남극순환류
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1. 개요
남극순환류는 대서양, 인도양, 태평양을 연결하는 세계에서 가장 강력한 해류 시스템이다. 이 해류는 지형과 해저 지형의 영향을 받으며, 아열대 전선, 남극 전선, 남부 ACC 전선 등 세 개의 주요 전선으로 구성된다. 남극순환류는 남극해 위도의 강한 서풍에 의해 움직이며, 해양 와류, 대기 폭풍 등의 영향도 받는다. 이 해류는 지구의 열염 순환과 밀접하게 관련되어 있으며, 식물성 플랑크톤의 번식과 탄소 흡수에 중요한 역할을 한다. 최근 연구에 따르면 기후 변화로 인해 남극순환류가 약화될 가능성이 있으며, 이는 지구 기후와 해양 생태계에 광범위한 영향을 미칠 수 있다.
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| 남극순환류 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 위치 | 남극해 |
| 순환 방향 | 시계 방향 (서에서 동으로) |
| 특징 | 지구에서 가장 강력한 해류 |
| 중요성 | 지구 기후 조절에 중요한 역할 열과 영양분을 전 세계적으로 운반 |
| 물리적 특성 | |
| 폭 | 약 2,000 km |
| 깊이 | 표면에서 해저까지 (4,000 m 이상) |
| 유속 | 위치에 따라 다르지만, 일반적으로 느림 |
| 수송량 | 약 1억 3천만 ~ 1억 5천만 자콥 |
| 영향 요인 | 바람 해수면 온도 염분 |
| 주요 지점 | |
| 드레이크 해협 | 남극 순환 해류가 통과하는 가장 좁은 지점 |
| 남극 수렴대 | 차가운 남극 해수와 따뜻한 아남극 해수가 만나는 지역 |
| 해양과의 연결 | |
| 전지구 열염순환 | 전지구적인 열염순환과 연결됨 |
| 영향 | |
| 기후 | 전 지구 기후 시스템에 중요한 영향 |
| 해양 생태계 | 남극 해양 생태계 유지에 필수적 역할 |
2. 구조
남극순환류는 대서양, 태평양, 인도양을 연결하며, 이들 사이의 주요 교환 경로 역할을 한다. 이 해류는 지형과 수심 특징에 의해 강하게 제약받는다. 남미와 남극반도 사이의 드레이크 해협을 통해 흐르며, 스코티아 아크(Scotia Arc)에 의해 동쪽으로 갈라진다. 이때 얕고 따뜻한 해류는 포클랜드 해류에서 북쪽으로 흐르고, 더 깊은 해류는 동쪽으로 더 이동한 다음 북쪽으로 방향을 튼다. 인도양을 지나면서, 아굴라스 해류를 역류시켜 아굴라스 회귀 해류를 형성하기 전에 케르겔렌 해대에 의해 분리된 다음 다시 북쪽으로 이동한다. 동남 태평양의 대양저 산맥을 지날 때도 굴절이 관찰된다.[1]
해류는 해륙 분포나 해저 지형의 영향을 받아 변화한다. 대서양 중앙 해령의 남단, 인도양의 케르겔렌 해저 고원, 동태평양 해령의 말단 등 해저가 얕은 곳에서는 유향이 북쪽으로 꺾이고, 이를 넘으면 남쪽으로 꺾인다. 얕은 해저 지형의 하류 측에서는 해양 소용돌이의 형성이 활발하게 일어나 수괴 교환의 핫스팟이 된다.[3]
남극 순환류는 복수의 해양 전선에 따른 동향류 제트(jet)로 구성되어 있으며, 주요 전선으로는 남극 아한대 전선(SAF), 남극 전선(PF), 남부 ACC 전선 (SACC)이 있다. 남극 순환류의 남쪽 한계인 Southern Boundary (SB)는 상부 자오선 순환의 남쪽 한계에 해당한다. 남극 순환류의 더 남쪽에는 대륙붕 경사를 따라 서쪽으로 흐르는 남극 경사류가 존재하며, 남극 순환류와의 사이에서 시계 방향의 아한대 순환 (극 순환이라고도 함)을 형성하고 있다.[4]
