바다 비말
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1. 개요
바다 비말은 바람, 파도, 백파 등이 해수면 미세층에 공기를 혼합하여 생성되는 해양 에어로졸의 일종이다. 기포가 터지면서 생성되는 필름 방울과 제트 방울, 파도가 부서지면서 생성되는 거품 방울, 그리고 파도가 해수면에 부딪히면서 생성되는 튐 방울 등이 있다. 바다 비말은 풍속, 너울, 습도, 수온 등에 영향을 받으며, 해안선에서 생성량이 높고, 겨울철에 증가하며, 유기물과 미생물을 포함한다. 또한 기후 변화에 영향을 미치며, 연안 생태계의 식물 분포와 미생물 군집에 영향을 미치고, 금속 부식의 원인이 되기도 한다.
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| 바다 비말 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 해수 입자 |
| 기원 | 바다에서 직접 형성 |
| 특성 | |
| 구성 | 해수의 성분 포함 |
| 역할 | 에어로졸 역할 구름 응결핵 역할 대기 오염 정화 번개 억제 |
| 생성 메커니즘 | 파도의 쇄파, 바람에 의한 물보라 등 |
| 크기 | 다양함 (마이크로미터 ~ 밀리미터) |
| 영향 요인 | 바람의 속도, 수온, 염도 등 |
| 관련 연구 | |
| 연구 분야 | 대기 화학 기상학 해양학 |
| 연구 내용 | 해수 비말의 생성, 이동, 화학적 변화, 기후에 미치는 영향 등 |
| 기타 | |
| 관련 용어 | 소금기 있는 공기 에어로졸 |
2. 생성
바람, 백파, 그리고 부서지는 파도가 해표면 미세층에 공기를 혼합하면, 공기는 다시 뭉쳐 기포를 형성하고, 표면으로 떠올라, 해수면 경계면에서 터진다.[6] 기포가 터질 때, 최대 천 개의 해양 에어로졸 입자를 방출하며,[6][7] 입자 크기는 나노미터에서 마이크로미터에 이르며 해수면에서 최대 20cm까지 뿜어져 나올 수 있다.[6] '''필름 방울'''은 초기 폭발로 생성된 더 작은 입자의 대부분을 차지하는 반면, '''제트 방울'''은 기포 공동의 붕괴로 생성되어 수직 제트 형태로 해수면에서 방출된다.[8][7]
바람이 많이 부는 조건에서는 물방울이 부서지는 파도의 마루에서 기계적으로 뜯겨 나온다. 이러한 메커니즘을 통해 생성된 해양 에어로졸 방울을 '''거품 방울'''이라고 하며[7] 일반적으로 크기가 더 크고 공기 중에 머무는 시간이 짧다. 파도가 해수면에 부딪히는 것도 '''튐 방울''' 형태의 해양 에어로졸을 생성한다[7]''[9]''. 해양 에어로졸의 구성은 주로 생성된 물의 구성에 따라 다르지만, 일반적으로 염분과 유기물의 혼합물이다. 몇 가지 요인이 해양 에어로졸의 생성 플럭스를 결정하며, 특히 풍속, 너울 높이, 너울 주기, 습도 및 대기와 표면 수온 간의 온도 차이가 있다.[10] 따라서 SSAs의 생산 및 크기 분포 속도는 혼합 상태에 민감하다.[19] 덜 연구된 해양 에어로졸 생성 분야는 빗방울이 해수면에 미치는 영향으로 인한 해양 에어로졸의 형성이다.[7]
