers. Long-term research has focused on the ability of the primary producers to initiate the growing process on recently deglaciated ground. This light-dependent process is vulnerable to environmental change because of the restriction of their growth to the shallow photic zone. Although the primary producers respond rapidly to environmental changes, the rate of climate change is relatively slow despite its long-term significance. There is increasing evidence of climate change in the Antarctic, especially elevated temperature and ultraviolet B (UV-B) flux within the ozone "hole." Its origins are debatable, but the effects on ice recession, water availability, and summer growth conditions are demonstrable. Light-dependent, temperature-sensitive, fast-growing organisms respond to these physical and biogeochemical changes. Marine primary producers such as micro- and macroalgae, which are pioneer endemic species and important carbon contributors in the Antarctic waters, are therefore highly suitable biological indicators of such changes. By virtue of light requirement, the primary producers are exposed to extreme seasonal fluctuations in temperature, photosynthetically active radiation, and UV radiation. The physical changes in climate, although significant in the long term, are gradual. The changes can be therefore amplified experimentally. Local environmental warming and increased UV-B radiation during ozone depletion may have profound effects on the primary producers that are primary carbon producers in the Antarctic waters. To demonstrate biological response to change, standardized representative natural and biological parameters are needed so that replicate samples (including controls) can be taken over extended periods of time. Throughout the study, we expect to understand environmental changes in the Antarctic and the effects on primary producers and to find indicator species to be used as biological indicators of environmental changes near King Sejong Station, Antarctica.

목차 Contents

• 제 1 장 2000/2001 남극 South Shetland 군도 주변 해역의 해양특성 연구...35
• 제 1 절 South Shetland 군도 주변 해역의 해양물리 특성 : 2000/2001 남극 하계...36
• 제 2 절 남극 남쉐틀랜드 군도 주변 해역의 무기 영양염, chl- a, 용존산소 및 총유기탄소 분포양상...63
• 제 3 절 남극 Drake 해협과 South Shetland 군도 주변해역의 해양환경 특성 : 2000/2001 남극하계...83
• 제 4 절 South Shetland 군도 주변 해역의 크릴 분포와 자원량 : 2000/2001 남극 하계...105
• 제 5 절 남극 극전선역의 일차생산과 철이온의 상관관계...125
• 제 6 절 남극 브랜스필드 해협에서 2000년 1년 동안 입자 플럭스의 계절변화...145
• 제 7 절 1999/2000 퇴적물 포집기를 이용한 남극 브랜스필드 해협 규조의 상대적 분포...177
• 제 2 장 2001/2002 남극 드레이크해협과 북서웨델해 극전선의 해양 특성 연구...193
• 제 1 절 Drake Passage 해역의 해수 특성...194
• 제 2 절 남극 드레이크 해협과 북서 웨델해 극전선의 표층 pCO2 분포...209
• 제 3 절 남극 웨델해 극전선과 해빙해역의 철이온 정밀분석...231
• 제 4 절 서대서양 아남극과 남극해의 식물플랑크톤 분포양상...252
• 제 5 절 남극해의 엽록소 위성 영상...302
• 제 6 절 남극 웨델해 극전선 및 해빙해역의 미생물 생태 연구...323