한국해양과학기술원장 귀하

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BSPE 9961 3-11 994- 1 한반 도주 변해 역에 서 기후 변화 인자 의 물질 순환 추적 연구 동I 해

한국 해양 과학 기술 원

BSPE99613-11994-1

↓

한반도 주변 해역에서 기후변화 인자의 물질순환 추적 연구

I. 동해

Oceanic Material Cycle of Climate Sensitive Parameters around the Korean Peninsula

I. East Sea

2019.2.

한 국 해 양 과 학 기 술 원

제 출 문

한국해양과학기술원장 귀하

본 보고서를 “ 한반도 주변 해역에서 기후변화 인자의 물질순환 추적 연구 I. 동해”과제 의 최종보고서로 제출합니다.

2019. 2. 28.

총괄연구책임자 : 강 동 진

참 여 연 구 원 : 김경태, 김동선, 김석현 김은수, 김인태, 나공태 노태근, 박근하, 이선은 이재성, 이현미, 최상화 강나연, 김예슬, 김찬영 박지영, 백 훈, 백현민 손푸르나, 이승용, 정혜령

보고서 초록

과제고유

번호 PE99613 해당단계

연구기간

2018.1.1.

- 2018.12.31 단계 구분 1단계 1차년도

연구사업명 중사업명 주요사업(고유임무형)

세부사업명

연구과제명 대과제명 한반도 주변 해역에서 기후변화 인자의 물질순환 추적 연구 I. 동해

세부과제명

연구책임자 강 동 진

해당단계 참여연구원수

총 : 30 명 내부: 14 명 외부: 16 명

해당단계 연구비

정부: 429,000 천원

기업: 천원

계 : 429,000 천원 총연구기간

참여연구원수

총 : 30 명 내부: 14 명 외부: 16 명

총 연구비

정부: 429,000 천원

기업: 천원

계 : 429,000 천원 연구기관명

및 소속부서명

한국해양과학기술원

해양환경연구센터 참여기업명

국제공동연구 위탁연구

요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서

면수 56

화학적 추적자를 통한 동해특성을 이해하기 위한 목적으로 해수 산소 안정동위원소 분석방법이 정 립되었고, 영양염 및 NO/PO비를 이용한 동해 수괴특성을 파악하였다. 국내 최초로 동해애서 미량원 소 분석을 위한 청정해수 수직 시료 채취에 성공하여 Zn, As, Cd, Mn, Fe, Co, Cu, Pb 등의 미량원 소 수직분포를 획득하였다. 동해의 ²³⁴Th의 침강 플럭스와 인공방사능의 연직 분포를 측정하였다. 표 층 이산화탄소 분압 연속관측을 통하여 동해 표층 해수의 이산화탄소 분포와 겨울철 해양-대기 이 산화탄소 교환량을 추정하였으며, 이를 통해 동해는 겨울철에 많은 양의 이산화탄소를 대기로부터 흡수하며, 표층 해수의 이산화탄소 분포의 주요 조절인자는 물리적인 수직 혼합으로 밝혀졌다. 동해 해수-퇴적물 경계면 연구를 통하여 퇴적물 산소 소모율, 영양염 플럭스, 황산염 환원율, 유기탄소 산 화율이 측정되었으며, 퇴적물로 공급되는 유기탄소의 약 60% 이상이 황산염환원으로 분해되는 것으 로 나타났다.

색인어 (각 5개 이상)

한 글 동해, 물질순환, 미량원소, 이산화탄소, 추적자

영 어 East Sea, Material Cycle, Trace Elements, Carbon Dioxide, Tracer

요 약 문

Ⅰ. 제 목

한반도 주변 해역에서 기후변화 인자의 물질순환 추적 연구 I. 동해

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

최종 연구 목표: 이사부호를 이용한 동해 탐사를 통해, 각종 기후변화 인자들의 대기-해수-퇴 적물 간 물질 순환 및 거동을 추적 연구한다.

○ 기후변화/환경변화에 따른 대기-해수-퇴적물을 망라한 종합적인 해양환경 이해 필요

○ 우리나라 주변해의 미량원소 및 동위원소 등의 데이터의 부재

○ 동해에서 TEIs의 분포 및 물질순환 연구 필요성

○ 최근 구축된 최첨단 연구 인프라의 적극 활용 필요성

○ 동해가 내부로 흡수하는 대기 이산화탄소량 및 그 변화 연구는 2000년대 후반이후 거의 이루어지지 않음.

