1. 서론

이산화탄소는 대표적인 온실가스 중 하나로, 18세기 중반 산업혁명 이후 대기 중 농도가 지속적으로 상승하고 있다. 해양은 대기로 방출된 이산화탄소의 주요 흡수원으로서, 인류기원 이산화탄소를 흡수하여 대기 중 이산화탄소 농도를 조절하는 데 중요한 역할을 하고 있다(Sabine et al., 2004; Quay et al., 2003). 해양이 흡수하는 대기 이산화탄소의 양을 추정하는 것은 지구온난화에 대한 해양의 영향 평가에 매우 중요하기 때문에 지속적인 관측이 필요하다. 그러나 해양 표층의 이산화탄소 흡수량은 해양 수온, 염분, 알칼리도 등의 요인에 의해 계절적 및 지역적으로 큰 차이를 보인다(Sarmiento et al., 2000).

관측 해역인 북서태평양은 해수면 온도가 높고, 매년 전 지구상의 열대성 저기압 중 약 30%가 발생하는 해역이다(Matsuura et al., 2003). 전세계 해양에서 가장 높은 수온을 보이는 웜풀(warm pool) 해역을 포함하고 있으며, 엘니뇨/라니냐, PDO (Pacific Decadal Oscillation), NPGO (North Pacific Gyre Oscillation) 등 다양한 기후변동 현상이 발생하는 해역으로, 기후변화에 매우 민감하다. 북서태평양의 표층 해수 이산화탄소는 여름철 생물 활동에 의한 이산화탄소 분압 감소, 겨울철 수층의 수직혼합으로 인한 이산화탄소 분압 증가 등에 의해 매우 큰 계절 변화를 보였다(Ishii et al., 2001). 그러므로 북서태평양 표층 해수의 이산화탄소 분압 변동을 보다 정확하게 파악하기 위해서는 시·공간적으로 다양한 관측이 필요하다.

한국해양과학기술원의 연구선 이사부호에는 ‘해양-대기 이산화탄소 분압 연속측정 시스템’이 장착되어 있으며, 운항 중 표층 해수와 대기의 이산화탄소를 실시간 연속적으로 관측할 수 있다. 본 연구에서는 이 시스템을 활용하여 2019년 10월 4일부터 17일까지, 13일간 해양 표층 및 대기 이산화탄소를 연속관측 하였다. 관측 해역은 한국해양과학기술원 남해연구소(북위 35.0도, 동경 128.7도)에서 출발하여 동중국해를 거쳐 북서태평양 필리핀해까지 북위 14.3~34.4도와 동경 125.2~129.5도 범위이다(Fig. 1).

2. 조사 방법

연구선 이사부호에 장착된 해양-대기 이산화탄소 분압 연속측정 시스템(Model 8050, General Oceanics, USA)은 항해중인 조사선에서 표층 해수의 수온, 염분, 이산화탄소를 연속적으로 관측할 수 있는 장비이다. 표층 수온(Sea Surface Temperature, SST)은 선저 배관 유입부의 온도센서(SBE38)에서, 표층 염분(Sea Surface Salinity, SSS)은 평형기 부근 센서모듈(OS315)에서 각각 측정되었다. 또한 평형기 내부의 해수 온도는 별도의 정밀 온도계(1524 Reference Thermometer, Fluke Calibration)를 이용해 기록하였고, 이산화탄소는 비분산 적외선 CO₂/H₂O 분석기(Li-7000, LI-COR Biosciences, USA)로 측정하였다. 해양-대기 이산화탄소 분압 연속측정 시스템의 대기 및 해수 이산화탄소 자료는 건조 공기의 몰분율(xCO₂)로 표시된다. 측정 항목은 Table 1에 기술하였으며, 측정 시스템에 대한 개요는 Lee and Cho (2021)와 동일하다.

관측 기간은 2019년 10월 4일 04:46 UTC부터 10월 17일 15:09 UTC까지 약 13일 10시간이며, 측정장비의 유지보수를 위해 10월 11일 약 2시간 30분(08:05~10:42 UTC), 10월 14일 약 30분(14:18~14:49 UTC) 동안 측정이 중단되었다. 수집한 해수 이산화탄소 측정 자료 5,943개 중 일본 EEZ 해역 내의 자료를 제외한 3,597개 자료에 대해 본 연구에서 다루었다.