2. 1. 전선 (Fronts)
남극순환류에는 남극 아한대 전선 (SAF), 남극 전선 (PF), 남부 ACC 전선 (SACC)의 세 가지 전선이 나타난다.[4] 또한, 남극해는 아열대 전선 (STF)에 의해 더 따뜻하고 염분 농도가 높은 아열대 해수와 분리된다.[5]ACC의 북쪽 경계는 SAF의 북쪽 가장자리로 정의되는데, 이곳은 드레이크 해협을 통과하여 순환하는 가장 북쪽 해역이다. ACC 수송량의 대부분은 이 전선에서 나타나며, 아한대 모드 수의 염분 최소값이나 두꺼운 비성층화 층이 처음 나타나는 위도로 정의된다. 이는 온도에 의한 밀도 성층화가 허용되기 때문이다. 더 남쪽에는 PF가 있는데, 이는 표면에서 매우 차갑고 상대적으로 신선한 남극 표층수로 바뀌는 것으로 나타난다. 여기서는 낮은 온도로 인해 염분이 밀도 성층화를 지배하여 온도 최소값이 허용된다. 더 남쪽으로 가면 SACC가 있으며, 이는 극심해수의 최남단 (400m에서 약 2°C)으로 결정된다. 이 해수는 서부 남극반도의 대륙붕 경계를 따라 흐르며 드레이크 해협을 통과하여 순환하는 가장 남쪽 해수를 나타낸다. 수송량의 대부분은 중간의 두 전선에서 나타난다.
2. 2. 해저 지형의 영향
남극순환류는 대서양, 태평양, 인도양을 연결하며, 이들 사이의 주요 교환 경로 역할을 한다. 이 해류는 지형과 수심 특징에 의해 강하게 제약받는다. 남미에서 시작하여 추적하면, 드레이크 해협을 통해 남미와 남극 반도 사이를 흐르고, 동쪽으로 스코샤 호에 의해 분리된다. 얕고 따뜻한 지류는 포클랜드 해류에서 북쪽으로 흐르고, 더 깊은 지류는 호를 통과하여 동쪽으로 더 이동한 다음 북쪽으로 방향을 튼다. 인도양을 통과하면서, 아굴라스 해류를 역류시켜 아굴라스 회귀 해류를 형성하기 전에 케르겔렌 고원에 의해 분리된 다음 다시 북쪽으로 이동한다. 동남 태평양의 대양저 산맥을 지날 때도 굴절이 관찰된다.[1]해류는 해륙 분포나 해저 지형의 영향을 받아 변화한다. 대서양 중앙 해령의 남단, 인도양의 케르겔렌 해저 고원, 동태평양 해령의 말단 등 해저가 얕은 곳에서는 유향이 북쪽으로 꺾이고, 이를 넘으면 남쪽으로 꺾인다. 얕은 해저 지형의 하류 측에서는 해양 소용돌이의 형성이 활발하게 일어나 수괴 교환의 핫스팟이 된다.[3]
남극 순환류는 복수의 해양 전선에 따른 동향류 제트(jet)로 구성되어 있으며, 아열대 부근의 Subantarctic Front (SAF), 중심 부근의 Polar Front (PF), 아한대 부근의 Southern ACC Front (SACCF)가 주요 전선으로 알려져 있다. 남극 순환류의 남쪽 한계인 Southern Boundary (SB)는 상부 자오선 순환의 남쪽 한계에 해당한다. 남극 순환류의 더 남쪽에는 대륙붕 경사를 따라 서쪽으로 흐르는 남극 경사류가 존재하며, 남극 순환류와의 사이에서 시계 방향의 아한대 순환 (극 순환이라고도 함)을 형성하고 있다.[4]
3. 원동력
남극 순환류는 남극해 위도의 강한 편서풍에 의해 발생한다. 적도에서 오는 난류를 차단하여 남극 대륙을 급속도로 얼음 대륙으로 변화시켰다. 대략적인 해류의 중심은 태평양과 인도양에서는 남위 50도 부근, 대서양에서는 남위 60도 부근에 있다. 남극 순환 해류의 위치는 편서풍의 위도와 거의 일치한다.[30][31] 다른 해역의 풍성 순환과는 달리, 서안 경계류가 존재하지 않으므로, 편서풍이 공급하는 동쪽 방향의 운동량은 해저 지형에 기인하는 형상 응력과 균형을 이룬다.