○ 동해 울릉분지는 높은 기초 생산력을 갖고 있으며, 다양한 해양학적 현상들과 연계되어 져 있음. 수중에서 생성된 입자성 물질의 최종 종착지인 해저 퇴적물과 수층에서 입자성 유기탄소의 생지화학적 순환의 정량화는 필수적임.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

○ 화학적 추적자를 통한 동해 특성 이해

○ 미세 영양염으로서의 미량원소의 동해 물질 순환 및 생태계 영향 연구

○ 동위원소 추적자를 통한 동해 물질 순환 연구

○ 동해에서 대기 이산화탄소 흡수율 및 해양산성화 연구

○ 해수-퇴적물 경계면의 물질 순환 연구

Ⅳ. 연구개발결과

1. 화학적 추적자를 통한 동해 특성 이해 1) 해수 산소 안정동위원소 분석 방법 정립

○ 해수의 water-vapor equilibration 적정 시간 결정: 최소 50시간

○ 표준물질을 이용한 working standards 제조 및 평가: δ¹⁸O 0.083, -8.062, -4.202‰ 3종의 working standard 제조

○ 해수 산소안정동위원소의 시료는 12개 정점의 표층에서 저층까지 총 236개를 채취하였다.

2) 영양염

○ S-line (남북방향) 영양염 분포특성: 인산염과 질산염+아질산염은 150 m보다 깊은 수심 에서 500 m 까지 급격하게 증가하다 일정하게 유지되었으며 규산염은 바닥까지 계속 증 가하는 경향이 나타남. 특이하게 제일 북쪽에 위치한 S8정점에서 수심 1500 m 이후에 인산염, 질산염+아질산염, 규산염의 농도가 다른 정점들 보다 높게 나타남. S8정점 수심 1500 m 보다 깊은 곳에서 아질산염의 변화가 없는 것으로 보다 현장에서 영양염의 분해 가 활발하게 일어나고 있기보다는 어딘가에서 유기물분해가 진행된 해수의 유입에 의한 것으로 유추됨.

○ E-line (북위 37도의 동서방향) 영양염 분포특성: 산염과 질산염+아질산염은 150 m보다 깊은 수심에서 500 m 까지 급격하게 증가하다 일정하게 유지되었으며 규산염은 바닥까 지 계속 증가하는 경향이 나타남. 특이하게 제일 북쪽에 위치한 E7정점은 수심 1600 m 보다 깊은 수심, E8정점에서 약 수심 800 m 이후에 인산염, 질산염+아질산염, 규산염의 농도가 다른 정점들 보다 높게 나타남. E7과 E8정점 수심 1600 m, 800 m 보다 깊은 곳 에서 아질산염의 변화가 없는 것으로 보다 현장에서 영양염의 분해가 활발하게 일어나 고 있기보다는 어딘가에서 유기물분해가 진행된 해수의 유입에 의한 것으로 유추됨.

○ S-line (남북방향) NO/PO를 이용한 수괴 특성: NO/PO비는 표층근처에서 1정도를 보였 고 수심이 깊어짐에 따라 점진적으로 감소하는 경향이 나타남. S8번 정점의 1600 m 보 다 깊은 수심에서 NO/PO의 비가 다른 정점들에 비해서 급격하게 감소하였다 다른 정점 의 비와 유사해지는 특이한 구간이 나타남.

○ E-line (북위 37도의 동서방향) NO/PO를 이용한 수괴 특성: NO/PO비는 표층근처에서 1정도를 보였고 수심이 깊어짐에 따라 점진적으로 감소하는 경향이 나타남. E7정점의 1600 m, E8번 정점의 800 m 보다 깊은 수심에서 NO/PO의 비가 다른 정점들에 비해서 급격하게 감소하는 구간이 나타남

2. 미량원소 물질 순환의 이해

○ 이사부호(R/V ISABU)에 설치된 초순수 해수채취시스템(TEI ultra clean sampling system, NIOZ)를 이용하여 동해 5개 정점(S1, S4, E1, E5, E8)의 10 m 수심부터 저층까 지 해수를 채취

○ 동해 해수 내 용존 Zn, As, Cd 등은 영양염류와 유사한 수직분포 특성을 보였으며, Mn, Fe는 표층에서 중층까지는 균일한 농도를 보이다가 저층에서 급격히 농도가 증가하고 있었다. Co와 Cu는 표층에서 중층으로는 농도가 감소하고 저층으로 갈수록 농도가 증가 하고 있었다. Pb는 표층에서 10 ng/kg의 높은 농도를 보이나 저층으로 갈수록 점차적으 로 농도가 감소하여 대기를 통한 공급을 시사하고 있다.

○ 본 연구를 통하여 동해 해수 내 Co, Cu, Zn, Pb 등의 미량원소의 분석결과는 대양에서 의 농도와 유사한 수준으로, 이사부호 및 청정해수채취시스템을 통한 오염 없는 시료채 취, 전처리 및 해수 극미량원소 자동화분석시스템을 활용한 극저농도의 정확도 높은 분 석결과가 제시되었다.

3. 동위원소 추적자를 통한 동해 물질순환 연구

1) Th-234 추적자를 이용한 입자성 유기탄소 침강량 추적연구

○ ²³⁴Th은 미량원소 청정 해수 시료 채취정점과 같은 5개 정점에서 정점 500 m 깊이 상층 에서 각 8개 깊이에서 채수하였다.