바다 비말 형성에 영향을 미치는 국지적인 조건 외에도, 바다 비말 생성과 구성에는 일관된 공간적 패턴이 존재한다. 바다 비말은 공기가 바다에 혼합될 때 생성되므로, 표면 수의 난류에 의해 형성 기울기가 설정된다.[10] 해안선에서의 파도 작용은 일반적으로 난류가 가장 큰 곳이므로, 이곳에서 바다 비말 생성이 가장 높다. 난류가 심한 해안 지역에서 생성된 입자는 행성 경계층 내에서 수평으로 최대 25km까지 이동할 수 있다.[10] 해안으로부터 거리가 감소함에 따라 바다 비말 생성은 거의 전적으로 흰 파도에 의해 유지되는 수준으로 감소한다.[10] 유의미한 바다 비말을 생성할 만큼 충분히 난류가 심한 해양 표면의 비율을 흰 파도 분율이라고 한다.[6] 원해에서 바다 비말의 유일한 다른 생성 메커니즘은 직접적인 바람 작용을 통해 발생하는데, 강한 바람이 실제로 물의 표면 장력을 깨고 입자를 공기 중으로 들어 올린다.[6] 그러나 이러한 방식으로 생성된 해수의 입자는 대기 중에 떠 있기에는 너무 무거워 보통 수십 미터 이내에서 다시 바다로 떨어진다.[6]
겨울철에는 폭풍우와 강풍으로 인해 해양 비말 발생량이 증가한다.[11] 반면, 여름철에는 비교적 잔잔한 날씨로 인해 해양 비말 생산량이 감소한다.[11]
해양 비말은 생성된 물의 특성을 유지하기 때문에 계절별로 조성 변화가 크다.[11] 여름철에는 1차 생산 절정기에 표층 해양의 유기물 증가로 인해 해양 비말이 증가하며, 용존 유기 탄소(DOC)가 해양 비말 질량의 60~90%를 차지할 수 있다.[11] 겨울철에는 1차 생산이 낮아 해양 비말의 조성이 대부분 염분으로 이루어진다.[11]
바다 비말 속 유기물은 용존 유기 탄소(DOC)를 포함하며, 박테리아와 바이러스와 같은 미생물 자체도 포함한다.[12][13] 바다 비말 내 유기물의 양은 미생물학적 과정에 따라 달라지지만, 이러한 과정의 전체적인 영향은 아직 알려지지 않았다.[14][15][16] 클로로필 a는 종종 일차 생산과 바다 비말 내 유기물 함량의 지표로 사용되지만, 용존 유기 탄소 농도 추정에 대한 신뢰성은 논란의 여지가 있다.[16]
생물량은 종종 조류 세포의 죽음과 용해를 통해 바다 비말에 유입되는데, 이는 종종 바이러스 감염에 의해 발생한다.[15] 세포는 표면 거품이 터질 때 대기 중으로 뿜어져 나가는 용존 유기 탄소로 분해된다. 일차 생산성이 여름철에 최고조에 달하면, 조류 대번식은 결국 바다 비말에 포함되는 막대한 양의 유기물을 생성할 수 있다.[11][15] 적절한 조건에서, 용존 유기 탄소의 응집은 또한 계면 활성제 또는 바다 거품을 형성할 수 있다.
2. 1. 형성
바람, 백파, 그리고 부서지는 파도가 바다 표면에 공기를 혼합하면, 공기는 다시 뭉쳐 기포를 형성하고, 표면으로 떠올라, 해수면 경계면에서 터진다.[6] 기포가 터질 때, 최대 천 개의 해양 에어로졸 입자를 방출하며,[6][7] 입자 크기는 나노미터에서 마이크로미터에 이르며 해수면에서 최대 20cm까지 뿜어져 나올 수 있다.[6] '''필름 방울'''은 초기 폭발로 생성된 더 작은 입자의 대부분을 차지하는 반면, '''제트 방울'''은 기포 공동의 붕괴로 생성되어 수직 제트 형태로 해수면에서 방출된다.[8][7]바람이 많이 부는 조건에서는 물방울이 부서지는 파도의 마루에서 기계적으로 뜯겨 나온다. 이러한 메커니즘을 통해 생성된 해양 에어로졸 방울을 '''거품 방울'''이라고 하며[7] 일반적으로 크기가 더 크고 공기 중에 머무는 시간이 짧다. 