해수의 용존 산소량과 이산화탄소량

해수 중 녹아있는 용존 산소량과 이산화탄소량은 해양 생물의 서식 환경을 조사하거나, 해수의 특성을 연구하는 부분에서 매우 중요한 척도입니다. 이에 학생들도 용존산소량과 이산화탄소량에 대한 내용을 배우고 있는데, 내용은 그리 어렵지 않습니다. 이에 본 포스팅에서는 여러가지 관측 결과 등을 함께 소개하며 포스팅을 진행해 볼 예정입니다.

  1. 개요

해수에 기체가 얼마나 많이 녹을 수 있는가는, 수온과 수압, 그리고 염분에 의해 결정됩니다. 해수의 용존 기체는 수온과 염분이 낮고, 수압이 높을 수록 많이 녹아들어갑니다. 산소와 이산화탄소는 모두 실온에서 기체로 존재하기 때문에, 이들이 해수에 얼마나 잘 녹아들어가느냐 하는 것은 해수의 수온, 염분, 수압에 의해 결정된다고 생각하면 됩니다. 다만 염분의 경우 수온에 비해 변화 폭이 매우 작은 경우가 많고, 동일 깊이에서는 압력이 주는 변수는 없기 때문에, 수온 변화에 의한 염분의 변화 폭이 뚜렷하게 나타납니다.

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  2. 용존 산소

해수에 산소가 공급될 수 있는 경우는 크게 두가지 입니다. 첫째로 대기에서 직접 녹아들어갈 수 있습니다. 둘째로, 해조류와 같은 해양생물의 광합성으로 인해 공급될 수도 있습니다. 해조류는 태양복사를 이용해 광합성을 하기 때문에 해수의 얕은 곳에서 많이 살고, 대기와 해수가 상호작용할 수 있는 곳도 해수 얕은곳이기 때문에, 용존 산소는 해수 표면에서 가장 양이 많고 깊어질수록 양이 감소한 뒤 다시 증가하는것이 교과서적인 관측 결과입니다. 아래 그림은 그 결과를 여실히 보여주고 있습니다.

<깊이에 따른 용존산소량의 변화(출처 : Roger Williams University)>

다만 심해층에서 용존산소가 다시 증가하는 상황은 다소 이해가 어렵습니다. 심해층에서 산소의 양이 증가하는건 두 가지로 생각해 볼 수 있습니다. 첫 째로 수압의 증가와 수온의 감소입니다. 앞서서 이야기 한 것 처럼 용존 산소량은 수압이 증가할수록, 수온이 감소할수록 높아집니다. 두 번째로는 남극이나 북극해의 표층에서 발생하는 침강이 원인인데, 이게 가장 큰 이유 중 하나입니다.

 

남극과 북극해에서는 표층 해수의 침강이 매우 활발하게 일어나는데, 표층에서 침강이 시작되기 전 대기로부터 다량의 산소가 녹아들어갈 수 있습니다. 특히 남극이나 북극에서 많은 양의 산소가 들어갈 수 있는건, 1) 해수온이 매우 낮고, 2) 염분의 농도 역시 매우 낮기 때문 입니다. 이렇게 다량의 산소를 머금은 표층해수는 수온이 낮아지며 밀도가 증가함에 따라 침강하기 시작하고, 이렇게 침강한 물이 심층 순환을 따라 전 세계 대양으로 공급되기 때문에 심층수의 산소량이 증가하게 되는 것입니다.

<수심 200m에 녹아있는 산소의 양(출처 : Microbial Ecology of the Oceans)>

위 그림을 보면, 위도별 깊이 200m 수심에서의 산소 함량이 잘 나타나 있습니다. 저위도 지방에서는 유달리 산소함량이 낮게 나타나고, 북극과 남극 지역에서 산소 함량이 매우 높게 나타나는것이 확인됩니다.

 

경도별 깊이에 따른 용존 산소량도 눈여겨 볼 만 합니다. 아래 그림은 대서양의 적도 부근, 서쪽에서부터 동쪽까지 측정한 깊이에 따른 산소의 양을 나타낸 것입니다. 거의 모든 경도대에서 표층에서는 200 정도의 수치를 보이다 깊이에 따라 점점 감소합니다. 그리고 심층으로 가면서 산소량이 다시 증가하는것을 볼 수 있습니다. 개략적으로 동쪽이 서쪽보다 산소량이 다소 낮은 경향을 보이고 있습니다.

<위도별 깊이별 산소 함량(출처 : Roger Williams University)>

  3. 용존 이산화 탄소

해수 중 깊이에 따른 이산화탄소의 변화 패턴은 산소에 비해 상대적으로 단순합니다.

표층에서는 해조류의 광합성에 의해 산소함량이 증가하고, 이산화탄소 함량이 감소하는 것이 정상입니다. 이에 대기중에서 다량의 이산화탄소가 녹아들어감에도 불구하고 표층에서 낮은 이산화탄소 농도를 유지할 수 있습니다.

 

하지만 깊이가 깊어짐에 따라 빛의 양이 급격히 적어지면서 호흡이 광합성보다 훨씬 많아지고, 더군다나 심해층에서는 유기물의 생명활동으로 인해 산소를 소비하고 이산화탄소를 공급하는 일이 일방적으로 발생하게 됩니다. 따라서 깊은 바다에서는 이산화탄소 함량이 증가하게 됩니다.

  4. 동해의 용존 산소 관측 결과

<용존 산소량을 포함한 동해의 수심에 따른 화학량 변화(출처 : 동해 전역에 장기간 발달하는 아표층 엽록소 최대층과 수괴의 물리 화학적 특성과의 상관관계, Roh et al.(2012))>

  위 그림은 한 논문에서 발췌한 동해의 깊이에 따른 용존산소량(DO) 관측 내용입니다. 위 그림에서는 파란색 실선이 용존 산소량(DO)의 변화인데, 교과서와는 깊이 스케일이 달라 일반화 하기는 어렵습니다. 다만 비교적 얕은 깊이에서 관측한 논문의 내용을 참고하면 영양염의 양에 따른 식물 플랑크톤 개체수의 변화와 계절의 영향에 의존하는것으로 생각됩니다. (논문 전체를 자세히 읽어보지는 않아 정확하지는 않습니다^^;;)

 

다만, 용존 산소량이나 이산화탄소량은 해양 생물, 식물성 플랑크톤, 영양염 등의 영향을 크게 받는 만큼, 실제 관측 자료는 단순히 수온, 염분, 수압에만 영향을 받아 변화하는 값은 아니라는 것 만큼은 잘 알아두는것이 좋을 것 같습니다.