○ 총 5개 모든 정점에서 3차까지 측정한 예비 결과를 보면, 표층과 Subsurface Chlorophyll maximum (SCM) depth (∼50 m)에서 제거 된 이후, 약 100 m 아래의 깊 은 깊이에서는 모핵종인 U의 activity(해수에서 ∼2.4 dpm/L로 거의 일정)와 비슷해지거 나 재결정화(re-mineralization)에 의하여 다소 excess되는 경향성을 보임.

○ 정상상태 (steady state)를 가정하고 계산된 ²³⁴Th의 침강 플럭스는 울릉분지 3개 정점 (S4, E5, E8)에서 평균 770±890 dpm m^-2d^-1, 울진 앞바다 연안 E1정점에서 990±190 dpm m^-2d^-1 , 대한해협 S1 정점에서 나타남 3100±340 dpm m^-2d^-1으로 계산됨.

2) 방사성 동위원소 ²¹⁰Po/²¹⁰Pb 추적자를 이용한 양 물질순환 추적 연구

○ ²¹⁰Po 측정을 위한 해수 시료는 총 3개 정점에서 (13, 19, 34번 정점) 총 9-10개 깊이에서 전 수층에서 채수하였다(0, 50, 100, 200, 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 m 등).

○ 현재까지 counting 측정된 ²¹⁰Po의 수층 내 분포는 일반적으로 대양에서 나타나는 profile 과 크게 다르지 않은 양상이 나타났다.

3) 한반도 근해 해수 인공방사능 연직 분포 측정

○ 동해 울릉분지 정점(E5)과, 울진 앞 연안 정점(E1), 대한해협 정점(S1)의 표층수 Cs-137 의 농도는 울진 앞 연안에서 가장 높은 1.82 ± 0.11 mBq/kg, 울릉분지에서 가장 낮은 1.55 ± 0.08 mBq/kg 농도를 보이고, Pu-239+240은 3개 정점에서 모두 비슷한 값을 보인 다.

○ Cs-137 과 Pu-239+240 농도 범위는 각각 1.55∼1.82 mBq/kg, 4.78∼4.92 µBq/kg 으로서 과거 후쿠시마 원전사고 이전(2005∼2010년)의 표층해수 Cs-137 와 Pu-239+240의 농도 범위인 <1.19∼4.04 mBq/kg, 2.11∼18.0 µBq/kg 값의 범위에 포함되는 농도 수준으로 나 타났다.

○ 수심별 농도를 보면 울릉분지의 정점인 E5에서는 Cs-137은 수심증가에 따라 감소하고, Pu-239+240은 수심증가에 따라 증가하다가 1000 m 수심이하에서 거의 일정한 값을 유 지하는 일반적인 분포 경향을 보인다.

4. 이산화탄소 거동 특성 이해

1) 해양 표층 및 대기 이산화탄소 분압 조사

○ 2018년 1월 26일부터 2월 1일까지 약 7일간의 동해 탐사에서 이사부호에 장착된 underway pCO2 장비 (Model 8050, General Oceanics Inc.)를 운영하여 약 2,600개의 해 양 표층과 대기 이산화탄소 분압 자료를 획득

○ 표층 수온은 8.93∼14.44 °C의 분포를 보였고, 평균 표층 수온은 11.53 ± 1.45 °C, 표층 염분은 34.06∼34.47의 범위에서 분포하였으며, 평균 표층 염분은 34.24 ± 0.11였음. 표층 수온과 염분 모두 고위도로 갈수록 감소하는 경향을 보임.

○ 해양 표층 이산화탄소 분압(fCO2SW)은 321.91∼354.10 µatm 범위에서 분포하였으며, 평균

해양 표층 이산화탄소 분압은 336.43 ± 6.26 µatm이었음. 해양 표층 이산화탄소 분압은 표층 수온과 표층 염분 분포와 마찬가지로 위도가 높아질수록 감소하는 분포를 보임.

○ 대기 이산화탄소 분압(fCO2AIR)은 관측 기간 동안 평균 410.13 ± 2.82 µatm이었고, 표층 해양 이산화탄소 분압 보다 높아 대기에서 해양 표층으로 이산화탄소가 이동함을 알 수 있음. 이 시기 조사 해역은 대기 이산화탄소의 흡수원으로 작용함.

○ 관측조사의 해양-대기 이산화탄소 교환량은 –0.26 ~ -11.87 molCm^-2yr^-1의 범위를 보였 으며, 평균 교환량은 –3.32 ± 2.04 molCm^-2yr^-1로 나타남.

○ 본 관측 기간 동안의 수온(SST) 변화에 따른 이산화탄소 분압 변화를 살펴본 결과,

lnfCO2SW/SST = 0.85±0.02% °C^-1로써 수온 변화가 표층 이산화탄소 분압 변화의 주 요 인자가 아님을 알 수 있고, 조사 기간이 겨울철임을 감안할 때 물리적 혼합이 주요 프로세스임을 알 수 있음.