파도가 해수면에 부딪히는 것도 '''튐 방울''' 형태의 해양 에어로졸을 생성한다[7]''[9]''. 해양 에어로졸의 구성은 주로 생성된 물의 구성에 따라 다르지만, 일반적으로 염분과 유기물의 혼합물이다. 몇 가지 요인이 해양 에어로졸의 생성 플럭스를 결정하며, 특히 풍속, 너울 높이, 너울 주기, 습도 및 대기와 표면 수온 간의 온도 차이가 있다.[10] 따라서 SSAs의 생산 및 크기 분포 속도는 혼합 상태에 민감하다.[19] 덜 연구된 해양 에어로졸 생성 분야는 빗방울이 해수면에 미치는 영향으로 인한 해양 에어로졸의 형성이다.[7]
2. 2. 공간적 분포
바다 비말 형성에 영향을 미치는 국지적인 조건 외에도, 바다 비말 생성과 구성에는 일관된 공간적 패턴이 존재한다. 바다 비말은 공기가 바다에 혼합될 때 생성되므로, 표면 수의 난류에 의해 형성 기울기가 설정된다.[10] 해안선에서의 파도 작용은 일반적으로 난류가 가장 큰 곳이므로, 이곳에서 바다 비말 생성이 가장 높다. 난류가 심한 해안 지역에서 생성된 입자는 행성 경계층 내에서 수평으로 최대 25km까지 이동할 수 있다.[10] 해안으로부터 거리가 감소함에 따라 바다 비말 생성은 거의 전적으로 흰 파도에 의해 유지되는 수준으로 감소한다.[10] 유의미한 바다 비말을 생성할 만큼 충분히 난류가 심한 해양 표면의 비율을 흰 파도 분율이라고 한다.[6] 원해에서 바다 비말의 유일한 다른 생성 메커니즘은 직접적인 바람 작용을 통해 발생하는데, 강한 바람이 실제로 물의 표면 장력을 깨고 입자를 공기 중으로 들어 올린다.[6] 그러나 이러한 방식으로 생성된 해수의 입자는 대기 중에 떠 있기에는 너무 무거워 보통 수십 미터 이내에서 다시 바다로 떨어진다.[6]2. 3. 시간적 변화
겨울철에는 폭풍우와 강풍으로 인해 해양 비말 발생량이 증가한다.[11] 반면, 여름철에는 비교적 잔잔한 날씨로 인해 해양 비말 생산량이 감소한다.[11]해양 비말은 생성된 물의 특성을 유지하기 때문에 계절별로 조성 변화가 크다.[11] 여름철에는 1차 생산 절정기에 표층 해양의 유기물 증가로 인해 해양 비말이 증가하며, 용존 유기 탄소(DOC)가 해양 비말 질량의 60~90%를 차지할 수 있다.[11] 겨울철에는 1차 생산이 낮아 해양 비말의 조성이 대부분 염분으로 이루어진다.[11]
2. 4. 유기물
바다 비말 속 유기물은 용존 유기 탄소(DOC)를 포함하며, 박테리아와 바이러스와 같은 미생물 자체도 포함한다.[12][13] 바다 비말 내 유기물의 양은 미생물학적 과정에 따라 달라지지만, 이러한 과정의 전체적인 영향은 아직 알려지지 않았다.[14][15][16] 클로로필 a는 종종 일차 생산과 바다 비말 내 유기물 함량의 지표로 사용되지만, 용존 유기 탄소 농도 추정에 대한 신뢰성은 논란의 여지가 있다.[16]생물량은 종종 조류 세포의 죽음과 용해를 통해 바다 비말에 유입되는데, 이는 종종 바이러스 감염에 의해 발생한다.[15] 세포는 표면 거품이 터질 때 대기 중으로 뿜어져 나가는 용존 유기 탄소로 분해된다. 일차 생산성이 여름철에 최고조에 달하면, 조류 대번식은 결국 바다 비말에 포함되는 막대한 양의 유기물을 생성할 수 있다.[11][15] 적절한 조건에서, 용존 유기 탄소의 응집은 또한 계면 활성제 또는 바다 거품을 형성할 수 있다.