뉴질랜드 남부의 맥코리 강 능선에서 해류는 약 4km/h 속도로 흐른다. 남극순환류는 시간에 따라 다르며, 남반구의 많은 기후에 영향을 미치는 주기적인 진동인 남극 순환 파동의 증거가 존재한다. 또한 남극 진동은 남극 바람의 위치와 강도의 변화를 포함한다. 남극 진동 경향이 지난 20년 동안 극순환류의 수송이 증가했음을 설명하기 위한 가설로 제기되어 왔다.
3. 1. 열염 순환과의 관계
극순환류는 남극해의 위도에서 부는 강한 서풍에 의해 움직인다. 대륙이 있는 위도에서는 표층수에 부는 바람이 대륙 가까이에 표층수를 쌓이게 하지만, 남극해에서는 이러한 방식으로 운동량을 상쇄할 수 없다. 바람에 의해 동쪽으로 증가하는 운동량은 코리올리 효과(전향력)에 의해 물 덩어리를 지구 자전축 바깥쪽(북쪽)으로 이동시킨다. 이 북쪽 에크만 수송은 주요 해령 시스템 깊이 아래에서 남쪽으로 향하는 압력에 의한 흐름에 의해 균형을 이룬다.몇몇 이론들은 이러한 흐름을 직접 연결하여, 남극해에서 밀도가 높은 심해수가 솟아올라 표층수로 변하고, 북쪽으로 이동하는 열염 순환과 연결시킨다. 특히, 이러한 이론은 북대서양의 열염 순환과 관련이 있다고 본다.
또 다른 이론으로, 바다의 와류(와동(유체 역학)#해양 중간 규모 와동)나 대기 폭풍, 또는 극순환류의 굴곡이 운동량을 아래로 직접 전달할 수 있다. 이는 밀도 변환 없이 물기둥 속에서 남쪽으로의 순 흐름과 융기시 북쪽으로의 순 흐름을 생성하기 때문이다. 실제로 열염 순환과 와류/굴곡 메커니즘 모두 중요할 가능성이 높다.
남극 순환류는 태평양, 대서양, 인도양을 연결하여 지구상의 열과 물질을 재분배한다. 특히, 서오스트레일리아 해류, 동오스트레일리아 해류, 페루 해류, 포클랜드 해류, 브라질 해류, 아굴라스 해류 등을 통해 수괴 교환이 이루어진다. 심층에서는 남극 연안의 해빙으로 만들어진 남극 저층수가 저위도로, 중심층에서는 그린란드 해역에서 침강한 북대서양 심층수에서 기인한 순환 심층수가 와동 확산 등에 의해 고위도로 수송된다. 이처럼 남극 순환류는 전 지구 해양 심층 순환(열염 순환)의 핵심이며, 지구의 열 순환과 탄소 순환에 매우 중요하다.
남극 순환류에 의해 동쪽으로 운반되는 순환 심층수는 남극 연안에서 가장 온도가 높고 염분이 많은 수괴이므로, 남극의 기후를 조절한다. 순환 심층수가 남극의 대륙붕으로 유입되면, 남극 선반빙하의 용해를 일으킨다. 이처럼 바다가 공급하는 열이 남극 빙상 용해의 주요 원인이다. 지구 온난화로 편서풍이 강화되면 순환 심층수의 극 방향 와동 수송을 강화하여 빙상 용해에 영향을 줄 수 있다는 우려가 있다.