2) 해수 내 이산화탄소 인자 측정

○ 총 15개 정점에서 수층별(표층에서 해저면까지) 샘플을 채취하였고, 채취된 총 271개의 시료는 실험실에서 총 용존 무기탄소와 총 알칼리도를 측정

○ 총 알칼리도 분포에서도 상대적으로 총 알칼리도가 낮은 해수가 같은 깊이에 분포하는 것을 알 수 있고 남쪽 사면을 만나 아래로 침강하는 형태의 분포를 보임.

○ 울릉분지의 동쪽 사면에서 총 용존 무기탄소 농도가 높게 나타나는데, 용존 산소 농도 또한 상대적으로 낮게 나타나, 퇴적된 유기물의 산화에 의한 것으로 추정됨.

○ 동해는 지금까지 겨울철에 대기 이산화탄소의 약한 흡수원(weak sink)으로 알려졌으나, 본 탐사를 통해서 겨울철에도 많은 양의 대기 이산화탄소를 흡수하는 것으로 밝혀졌음 (strong sink).

○ 동해중층수의 울릉분지 유입이 확인됨으로써 겨울철 동해 북부에서 가라앉은 물이 울릉 분지까지 내려오는 기작을 통해서 울릉분지 내부로 anthropogenic CO2의 활발한 유입 가능성이 확인되었음.

5. 저층경계면에서 유기탄소의 생지화학적 순환 정량

○ 현장조사는 2018년 10월 21∼24일에 한국해양과학기술원의 종합해양조사선인 이어도를 이용하여 울릉분지 2개 지점(Trap01: 37° 38.61 N, 131° 21.05E, Trap02: 37° 00.46 N, 131° 00.57E)에서 심해저 벤틱랜더(KIOST BelcII & BelpII)로 현장 배양 및 고해상도의 공극수내 용존산소 수직분포를 측정하였다.

○ 시간에 따른 산소농도 변화로 추정한 총산소소모율(total oxygen uptake rate: TOU)는 1.48 mmol O2 m^-2 d^-1로 추정되었으며, 이 결과에 산소대 탄소의 Redfield ratio를 적용 하고 계산한 유기탄소의 산화율은 1.14 mmol C m^-2 d^-1 이었다. 이 결과는 기존의 연구 결과에 비해 약 20% 낮은 유사한 결과였다.

○ DBL층에서 산소 농도 기울기로 추정한 확산성 산소소모율(diffusivity oxygen uptake rate: DOU)은 1.10 mmol O2 m^-2 d^-1였다. 여기서, 총산소소모율과 확산성 산소소모율 간 의 차는 저서동물의 호흡 및 활동에 기인한 산소소모율(fauna mediate oxygen uptake rate, FOU) 이다. 추정된 FOU는 0.38 mmol O2 m^-2 d^-1로 총산소 소모율의 약 25%에 해당되는 결과이다.

○ 암모니아 플럭스는 Trap01에서–0.022 mmol m^-2 d^-1과 Trap02에서 –0.15 mmol m^-2

d^-1로 추정되었고 Trap02에서 높은 결과를 나타냈다.

○ NOx^-의 저층 플럭스는 Trap01에서 0.29 mmol m^-2 d^-1, Trap02에서 1.68 mmol m^-2 d^-1 로 약 6배의 차이를 보였다.

○ 모든 저층 영양염의 플럭스가 독도와 근접한 Trap02지점에서 높게 나타나 독도의

“Island effect”가 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다.

○ 황산염 환원율(sulfate reduction rate: SRR)은 Trap01에서 3.02∼4.21 nmol cm^-3 d^-1의 범위로 표층에서 낮고, 이하 깊이에서는 거의 균일한 수직분포를 보였다. Trap02 역시 특이한 수직분포가 없이 2.05∼4.82 nmol cm^-3 d^-1 범위였다.

○ Trap01에서 총 유기탄소의 산화율은 1.14 mmol C m^-2 d^-1로 추정되었다. 여기에 SRR 결과를 적용하면, 유기탄소의 약 60%이상이 황산염 환원으로 분해되는 것으로 판단된다.

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

○ 최초로 얻은 동해의 미량금속의 수직 분포는 동해를 연구하는 타 연구자들에게 좋은 자 료를 제공하게 될 것이며, 향후 미량금속 분야의 연구에 기여하는 자료로 활용될 것이 다.

○ 기후변화 등의 연구에 국제 DB에 등재된 자료들이 많이 활용되고 있으나 주로 대양의 자료에 치우쳐 있어 최근 들어 동해와 같은 대륙주면해의 자료에 대한 요구가 커져가고 있다. 이에 매우 시의 적절하게 전 세계 연구자들이 인용하는 국제 DB에 동해 관측 자 료를 등재한 것은 우리들만의 연구 성과가 아니라 전 세계 연구자들에게 앞으로 좋은 연구성과를 낼 수 있는 밑바탕을 제공한다.