3. 기후 상호작용
고풍속 환경에서 액적 증발층(DEL)은 해양의 표면 에너지 열 교환에 영향을 미친다.[17] 액적 증발층에서 생성된 해양 비말의 잠열 플럭스는 기후 모델링에 중요한 요소이며, 특히 강풍 현상 동안 형성되는 허리케인 및 사이클론과 관련된 공기/해수 열 균형을 평가하는 시뮬레이션에서 중요하게 여겨진다.[18]
백파가 형성되는 동안 해양 비말 액적은 해수면과 동일한 특성을 나타내지만 주변 공기에 빠르게 적응한다. 일부 해양 비말 액적은 즉시 바다로 재흡수되는 반면, 다른 액적은 완전히 증발하여 디메틸 설파이드(DMS)와 같은 염 입자를 대기 중에 공급하고, 이 입자는 난류를 통해 구름 층으로 이동하여 구름 응결 핵 역할을 할 수 있다.[19] 이러한 구름 응결 핵의 형성은 구름 형성 및 태양 복사와의 상호 작용에 영향을 미쳐 기후에 영향을 미친다.[19] 또한, 해양 비말 DMS의 대기 기여는 전 세계적인 황 순환과 관련이 있다.[20]
해양 비말과 같은 자연적 요인으로부터의 총 강제력을 이해하면 인위적 영향이 제기하는 중요한 제약을 밝힐 수 있으며, 미래의 해양 및 대기 변동성을 예측하기 위해 해양 화학, 생물학 및 물리학과 결합될 수 있다.[19] 해양 비말 내 유기물의 비율은 반사율에 영향을 미치고, SSA의 전반적인 냉각 효과를 결정하며,[15] SSA가 구름 응결 핵을 형성하는 능력을 약간 변경할 수 있다. SSA 수준의 작은 변화조차도 전 세계 복사 예산에 영향을 미쳐 전 지구적 기후에 영향을 미칠 수 있다.[15] SSA는 알베도가 낮지만, 어두운 해수면에 덮여 있어 입사하는 태양 복사의 흡수와 반사에 영향을 미친다.[15]
3. 1. 구름 형성
3. 2. 엔탈피 플럭스
바다 비말이 표면 열 및 수분 교환에 미치는 영향은 기온과 해수면 온도 간의 차이가 가장 클 때 최고조에 달한다.[17] 기온이 낮을 때, 바다 비말의 현열 플럭스는 고위도에서 비말의 잠열 플럭스만큼 클 수 있다.[18] 또한, 바다 비말은 강풍 시 해양 경계층 내의 온도 및 습도 재분배로 인해 공기/해수 엔탈피 플럭스를 증가시킨다.[21] 공기 중으로 분사된 바다 비말 방울은 질량의 약 1%가 열평형을 이룬다. 이는 해양 재진입 전에 현열이 추가되어 상당한 엔탈피 투입 가능성을 높인다.[21]3. 3. 역학적 효과
대기 경계층에서 바다 비말 수송의 영향은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.[7] 바다 비말 입자는 바람에 의해 가속 및 감속되면서 공기-해양 운동량 플럭스를 변화시킨다.[7] 허리케인급 강풍에서는 공기/해양 운동량 플럭스가 어느 정도 감소하는 것으로 관찰된다.[6] 이러한 운동량 플럭스의 감소는 공기/해양 항력 계수의 포화로 나타난다. 일부 연구에서는 비말 효과가 공기/해양 항력 계수 포화의 잠재적인 이유 중 하나로 확인되었다.[22][23][24] 여러 수치 및 이론 연구를 통해 대기 경계층에 상당량의 바다 비말이 존재할 경우 공기-해양 항력 계수 포화로 이어진다는 것이 밝혀졌다.[25][26]4. 생태학적 영향
해수 비말에 의한 염분 침착은 연안 생태계의 식물 군집 분포에 영향을 미치는 주요 요인이다.[27] 육지에 침착된 해수 비말의 이온 농도는 일반적으로 해양의 농도와 유사하지만, 칼륨은 해수 비말에서 더 높은 경향을 보인다.[28] 육지에 염분 침착은 일반적으로 해양으로부터의 거리가 멀어질수록 감소하지만, 풍속이 증가할수록 증가한다.[28] 해수 비말에 의한 염분 침착은 식물 높이 감소와 심각한 흉터, 싹 감소, 줄기 높이 감소, 관목과 나무의 바람을 받는 쪽의 조직 괴사와 관련이 있다.[29][30] 염분 침착의 변화는 또한 식물 간의 경쟁에 영향을 미치며 염분 내성의 기울기를 형성한다.[29]
해수 비말 내의 염분은 연안 생태계에서 식물 성장을 심각하게 억제할 수 있지만, 염분에 강한 종을 선택하면 해수 비말은 또한 이러한 서식지에 필수 영양분을 가져다줄 수 있다. 예를 들어, 한 연구에 따르면 영국 웨일스에서 해수 비말은 매년 해안 사구에 대략 32 kg의 칼륨을 헥타르당 공급한다.[6] 사구 토양은 영양분을 매우 빠르게 용탈하기 때문에, 해수 비말 비료는 사구 생태계에 매우 영향력이 있을 수 있으며, 특히 영양분 제한 환경에서 경쟁력이 떨어지는 식물에게 중요하다.