4. 형성
남극순환류는 신생대 초 팔레오기 시대인 에오세와 올리고세의 경계에서 시작된 것으로 추정된다. 남극순환류의 형성은 호주와 남극 사이의 태즈매니안 항로와 드레이크 해협 형성 시기와 관련이 있다.[32]
태즈매니안 항로는 3350만 년 전 동쪽 남극 대륙과 호주가 분리되면서 해수 순환이 시작되며 형성되었다.[32] 드레이크 해협의 시작 시기는 2000만 년에서 4000만 년 사이로 추정되는데, 이는 태즈매니아 형성 시기로 추정되는 3400만 년 이전일 수 있다.[33][34]
이러한 해류의 형성으로 남극 대륙이 고립되고, 남극순환류가 냉각되면서 에오세 시대 남극 대륙에 빙하가 형성되고 지구 냉각을 야기했다는 연구 결과가 있다. 해양 모델은 이 두 해협의 개방이 극지방 열 수렴을 제한하고 해수면 온도를 몇 도 낮추는 결과를 낳았다고 보여주었다. 다른 모델에서는 이산화탄소(CO2) 수준 또한 남극의 빙하기에 중요한 역할을 했다는 것을 보여주었다.[10][11]
약 3300만 년 전 신생대 고제3기, 남극 대륙과 육지로 연결되어 있던 남아메리카 대륙과 오스트레일리아 대륙이 완전히 남극 대륙에서 분리되면서 바다가 생겨났고, 지구 자전의 영향으로 해류가 생겨났다. 적도에서 오는 난류를 차단하여 남극 대륙을 급속도로 얼음 대륙으로 변화시켰다.
5. 식물성 플랑크톤
식물성 플랑크톤은 광합성을 통해 유기물을 생산한다. 식물성 플랑크톤의 순 생산량은 수층의 수직 혼합 깊이와 임계 수심(수중 총 광합성량과 총 호흡량이 같아지는 수심) 간의 관계에 밀접하게 연관되어 있다. 임계 수심이 혼합 수심보다 깊으면 총 광합성량이 총 호흡량보다 커져 순 생산이 가능하다.[36]
5. 1. 해빙과 식물성 플랑크톤 번식
남극 해빙은 계절에 따라 순환하며, 2~3월에는 해빙량이 가장 적고, 8~9월에는 해빙이 가장 넓게 분포한다.[35] 1973년부터 위성으로 얼음 수준을 관측해 왔다. 해빙 아래에서 일어나는 심층수의 용승은 상당한 양의 영양분을 가져온다. 얼음이 녹으면서 녹은 물은 안정성을 제공하고 임계 수심은 혼합 수심보다 훨씬 낮아 순 긍정적인 1차 생산을 가능하게 한다.[36] 해빙이 물러나면서 해빙에 존재하는 조류가 번성의 첫 단계를 지배하고, 해빙이 남쪽으로 녹으면서 규조류가 지배적인 강한 번성이 뒤따른다.[36]
남극 수렴대 근처 북쪽에서는 열염 순환으로부터 영양분을 공급받아 식물성 플랑크톤 번성이 발생한다. 열린 바다에서는 규조류가 번성하고, 요각류가 이를 먹으며, 대륙에 가까워질수록 크릴이 이를 먹는다. 규조류 생산은 여름 내내 계속되며 크릴 개체군이 유지되어 많은 수의 고래류, 두족류, 물개, 조류 및 물고기를 이 지역으로 끌어들인다.[36]
식물성 플랑크톤 번성은 남반구 봄에는 일사량에 의해 제한되고, 여름에는 생물학적으로 이용 가능한 철에 의해 제한되는 것으로 여겨진다.[37] 이 지역의 생물학적 현상의 대부분은 주요 해류 전선인 아열대, 아남극, 남극 극전선을 따라 발생하며, 이는 뚜렷한 온도 변화와 관련된 지역이다.[38] 식물성 플랑크톤의 크기와 분포 또한 전선과 관련이 있다. 미세 식물성 플랑크톤(>20 μm)은 전선과 해빙 경계에서 발견되는 반면, 나노 식물성 플랑크톤 (<20 μm)은 전선 사이에서 발견된다.[39]
남극해의 식물성 플랑크톤 개체군에 대한 연구에 따르면 남극 순환 해류는 규조류가 지배적인 반면, 웨델 해에는 코코리토포리드와 규질편모조류가 풍부하다. 남서 인도양에 대한 조사는 극전선과 관련된 위치에 따라 식물성 플랑크톤 그룹의 변동성을 보여주었으며, 전선의 남쪽에서는 규조류가 지배적이고, 전선의 북쪽에서는 와편모조류와 편모조류가 더 많은 개체수를 보인다.[39]