○ 향후 지속적인 연구가 이루어져야 동해에서 우리의 힘으로 다양한 화학종의 수직 분포 를 완성할 수 있을 것으로 기대된다.

SUMMARY and KEYWORDS

 

Ⅰ

 

.

 

Title  

Oceanic Material Cycle of Climate Sensitive Parameters around the Korean Peninsula I.

East Sea  

Ⅱ

 

.

 

Purpose and necessity  

Final Research Goal: Understanding oceanic material cycle and behavior of various climate sensitive parameters Track and study the circulation and behavior of air-sea water-sediment among various climate change factors through the East Sea exploration using director code.

 

○ Understanding of a comprehensive marine environment including air-sea-sediment due to climate change / environmental change

○ Absence of data of trace elements and isotopes in the surrounding seas of Korea

○ Distribution of TEIs in the East Sea and Necessity of Study of Material Circulation

○ Need to actively utilize cutting-edge research infrastructure recently constructed

○ The amount of atmospheric CO2 absorbed by the East Sea and its changes have not been studied since the late 2000s.

○ The East Sea Ulleung Basin has high basic productivity and is linked to various oceanographic phenomena. Quantification of biogeochemical circulation of particulate organic carbon in the water bed is essential to the bottom end of sediment, which is the final destination of the particulate matter produced in the water.

 

Ⅲ

 

.

 

Contents and scope  

○ Understanding of East Sea characteristics through chemical tracer

○ Study on the effect of trace elements on microbial nutrients and their ecosystem effects

○ Study on the circulation of East Sea through isotope tracer

○ Study on Atmospheric Carbon Dioxide Absorption Rate and Oceanic Acidification in the East Sea

○ Study on the material circulation at sea-sediment interface

  IV

 

.

 

Results

 

1. Understanding of East Sea characteristics through chemical tracer 1) Determination of seawater oxygen stable isotope analysis method

○ Water-vapor equilibration time determination of seawater: minimum 50 hours

○ Preparation and evaluation of working standards using standard materials: δ¹⁸O 0.083, -8.062, -4.202 ‰ Manufacture of three working standards

○ A total of 236 samples of seawater oxygen stable isotopes were collected from the top to bottom of 12 stations

 

2) Nutrients

  ○ S-line Nutrient Distribution Characteristics: Phosphate, nitrate + nitrite increased steeply from 500 m deep to 150 m deep, and silicate tended to increase continuously to the bottom. The concentrations of phosphate, nitrate + nitrite, and silicate are higher than other peaks at depths of 1500m at the S8 peak, the most northerly north. S8 At a depth of more than 1500 m, there is no change in nitrite. It is thought that the decomposition of nutrients is active in the field rather than by the inflow of seawater where decomposition of organic matter proceeds somewhere.

○ E-line (east-west direction of latitude 37 degrees) Nutrient distribution characteristics: Acid salt, nitrate + nitrite increased steeply from 500 m deep to 150 m deep, and silicate tended to increase continuously to the bottom. Unusually, the E7 peak at the northernmost point is higher than the other peaks of phosphate, nitrate + nitrite, and silicate concentrations at deep water depths of 1600 m and 800 m after the E8 peak. E7 and E8 peak depth 1600 m, 800 m, no change of nitrite is observed at the depths rather than the active nitrate decomposition in the field rather than due to the introduction of organic waters into the decomposition of the water is inferred.

○ S-line (North-South direction) Characteristics of water mass using NO / PO: NO / PO ratio showed 1 degree near the surface layer and gradually decreased as water depth deepened. At a depth of 1600 m above the peak of S8, the NO / PO ratio decreased sharply as compared to other peaks.

○ E-line (east-west direction of north latitude 37°) Water properties using NO / PO:

NO / PO ratio showed about 1 near the surface layer and gradually decreased as water depth deepened. The ratio of NO / PO decreases sharply from the other peaks at depths deeper than 800 m at the peak of E7 and 1600 m at the peak of E7.

 

2. Understanding of trace elementary material cycles

○ Using the TEI ultra clean sampling system (NIOZ) installed in the R/V ISABU, the seawater from 10 m depth to the lowest depth of the five peaks of the East Sea

(S1, S4, E1, E5 and E8) Extraction

○ Zn, As and Cd dissolved in the sea water showed similar vertical distribution characteristics as those of nutrients. Mn and Fe showed uniform concentration from the surface to the middle layer, but the concentration increased rapidly in the lower layer. The concentration of Co and Cu decreased from the surface layer to the middle layer and increased toward the lower layer. Pb showed a high concentration of 10 ng / kg in the surface layer, but it gradually decreased in concentration to the lower layer, suggesting supply through the atmosphere.

○ The results of analysis of trace elements such as Co, Cu, Zn, and Pb in the sea of ​​ Donghae are similar to those in the ocean. The results of this study are as follows:

No pollution - free sampling through pretreatment code and clean seawater sampling system, An analysis result of extremely low concentration and accuracy using an automated analysis system was presented.