측정된 대기 및 해수 이산화탄소 값은 Pierrot et al. (2009)이 제시한 절차에 따라 보정하였다. 분석 순서는 (1)기기의 영점(Zero) 및 최고점(Span) 측정 1회, (2)표준가스 측정 5회 또는 3회, (3)대기 시료 측정 10회, (4)해수 시료 측정 100회 순이다. 10월 14일 14:30 UTC를 기점으로 이전(Loop A)과 이후(Loop B)의 표준가스 측정 횟수 및 반복 횟수가 달라졌으며, 반복 횟수를 5회에서 2회로 감소시킨 것은 표준가스 측정을 더욱 빈번하게 하기 위함이다. 표준가스, 대기 이산화탄소, 해양 표층 이산화탄소의 측정 순서와 횟수를 Fig. 2에 나타내었다. 측정값 보정에서는 202, 354, 447 ppm의 3개 표준가스 측정값과 1차 선형회귀식을 사용하였으며, 표준가스 측정값은 5회(Loop A) 또는 3회(Loop B) 반복 측정의 평균을 사용하였다. 해수 이산화탄소 측정 시의 대기 이산화탄소 값을 알기 위해 대기 이산화탄소 10회 반복 측정의 보정값 평균을 내삽하여 각 해수 이산화탄소 측정값에 대응하는 대기 이산화탄소 값을 얻었다.

3. 결과 및 결론

관측 기간 동안 표층 수온은 23.5~29.4°C (평균 28.6±0.6°C), 표층 염분은 31.8~34.7 psu (평균 34.4±0.3 psu)였으며, 표층 해수 이산화탄소 측정값은 387.8~436.9 ppm (평균 398.1±4.1 ppm)였다(Fig. 3). 대기 이산화탄소 측정값은 406.9~410.8 ppm (409.0±1.1 ppm)였으며, 관측 해역 내에서 대부분 해양의 이산화탄소 농도가 대기 이산화탄소 농도보다 낮았다. 그러나 10월 4일 관측한 북위 34.1~34.3도, 동경 128.7~128.8도 해역에서는 표층 해수의 이산화탄소 농도가 대기 이산화탄소 농도보다 3.1~28.9 ppm 높았다. 필리핀해에서는 북위 17도를 경계로 북쪽은 낮은 수온과 높은 염분, 남쪽은 높은 수온과 낮은 염분 특징을 나타냈다. 이산화탄소 농도는 위도에 따른 큰 차이를 보이지 않았고, 북위 20.7~21.0도와 동경 126.0~126.4도 사이 해역에서 비교적 높았다(Fig. 4). 데이터의 활용도를 높이기 위해 측정 항목을 활용하여 계산한 fCO₂와 pCO₂ (단위: μatm) 자료를 함께 제공하였으며, 본 조사 자료는 북서태평양 해역의 탄소 순환을 이해하는 데 중요한 기초자료로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 해양수산부 R&D 과제 ‘북서태평양 해양-대기 상호작용 및 태풍 급강화 현상 연구(PM61210)’와 한국해양과학기술원 주요사업 ‘생지화학 순환 및 해양환경변동 연구(PEA0012)’의 지원을 받아 수행되었습니다.

Fig. 1.

The cruise track. The red circle indicates the start and end points of CO₂ measurement. The gray shade indicates the track within Japanese EEZ.

Fig. 2.

The sequence of underway CO₂ measurement.

Fig. 3.

Temporal distributions of (A) SST, (B) SSS, and (C) xCO₂ in dry air. The vertical red line is expressed when the sequence is changed from loop A to loop B. The data surveyed in Japanese EEZ are excluded.

Fig. 4.

Spatial distributions of (A) SST, (B) SSS, and (C) xCO₂ in dry air. The data surveyed in Japanese EEZ are excluded.

참고문헌

• Ishii M, et al (2001) Seasonal variation in total inorganic carbon and its controlling processes in surface waters of the western North Pacific subtropical gyre. Marine Chemistry 75(1-2):17–32. https://doi.org/10.7780/KJRS.2018.34.6.3.11Article
• Lee SE, Cho S (2021) Atmospheric and surface seawater CO₂ measurements on R/V ISABU in the Western North Pacific in the summer of 2018. Geo data 3(3):8–15ArticlePDF
• Matsuura T, Yumoto M, Iizuka S (2003) A mechanism of interdecadal variability of tropical cyclone activity over the western North Pacific. Climate Dynamics 21:105–117ArticlePDF
• Pierrot D, et al (2009) Recommendations for autonomous underway pCO₂ measuring systems and data-reduction routines. Deep-Sea Research 56(8-10):512–522Article
• Quay P, et al (2003) Changes in the ¹³C/¹²C of dissolved inorganic carbon in the ocean as a tracer of anthropogenic CO₂ uptake. Global Biogeochemical cycles 17(1):1004Article
• JSabine CL, et al (2004) The oceanic sink for anthropogenic CO₂. Science 305(5682):367–371ArticlePubMed
• Sarmiento JL, et al (2000) Sea-air CO₂ fluxes and carbon transport: A comparison of three ocean general circulation models. Global Biogeochemical Cycles 14(4):1267–1281Article

Appendix

Figure & Data

References

Citations

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