남극 식물성 플랑크톤을 탄소 흡수원으로 연구하는 일부 연구가 진행되었다. 해빙으로 인해 남은 열린 수역은 식물성 플랑크톤 번성에 좋은 지역이다. 식물성 플랑크톤은 광합성을 하는 동안 대기에서 탄소를 흡수한다. 번성이 죽어 가라앉으면서 탄소는 수천 년 동안 퇴적물에 저장될 수 있다. 이 자연 탄소 흡수원은 매년 3500000ton의 탄소를 바다에서 제거하는 것으로 추산된다. 바다와 대기에서 흡수된 3500000ton의 탄소는 12800000ton의 이산화탄소와 같다.[40]
5. 2. 탄소 흡수원으로서의 역할
남극 해빙은 정기적으로 순환하며, 2월에서 3월까지 가장 적고, 8월부터 9월까지 최고치에 달한다.[35] 1973년부터 위성으로 얼음 수준을 관찰해 왔다. 빙하 아래의 심층수가 용승하고 빙하가 녹으면서 그 용융된 물은 많은 영양분을 가져온다. 식물성플랑크톤은 유기물을 생산하는 광합성을 한다. 이때, 식물성플랑크톤의 순 생산은 수층의 수직 혼합 깊이와 임계 수심 간의 관계와 밀접하게 연관되어 있는데, 수중 총 광합성량과 총 호흡량이 같을 때의 수심인 임계 수심이 혼합 수심보다 깊으면 총 광합성량이 총 호흡량보다 커서 순 생산이 가능하다. 따라서 이 경우 임계 수심이 혼합 수심보다 깊으므로 순 1차 생산이 가능하다.[36] 빙하가 녹으면서 해빙(海氷)에 존재하는 조류가 번식의 첫 단계를 지배하고, 남쪽 빙하가 녹은 뒤 규조류가 지배적인 강한 번성이 뒤따른다.[36]식물성플랑크톤의 번성은 규조류가 우세하고, 외해의 요각류와 대륙과 가까운 크릴새우가 이를 뜯어 먹는다. 여름 내내 규조류가 생산된다. 이에 크릴새우 개체수는 유지되고 이 지역으로 많은 수의 고래류, 두족류, 바다표범, 새, 물고기들이 유입된다.[36]
식물성플랑크톤의 번성은 남반구 봄의 복사 조도와 여름에 생물학적으로 이용 가능한 철분에 의해 제한되는 것으로 여겨진다.[37] 이 지역 생물학의 대부분은 아열대, 아남극, 남극 극지방 주요 해류 전선을 따라 발생한다. 이 지역은 온도 변화에 따라 잘 정의되어 있는 지역이다.[38] 또한 식물성플랑크톤의 크기와 분포는 전선과 관련이 있다. 마이크로식물성플랑크톤(>20μm)은 전선과 해빙의 경계에서 발견되는 반면에 나노식물성플랑크톤(<20μm)은 전선 사이에서 발견된다.[39]
남반구의 식물성플랑크톤 종에 대한 연구에 따르면 남극 순환류는 규조류가 우세하며, 웨들해는 풍부한 원석조류(coccolithophorids)와 규질편모류(silicoflagellates)가 있다는 것을 보여주었다. 또한 남서 인도양에 대한 조사에 따르면 극전선과 관련된 위치에 근거하여 식물성플랑크톤 집단이 변화함을 보여주는데, 전선의 남쪽에는 돌말류가 우세하고 전선의 북쪽에는 더 높은 개체군에 속하는 와편모류(dinoflagellates)와 편모충류(flagellates)가 우세하다.[39]
일부 연구는 온실가스 흡수원으로서의 남극 식물성플랑크톤에 관한 연구가 실행되었다. 빙하가 용융된 물이 남아있는 바다는 식물성플랑크톤이 번식하기 좋은 지역이다. 식물성플랑크톤은 광합성을 하는 동안에 대기로부터 탄소를 흡수한다. 식물성플랑크톤이 죽고 가라앉으면 탄소의 형태로 퇴적되는데, 그 탄소는 수천 년 동안 퇴적물에 저장될 수 있다. 이 자연 탄소 흡수원은 매년 바다로부터 350만 톤 정도 제거할 것이라 추정하고 있다. 바다와 대기에서 가져온 이 350만 톤의 탄소는 1280만 톤의 이산화탄소와 맞먹는다.[40]