 

3. Study on the circulation of East Sea material through isotope tracer

1) Traceability of particulate organic carbon sedimentation using Th-234 tracer

○ ²³⁴Th was sampled at each of the eight depths in the top layer at the top of the 500 m vertex at five peaks such as the trace element clean sea water sampling peak.

○ The preliminary results measured from all the 5 vertices to the third show that the depth of depth below about 100 m after removal from the surface layer and Subsurface Chlorophyll maximum (SCM) depth ( ~ 50 m) (Almost constant at ~ 2.4 dpm / L), or it is somewhat excessively re-mineralized.

○ The sediment flux of 234 Th calculated assuming the steady state is 770 ± 890 dpmm^-2d^-1 at the top of the Ulleung Basin (S4, E5, E8) , 990 ± 990 dpm at the E1 peak of the offshore coast of Uljin 190 dpm m^-2d^-1, for strait S1 peak appears 3100 ± 340 calculated as dpm m^-2d^-1 on the search

 

2)

 

Pursuit of biochemical circulation using

 

radioactive isotopes

 

²¹⁰Po/²¹⁰Pb tracer

○ The sea ​​water samples for ²¹⁰Po were collected at the depths of 9-10 at all three stations (13, 19, and 34 vertices) (0, 50, 100, 200, 500, 1000, 1500, 2000 , 2500, 3000 m, etc.).

○ The distribution of ²¹⁰Po in the water layer measured to date is not much different from the general ocean profile.

 

3) Measurement of vertical distribution of seawater artificial radioactivity off the Korean Peninsula

○ The concentration of surface water Cs-137 in the East Sea Ulleung Basin (E5), Ulchin Coastal E1 and Ulsan Basin (S1) was 1.82 ± 0.11 mBq / kg, ± 0.08 mBq / kg, and Pu-239 + 240 showed similar values ​​at all three peaks

○ Cs-137 and Pu-239 + 240 concentration ranges, respectively 1.55 ~ 1.82 mBq / kg, 4.78 ~ 4.92 as μ Bq / kg sea surface Cs-137 and Pu-239 + previous history Fukushima accident (2005 ~ 2010), 240 to the range of <1.19 to 4.04 mBq / kg and 2.11 to 18.0 μ Bq / kg, respectively.

○ In the E5, which is the peak of the Ulleung Basin, the Cs-137 decreases with increasing water depth, while Pu-239 + 240 increases with increasing water depth.

see.

 

4. Understanding carbon dioxide behavior

1) Ocean surface and atmospheric carbon dioxide partial pressure survey

  ○ From January 26 to February 1, 2018, we conducted about 7 days of Donghae exploration and operated underway pCO2 equipment (Model 8050, General Oceanics Inc.) installed in the moving code, and about 2,600 ocean surface layers and atmospheric carbon dioxide partial pressure data Acquire

○ The surface water temperature was in the range of 8.93 ~ 14.44 °C, the mean surface water temperature was 11.53 ± 1.45 °C, the surface salinity was in the range of 34.06 ~ 34.47, and the mean surface salinity was 34.24 ± 0.11. Both surface water temperature and salinity tended to decrease with increasing high latitudes.

○ Marine surface partial pressure of carbon dioxide (fCO2SW) was distributed in a range 321.91 ~ 354.10 μ atm, mean ocean surface partial pressure of carbon dioxide is or was 336.43 ± 6.26 μ atm.As the surface temperature and surface layer salinity distribution of the ocean surface carbon dioxide partial pressure decreases, the distribution decreases as the latitude increases

○ Atmospheric carbon dioxide partial pressure (fCO2AIR ) was 410.13 ± 2.82 μ  atmospheres during the observation period, which is higher than surface ocean carbon dioxide partial pressure, indicating that carbon dioxide moves from the atmosphere to the ocean surface. At this time, the survey area acts as a sink for atmospheric carbon dioxide.

○ Ocean observational research-atmospheric carbon dioxide exchange amount - 0.26 ~ -11.87 showed a range of mol C m^-2 yr^-1, average exchange amount - 3.32 ± 2.04 mol C m represented by a^-2 yr^-1.

○ This temperature (SST) result of examining a partial pressure of carbon dioxide changes according to the change, temperature change is not a key factor of the surface layer as a partial pressure of carbon dioxide changes lnfCO2SW / SST = 0.85 ± 0.02 % °C^-1 for the observation period Given that the study period is winter, we can see that physical mixing is a key process.

 

2) Measurement of carbon dioxide factor in seawater

○ A total of 15 samples were collected from the top to bottom (surface to bottom), and

a total of 271 samples were collected in the laboratory to determine total dissolved inorganic carbon and total alkalinity

○ In the distribution of total alkalinity, relatively low alkalinity seawater is distributed at the same depth.

○ In the eastern slope of the Ulleung Basin, the total dissolved inorganic carbon concentration is high, and the dissolved oxygen concentration is also relatively low, presumably due to the oxidation of deposited organic matter.