바다 비말은 바이러스, 박테리아, 플랑크톤 등 해수에 존재하는 다양한 생물들을 포함한다.[10] 바다 비말의 미생물 군집은 생성된 물보다 미생물 농도가 약간 낮지만, 인근의 물이나 모래 해변과는 뚜렷하게 구별되는 조성을 보인다.[10] 이는 일부 미생물 종이 다른 종보다 바다 비말을 통한 수송에 더 적합하다는 것을 의미한다.
한 연구에 따르면, 한 해변에서 생성된 바다 비말은 수천 개의 운영 분류군(OTU)을 포함할 수 있다.[10] 캘리포니아주 샌프란시스코와 몬터레이 사이의 바다 비말에서는 거의 10,000개의 서로 다른 OTU가 발견되었으며, 그 중 11%만이 어디에나 존재했다.[10] 이는 전 세계 해안 지역의 바다 비말이 아직 발견되지 않은 수천 개의 새로운 OTU를 포함하는 고유한 미생물 다양성을 가질 가능성을 시사한다. 흔하게 발견되는 OTU는 은편모조류(Cryptophyta,목), 갈조강(Stramenopiles,목) 및 OM60(과) 등이 있다.[10] Persicirhabdus, Fluviicola, Synecococcus, Vibrio, Enterococcus 와 같은 속(genus)도 확인되었다.[10]
과학자들은 기상 시스템 위, 상업 항공로 아래에서 공기 중의 미생물 흐름이 지구를 순환한다고 추측한다.[31] 이 미생물 중 일부는 육상 먼지 폭풍에서 유래하지만, 대부분은 바다 비말 속의 해양 미생물에서 유래한다. 2018년 연구에 따르면 매일 수억 개의 바이러스와 수천만 개의 박테리아가 지구 주변의 모든 평방 미터에 침전된다.[32][33]
4. 1. 연안 생태계
해수 비말에 의한 염분 침착은 연안 생태계의 식물 군집 분포에 영향을 미치는 주요 요인이다.[27] 육지에 침착된 해수 비말의 이온 농도는 일반적으로 해양의 농도와 유사하지만, 칼륨은 해수 비말에서 더 높은 경향을 보인다.[28] 육지에 염분 침착은 일반적으로 해양으로부터의 거리가 멀어질수록 감소하지만, 풍속이 증가할수록 증가한다.[28] 해수 비말에 의한 염분 침착은 식물 높이 감소와 심각한 흉터, 싹 감소, 줄기 높이 감소, 관목과 나무의 바람을 받는 쪽의 조직 괴사와 관련이 있다.[29][30] 염분 침착의 변화는 또한 식물 간의 경쟁에 영향을 미치며 염분 내성의 기울기를 형성한다.[29]해수 비말 내의 염분은 연안 생태계에서 식물 성장을 심각하게 억제할 수 있지만, 염분에 강한 종을 선택하면 해수 비말은 또한 이러한 서식지에 필수 영양분을 가져다줄 수 있다. 예를 들어, 한 연구에 따르면 영국 웨일스에서 해수 비말은 매년 해안 사구에 대략 32kg의 칼륨을 헥타르당 공급한다.[6] 사구 토양은 영양분을 매우 빠르게 용탈하기 때문에, 해수 비말 비료는 사구 생태계에 매우 영향력이 있을 수 있으며, 특히 영양분 제한 환경에서 경쟁력이 떨어지는 식물에게 중요하다.