6. 연구
2008년 5월, 19명의 과학자들이 매쿼리 단층대 해산 8곳의 지질과 생물, 그리고 남극 순환류를 연구하여 남극해의 지구 온난화의 영향을 조사했다. 이들은 대서양, 인도양, 태평양의 물을 합쳐 전 세계 모든 강에서 흐르는 물의 양을 150배까지 운반하는 원형 극류를 연구했다. 이 연구를 통해 해류에 의해 영양이 공급된 냉수 산호에 대한 손상은 오래 지속된다는 것이 밝혀졌다.[30] 또한, 남극 순환류가 수중 생물 다양성뿐만 아니라 지역 및 지구 기후에 큰 영향을 미친다는 사실이 확인되었다.[42]
이 해류는 어니스트 섀클턴의 배와 같은 나무로 된 난파선에 '선박 벌레'가 접근하는 것을 막아 보존에 기여한다.[43]
6. 1. 기후 변화의 영향
2008년 5월, 19명의 과학자들이[41] 매쿼리 단층대 해산 8곳의 지질과 생물, 그리고 남극 순환류를 연구하여 남극해의 지구 온난화의 영향을 조사했다. 순환류는 대서양, 인도양, 태평양의 해수를 합쳐 전 세계 모든 강물의 150배에 달하는 유량을 운반한다. 이 연구는 순환류에 의해 영양분을 공급받는 냉수 산호에 가해지는 피해가 오래 지속될 것이라고 밝혔다.[30] 순환류 연구 결과, 이 해류가 지역 및 지구 기후뿐만 아니라 수중 생물 다양성에 강력한 영향을 미친다는 것이 분명해졌다.[42]이 해류는 어스틴벌레와 같은 나무를 갉아먹는 해충이 어니스트 섀클턴의 배인 ''인듀어런스''와 같은 표적에 접근하는 것을 막아 나무로 된 난파선을 보존하는 데 도움을 준다.[43]
"극저온권 현황" 보고서에 따르면 남극 순환류가 약해졌다. 2050년까지 강도의 20%를 잃어 "해양 순환과 기후에 광범위한 영향"을 미칠 것으로 예상된다. 웨델해 저층수는 지난 32년 동안 부피가 30% 감소했으며, 남극 저층수는 축소될 것으로 예상된다. 이는 해양 순환, 영양분, 열 함량 및 탄소 격리에 영향을 미칠 것이다.[22] 유네스코는 이 보고서에서 처음으로 "그린란드와 남극 빙상의 융해가 다른 요인들과 함께 북극과 남극의 중요한 해류를 늦추어 훨씬 더 추운 북유럽과 미국 동부 해안을 따라 해수면 상승을 초래할 수 있다는 과학적 합의가 증가하고 있다"고 언급했다고 밝혔다.[23]
남극 순환류는 태평양, 대서양, 인도양을 연결하여 지구상의 열과 물질 재분배를 담당한다. 서, 동오스트레일리아, 페루, 포클랜드, 브라질, 아굴라스 해류 등에 의해 해수 교환이 이루어진다. 남극 순환류를 가로지르는 흐름으로서, 심층에서는 남극 연안의 해빙 생산에 기인하는 남극 저층수가 저위도 측으로 수송된다. 한편, 중심층에서는 그린란드 해역에서 침강한 북대서양 심층수에 기인하는 순환 심층수가 와동 확산 등에 의해 고위도 측으로 수송된다. 따라서 남극 순환류는 전 지구 해양 심층 순환(열염 순환)의 중추이며, 지구상의 열 순환과 탄소 순환에 있어 본질적으로 중요하다.
남극 순환류에 의해 동쪽으로 운반되는 순환 심층수는 남극 연안에서 가장 고온・고염분인 해수이기 때문에, 남극의 기후를 제어한다. 순환 심층수가 남극의 대륙붕으로 유입되면, 남극 선반빙하의 용해를 일으킨다. 이와 같이 바다가 공급하는 열이 남극 빙상 용해가 진행되는 주요 원인이 되고 있다. 지구 온난화에 따라 편서풍이 강화될 것으로 예측되는데, 바람이 강해지면 순환 심층수의 극 방향 와동 수송을 강화할 가능성이 있어 빙상 용해에 대한 영향이 우려된다.
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