○ Until now, the East Sea has been known as a weak sink of atmospheric carbon dioxide in winter, but it has been found that this exploration also absorbs a large amount of atmospheric CO2 in winter.

○ It was confirmed that anthropogenic CO2 could flow into the Ulleung Basin through the mechanism that the sinking water in the northern part of the East Sea descends to the Ulleung Basin due to the influx of the East Sea Middle Stream into the Ulleung Basin .

 

5. Biogeochemistry of organic carbon at sediment-water interface

○ The site survey was carried out on October 21 to October 24, 2018 using the comprehensive oceanographic survey of the Korean Oceanographic Research Institute (IRI) at two locations in the Ulleung Basin (Trap01: 37° 38.61 N, 131° 21.05E, Trap02: 37° 00.46 N, 131° 00.57E), and the vertical distribution of dissolved oxygen in the high-resolution pore water was measured using KIOST BelcII &BelpII

○ The total oxygen uptake rate (TOU) estimated from changes in oxygen concentration over time was estimated to be 1.48 mmol O 2 m^-2 d^-1 . The results showed that the Redfield ratio of oxygen to carbon The oxidation rate of carbon was 1.14 mmol C m^-2 d^-1 . This result was similar to the results of the previous studies by about 20%.

○ The diffusivity oxygen uptake rate (DOU) estimated from the slope of the oxygen concentration in the DBL layer was 1.10 mmol O 2 m^-2 d^-1 . Here, the difference between the total oxygen consumption and the diffuse oxygen consumption rate is the fauna mediate oxygen uptake rate (FOU) due to the respiration and activity of macrobenthos. The estimated FOU is 0.38 mmol O 2 m^-2 d^-1 , which corresponds to about 25% of the total oxygen consumption.

○ Ammonia flux in Trap01 - 0.022 mmol m^-2 d^-1 and in Trap02 - was estimated to be 0.15 mmol m^-2 d^-1 showed a high result in Trap02.

○ NOx - low rise flux showed a difference of about 6 times in Trap01 0.29 mmol m^-2 d^-1, Trap02 as 1.68mmol m^-2 d^-1.

○ The flux of all low-rise high in nutrients, appeared islets and close to the point where Trap02 "Island effect" Dokdo is expected on many influences.

○ Sulfate reduction rate (SRR) was in the range of 3.02 ~ 4.21 nmol cm^-3 d^-1 in

Trap01, which was lower in the surface layer and almost uniform vertical distribution at depth below. Trap02 also ranged from 2.05 to 4.82 nmol cm^-3 d^-1 without any unusual vertical distribution.

○ The oxidation rate of total organic carbon in Trap01 was estimated to be 1.14 mmol C m^-2 d^-1 . Applying the SRR results here, it is judged that more than 60% of organic carbon is decomposed by sulfate reduction.

 

Ⅴ . Plan to utilize R&D results  

○ The first vertical distribution of trace metals in the East Sea will provide good data for other researchers in the East Sea and will serve as a contribution to future research in the field of trace metals.

○ Climate change, etc., are widely used in the international DB, but they are mainly based on ocean data. Recently, there is a growing demand for data of the continental shelf such as the East Sea. Therefore, it is not our own research results that list the East Sea observations in a timely and international database quoted by researchers from all over the world, but it provides a basis for future researchers to make good research results.

○ It is expected that we will be able to complete vertical distribution of various chemical species with our power in the East Sea.