4. 2. 미생물 군집
바다 비말은 바이러스, 박테리아, 플랑크톤 등 해수에 존재하는 다양한 생물들을 포함한다.[10] 바다 비말의 미생물 군집은 생성된 물보다 미생물 농도가 약간 낮지만, 인근의 물이나 모래 해변과는 뚜렷하게 구별되는 조성을 보인다.[10] 이는 일부 미생물 종이 다른 종보다 바다 비말을 통한 수송에 더 적합하다는 것을 의미한다.한 연구에 따르면, 한 해변에서 생성된 바다 비말은 수천 개의 운영 분류군(OTU)을 포함할 수 있다.[10] 캘리포니아주 샌프란시스코와 몬터레이 사이의 바다 비말에서는 거의 10,000개의 서로 다른 OTU가 발견되었으며, 그 중 11%만이 어디에나 존재했다.[10] 이는 전 세계 해안 지역의 바다 비말이 아직 발견되지 않은 수천 개의 새로운 OTU를 포함하는 고유한 미생물 다양성을 가질 가능성을 시사한다. 흔하게 발견되는 OTU는 은편모조류(Cryptophyta,목), 갈조강(Stramenopiles,목) 및 OM60(과) 등이 있다.[10] Persicirhabdus, Fluviicola, Synecococcus, Vibrio, Enterococcus 와 같은 속(genus)도 확인되었다.[10]
과학자들은 기상 시스템 위, 상업 항공로 아래에서 공기 중의 미생물 흐름이 지구를 순환한다고 추측한다.[31] 이 미생물 중 일부는 육상 먼지 폭풍에서 유래하지만, 대부분은 바다 비말 속의 해양 미생물에서 유래한다. 2018년 연구에 따르면 매일 수억 개의 바이러스와 수천만 개의 박테리아가 지구 주변의 모든 평방 미터에 침전된다.[32][33]
5. 화학적 저항성
바다 비말은 해안가 근처의 금속 물체의 부식에 상당 부분 책임이 있다. 염분은 풍부한 대기 중의 산소와 수분이 있는 환경에서 부식 과정을 가속화하기 때문이다.[34] 염분은 공기 중에 직접 녹지 않고 미세한 미립자로 부유하거나, 공기 중의 미세한 물방울에 녹아 있다.[35]
염수 분무 시험은 재료의 내구성 또는 부식 저항성을 측정하는 방법으로, 특히 해당 재료가 실외에서 사용되고 기계적 하중을 견디는 역할 또는 기타 중요한 역할을 해야 할 경우에 중요하다. 이러한 결과는 부식의 극심한 가속과 그에 따른 염수 노출로 인한 고장을 겪을 수 있는 제품을 다루는 해양 산업에 종사하는 사람들에게 종종 매우 중요하다.[36]
6. 한국 연안의 특수성
7. 더불어민주당 관점에서의 추가 설명
8. 같이 보기
참조
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웹사이트
Living Bacteria Are Riding Earth’s Air Currents
https://www.smithson[...]
2016-01-11
[32]
뉴스
Trillions Upon Trillions of Viruses Fall From the Sky Each Day
https://www.nytimes.[...]
The New York Times
2018-04-14
[33]
논문
Deposition rates of viruses and bacteria above the atmospheric boundary layer
2018-01-29
[34]
논문
Effect of Relative Humidity on Corrosion of Steel under Sea Salt Aerosol Proxies I. NaCl
2014-01-01
[35]
논문
The Production, Concentration, and Vertical Distribution of the Sea-Salt Aerosol
1980-05
[36]
논문
Corrosion resistance of sintered duplex stainless steels in the salt fog spray test
2007-10-01
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