세계에서 가장 무거운 해수로 알려져 있는 남극 저층수는 웨델해와 로스해, 아델리 연안의 세 곳에서 생성된다. 그런데 최근 일본 연구팀이 지금까지 알려지지 않은 단리 곶(Cape Darnley) 연안에서도 남극 저층수가 생성된다는 사실을 알아냈다.
저층수란 남극 주위에서 기온이 내려가면 해빙이 형성되면서 염분이 빠져나와 밀도가 커져 아래로 가라앉은 해수를 가리킨다. 이때 상대적으로 밀도가 낮은 해수는 위로 떠올라 심층수의 순환이 일어나게 된다. 해류 같은 표층 순환은 주로 바람 때문에 발생하지만, 이렇게 심층에서 일어나는 해수의 순환은 주로 수온과 염분에 의해 달라지는 밀도의 차이에 의해 일어나므로 ‘열염순환(熱鹽循環)’이라고도 한다.
세계적인 심층수 형성 해역으로는 남극 대륙 주변과 북극 부근의 래브라도 해역, 그리고 지중해가 있다. 지중해의 경우 강한 증발에 의해 염분이 높아져 밀도가 커진 경우이다.
현재 전 세계 해양에는 제일 밑바닥에 남극 저층수가 존재하며, 남극 저층수 위에는 북대서양 심층수가 존재한다. 북대서양 심층수는 북극해에서 생성된 온도가 낮고 밀도가 큰 물이 북대서양으로 흐르면서 만들어진 것이다.
남극 저층수 기운의 물은 지구 전체 해수의 30~40%를 차지하고 있는데, 무거운 물의 하강이 약하게 되거나 하강 장소가 변하면 해양 심층순환이 변한다. 해양이 가진 열용량은 상당히 크므로 이처럼 심층순환이 변할 경우 지구상의 기후가 급변하게 된다.
홋카이도대학 저온과학연구소를 중심으로 테즈메이니아대학, 도쿄해양대학, 국립극지연구소 등의 공동 연구팀이 이뤄낸 남극 저층수 생성지역의 새로운 발견은 지금까지의 해양 심층순환 현상을 일부 바꿀 수 있으며, 지구의 기후를 결정하는 해양 대기순환과 그 변동의 이해와도 관련된 연구라는 점에서 주목을 끌고 있다.


남극해의 제2 해빙 생산 지역



연구팀은 인공위성 데이터를 구사한 해빙 정보를 도출해 해양의 어느 곳에서 어느 정도의 해빙이 생산되는가를 세계에서 처음으로 나타냈는데, 그 결과 이번에 새로이 발견된 단리 곶이 남극해에서 제2위의 생산량을 나타내는 해빙생산영역이라는 사실을 밝혀냈다.
이번 연구는 계류계 관측, 인공위성 관측, 바이오 로깅(bio logging)이라는 세 가지 방법을 이용해 진행되었다. 계류계 관측은 부표와 추가 달린 로프에 계측기를 달아 관측하는 방법으로서, 단리 곶 연안에 4개의 계류계를 설치해 1년간 수온 및 염분, 유속의 장기 데이터를 취득했다. 그 결과 무거운 물이 대륙붕부터 협곡을 따라 유출되어 저층수가 되는 모습을 직접 관찰하는 데 성공한 것.
계류계 관측과 인공위성 관측을 종합한 결과, 단리 곶 연안을 기원으로 하는 남극 저층수의 생성량은 매초당 65~150만m
지금까지 저층수 생성에는 로스해나 웨델해와 같이 넓은 대륙붕, 웅덩이 땅, 붕빙 등이 필수적인 요건이라고 생각되어 왔지만, 이번 연구 결과 이런 조건이 없더라도 해빙 생성이 강력하게 이루어진다면 저층수가 만들어진다는 사실이 밝혀졌다.
한편, 1990년대부터 해양지구연구선 등의 관측선에 의해 측정된 수온 자료를 해석한 결과, 1990년대부터 2000년대까지 약 10~15년간 태평양 전역에서 심층의 수온이 상승하고 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 수온 상승은 남극 아델리 해안에서 대기-해양 간 열교환의 변화에 의해 이 해역에서 형성되고 있는 남극 저층수가 변화된 것에 기인하고 있다.
그 후 이 같은 심층의 수온 상승은 인도양 및 대서양에서도 확인됐다. 해양은 대기에 비해 약 1천 배의 열용량을 가지므로 상당히 작은 수온 변화라도 지구 전체의 열 배분 및 기후변화에 큰 영향을 미친다.
또한 수온 상승에 따라 해수가 팽창하고 해면 상승을 일으킨다. 때문에 지구환경 변화를 정확하게 이해하기 위해서는 수온 상승 등의 해양 심층 변화에 대해 잘 알아야 한다. 그러나 해양 심층의 관측 자료가 상당히 적어 해양 심층에서 일어나는 변화에 대해서는 거의 알려지지 않았다.
더구나 남극해는 접근이 어려울 뿐더러 기상 및 해양 환경이 상당히 좋지 않으므로 선박에 의해 장기간 관측을 수행하는 것도 사실상 불가능하다.


세계 최초로 남극 저층수의 장기 관측 시도



그런데 최근 일본의 독립행정법인 해양연구개발기구에서 심해용 프로파일 플로트를 이용해 세계에서 처음으로 남극 저층수의 장기 관측을 남극해에서 개시해 주목을 끌고 있다.
지구 기후시스템의 중요한 요소인 남극 저층수는 남극해의 수심 약 3천500m보다도 심층에 분포하고 있다. 이번에 개발된 심해용 프로파일 플로트는 최대 수심 4천m까지 관측할 수 있어 남극 심층수의 상세한 구조를 장기간 연속해 관측할 수 있는 것이 특징이다.
프로파일 플로트는 계절 및 기상 환경에 좌우되지 않고 장기간 지속적으로 바다 속을 관찰할 수 있으며, 비용 대비 효과가 높기 때문에 최근 해양 관측에 자주 이용되고 있다. 하지만 기능적인 제약으로 인해 수심 2천 미터까지만 관측할 수 있었다. 따라서 지금도 해양 심층의 관측은 관측선에 주로 의존하고 있는 것이 현실이다.
그런데 일본 해양연구개발기구가 츠루미세이키 사와 공동으로 개발한 이 프로파일 플로트는 2012년 여름 태평양에서 실시한 해역 시험에서 수심 4천m까지의 연속 관측에 성공한 바 있다.
일본 해양연구개발기구에서는 태평양 전역에서의 심층 수온 상승의 원인인 남극 아델리 해안에서 형성되는 남극 저층수의 변화와 그 영향이 태평양에 전파되는 모습을 관측하기 위해 지난해 12월 4대의 심해용 프로파일 플로트를 투입해 향후 1년 이상 관측을 수행할 계획이다.
현재 4대의 심해용 프로파일 플로트는 수심 3천700m보다 깊은 심층에서 관측자료를 얻고 있는데, 1월에 관측된 자료에 의하면 아델리 해안의 저층수는 수온이 0.4~0℃, 염분이 34.65~34.7‰로 나타났다. 4대의 프로파일 플로트 중 1대는 남극 저층수의 변화가 태평양에 전파되는 경로에 있는 뉴질랜드 남동쪽 해안에 설치되어 있어, 이번 연구가 성공할 경우 태평양 심해의 수온 상승 메커니즘에 대한 이해가 크게 발전할 것으로 기대하고 있다.