해양 중규모 수평 교란이란?

해양 표층에서는 바람과 다른 에너지원의 작용으로 섞이는 혼합 (mixing) 과정뿐만 아니라 휘저어지는 과정, 즉, 교란(stirring) 과정이 발생합니다. 만약 수십 수백 킬로 미터 정도의 수평적 규모에서 교란 과정이 일어날 경우, 이를 중규모 수평 교란이라 부릅니다. 교란은 일반적인 혼합(mixing)이나 난류(turbulence)와 구분되며, 동역학적이고 구조적인 수평적 재배열 과정을 의미합니다. 교란으로 유체가 얇고 길게 늘려지고 휘감기게 되며, 궁극적으로 난류가 생성되어 물질의 성질이 혼합되는데 기여합니다.

해양 중규모 수평 교란 왜 중요할까?

중규모 수평 교란은 열과 영양분을 이동시키고 재분배함으로써 상층 해양 플랑크톤의 분포를 결정합니다. 또한, 가까운 유체 입자가 시간에 따라 늘어나고, 휘감기고, 공간적으로 분리되는 것은 어란과 유충뿐만 아니라 미세 플라스틱과 같은 오염 물질의 확산도 제어하게 됩니다. 적정 수준의 교란은 어류 개체군과 서식지를 지리적으로 연결하여 유전적 교류를 촉진할 수 있습니다. 하지만 교란의 강도가 적정 수준 이상으로 증가할 경우, 치어가 생존하기엔 부적합한 지역으로 이동되어 생존하지 못할 가능성이 커질 수 있습니다. 즉, 중규모 수평 교란의 미래 변화는 미래 해양 생태계와 해양 오염물질 확산에 중대한 변화를 초래할 수 있습니다.

본 연구의 도전성

지구온난화가 극지역 소규모 해류와 해양 생태계에 미치는 영향을 정량적으로 규명하는 일은 여전히 어려운 과제로 남아있습니다. 이는 극지방의 지리적 접근성의 한계로 선박 관측이 제한되고 위성관측 활용에도 제약이 크기 때문입니다. 이러한 이유로 기후과학자들은 기후 컴퓨터 모델에 크게 의존해 왔습니다. 하지만 현세대 모델의 일반적 공간 해상도로는 중규모 수평 교란, 난류 및 수평 혼합을 유발하는 소⦁중규모해양 과정을 모의하기 어렵습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 IBS 연구팀은 IBS 슈퍼컴퓨터 ‘Aleph’를 활용하여 커뮤니티 지구 시스템 모델 버전 1.2.2(CESM-UHR)로 수행한 초고해상도 지구온난화 실험 결과를 분석했습니다. 사용한 모델은 대기-해빙-해양 구성요소를 통합한 완전 결합 기후모델로, 대기 0.25⁰ 및 해양 0.1⁰의 수평 격자를 통해 기후시스템 내 상호작용을 보다 현실적으로 재현합니다. 이러한 초고해상도 결합모델을 활용해 미래 해양의 수평 교란 특성 변화를 전지구 규모에서 체계적으로 평가한 연구는 본 연구가 최초입니다. 본 연구는 부산대학교 기후시스템협동과정 박사과정 학생인 이규석 학생을 중심으로 수행되었습니다.

그림 1. 현재 기후(PD)와 CO₂ 농도가 4배 증가한(4×CO₂) 상태에서 북극해와 남극해의 수평 교란(유한 크기 리아프노프 지수: FSLE), 해류 속도 및 해빙 농도.

지구온난화에 따른 중규모 수평 교란 반응 연구

대기 중 이산화탄소의 현재 농도, 농도 2배증, 그리고 4배증 조건하에서의 모의실험을 비교 분석해 인위적 지구온난화에 중규모 수평 교란이 어떻게 반응하는지를 연구했습니다. 유체가 길쭉한 필라멘트 구조로 늘어나는 현상을 정량화하기 위해 본 연구는 유한 크기 리아프노프 지수(Finite-Size Lyapunov Exponents: FSLE)를 활용했습니다. FSLE 지수는 인접한 유체 입자가 수 십에서 수 백 킬로미터 규모의 중규모 해양 에디, 구불한 흐름, 그리고 해양 전선 등으로 얼마나 빠르게 분리되는지 추적합니다. 값이 커질수록 상층 해양 흐름이 빠르게 분리되게 됩니다.

지구온난화에 따른 극지역 해양 수평 교란 강화 메커니즘 규명

지구온난화 실험 분석 결과, 미래 북극해 및 남극 연안 해역을 따라 중규모 수평 교란이 뚜렷하게 강화될 것으로 전망되었습니다(그림 1). 이러한 변화는 지구온난화로 인한 해빙의 급격한 감소에 주로 기인하며, 북극과 남극에서 해빙 감소와 중규모 교란의 강화를 연결하는 메커니즘이 서로 다름이 제시되었습니다. 북극해에서 해빙의 소실은 해양으로 유입되는 역학적 에너지를 증가시킵니다. 해빙의 방해가 없어지면서 시계 방향으로 부는 대기 하층 바람은 평균 해류 세기를 강화하고, 상층 해류 에디 행성을 촉진하며, 중규모 수평 교란과 난류의 강화를 초래합니다. 반면, 남극 연안 해역에서는 해빙의 감소로 인한 연안 담수화 현상이 남북방향 해수 밀도 차이를 강화시켜 남극 연안 해역 해류 및 중규모 수평 교란을 강화시킬 수 있습니다.

차후 연구 방향

극지방 해양의 중규모 수평 교란 강화 현상은 해양 생태계와 해양 오염물질 확산에 중대한 변화를 초래할 수 있기 때문에 이에 대한 추가적 연구가 시급합니다. 본 연구 결과의 생태학적 함의를 구체적으로 규명하기 위해서는 플랑크톤과 어류에 대한 수치 모델을 포함한 초고해상도 지구 시스템 모델 컴퓨터 모의실험이 추가적으로 수행될 필요가 있습니다. 현재 기후물리연구단에서는 Axel Timmermann 연구 단장님을 중심으로 기후와 생명의 상호작용을 보다 효과적으로 통합하는 차세대 지구 시스템 모델을 개발 중에 있습니다. 이를 통해 극지 생태계가 지구온난화에 어떻게 반응하는지에 대한 이해를 차후 더욱 심화할 것 있을 것으로 기대됩니다.

본 콘텐츠는 IBS 공식 블로그에 게재되며, https://blog.naver.com/ibs_official 에서 확인하실 수 있습니다.