KEYWORDS : 동해, 물질순환, 미량원소, 이산화탄소, 추적자

East Sea, Material Cycle, Trace Elements, Carbon Dioxide, Tracer

C O N T E N T S

Chapter 1 Introduction ···1

1. Purpose ···1

2. Necessity ···1

3. Contents and scope ···3

Chapter 2 Current Status of Research ···4

1. Domestic Status ···4

2. Foreign Status ···5

Chapter 3 Results ···6

1. Understanding of East Sea characteristics through chemical tracer ···6

2. Understanding of trace elementary material cycles ···15

3. Study on the circulation of East Sea material through isotope tracer ··· 26

4. Understanding carbon dioxide behavior ···37

5. Biogeochemistry of organic carbon at sediment-water interface ···44

Chapter 4 Achievment and Contribution ···52

Chapter 5 Plan to utilize results ···53

Chapter 6 References ···54

목 차

제 1 장 서 론 ···1

제 1 절 연구 개발의 목적 ···1

제 2 절 연구개발의 필요성 ···1

제 3 절 연구개발의 범위 ···3

제 2 장 국내외 기술개발 현황 ···4

제 1 절 국내 연구 현황 ···4

제 2 절 국외 연구 현황 ···5

제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ···6

제 1 절 화학적 추적자를 통한 동해 특성 이해 ···6

제 2 절 미량원소 물질 순환의 이해 ···15

제 3 절 동위원소 추적자를 통한 동해 물질순환 연구 ···26

제 4 절 이산화탄소 거동 특성 이해 ···37

제 5 절 저층경계면에서 유기탄소의 생지화학적 순환 정량 ···44

제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ···52

제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ···53

제 6 장 참고문헌 ···54

<표 차례>

<표 3.5.1> 저층 영양염 플럭스 결과 ···50

<그림 차례>

<그림 3.1.1> 해수 산소안정동위원소 시료채취 정점 ···7

<그림 3.1.2> Auto-sampler에 배치한 증류수(상단)와 공기 온도 변화(하단) ···8

<그림 3.1.3> 실내에 비치한 CO2 표준가스와 He 가스 ···8

<그림 3.1.4> Equilibration 시간에 따른 해수

δ

¹⁸O 변화 ···9

<그림 3.1.5> Working standard vial 밀봉 및 제조 ···10

<그림 3.1.6> S-line (남북방향) 영양염 분포특성 ···11

<그림 3.1.7> E-line (북위 37도의 동서방향) 영양염 분포특성 ···12

<그림 3.1.8> S-line (남북방향)에서 수온, 염분, NO/PO, N^*, 산소와 질산염+아질산염 관 계 특성 ···13

<그림 3.1.9> E-line (남북방향)에서 수온, 염분, NO/PO, N*, 산소와 질산염+아질산염 관 계 특성 ···14

<그림 3.2.1> Station map for seawater sampling using UCC in the East Sea of Korea ···15

<그림 3.2.2> Analytical results for trace metals in the nearshore seawater certified reference ···16

<그림 3.2.3> Contamination of Mn and Fe by UCC at St. S4 ···17

<그림 3.2.4> Vertical profiles of dissolved V, Cr, Mn and Fe in seawater from the East Sea ···20

<그림 3.2.5> Vertical profiles of dissolved Co, Ni, Cu and Zn in seawater from the East Sea ···21

<그림 3.2.6> Vertical profiles of dissolved As, Mo, Cd and Pb in seawater from the East Sea ···22

<그림 3.2.7> Vertical profiles of dissolved Er, Tm, Yb and Lu in seawater from the East Sea ···23

<그림 3.2.8> Vertical profiles of nutrients and trace metals in seawater at St. E5 ··· 24

<그림 3.2.9> The results of dissolved trace metals in seawater from the East Sea with the elements in the periodic table ···25

<그림 3.3.1> 본 연구진이 개발한 다채널 해수 시료 여과장치 및 여과된 입자상 POC시 료 ···27

<그림 3.3.2> 방사성동위원소 추적자 Th-234 시료채취 정점 ···27

<그림 3.3.3> Mn 공침전물을 만들기 위해 전처리 중인 시료를 heating시키는 모습과 침 전물 생성 후 여과 직전 침강 시키는 모습 ···28

<그림 3.3.4> Mn 공침 시료를 여과하고 이를 계측 전 plating한 모습 ···29

<그림 3.3.5> 본 연구에 사용된 방사능 계측기인 베타(

β

)-카운터와 실제 계측 화면 ···29

<그림 3.3.6> 본 연구에서 측정한 동해 수층에서 입자태와 용존태의 Th-234 예비결과 30 <그림 3.3.7> 각 시료의 철 침전물 (상등액 제거 후) 생성 모습과 여과 모습 ···32

<그림 3.3.8> 동해 수층에서 Po-210의 수직 분포 예비결과 ···33

<그림 3.3.9> 동해 인공 방사능 오염 현황 조사 사업 시료채취 지원 정점 ···34

<그림 3.3.10> 인공방사능 측정용 동해 대용량 해수시료 채취 ···34

<그림 3.3.11> 해수 시료 인공방사성핵종 순차 분석 전처리 과정 ···35

<그림 3.3.12> 동해 해수 중 수층별 Cs-137 농도 분포 및 동해 해수 중 수층별 Pu-239,240 농도 분포 ···36

<그림 3.4.1> 이산화탄소 분압 관측 라인(초록 점선)과 이산화탄소 인자 조사 정점도 (총 15개) ···37

<그림 3.4.2> 표층 수온과 염분 분포 ···38

<그림 3.4.3> 해양 표층 이산화탄소 분압과 해양-대기 이산화탄소 분압차 ···39

<그림 3.4.4> 해양-대기 이산화탄소 교환량 ···40

<그림 3.4.5> 수온, 염분에 따른 표층 이산화탄소 분압 분포와 평균 수온에 표준화된 표 층 이산화탄소 분압 분포 ···41

<그림 3.4.6> 총 용존 무기탄소(DIC)와 총 알칼리도(TA) 정밀도 모니터링 결과 ···41

<그림 3.4.7> 위도별 full depth와 수심 1,000 m 까지에서의 수온과 염분 분포도 ···42

<그림 3.4.8> 위도별 full depth와 수심 1,000 m까지에서의 총 용존 무기탄소와 총 알칼 리도 분포도 ···43

<그림 3.5.1> 정점 Trap01에서 수온, 염분, 용존산소의 수직분포 ···47

<그림 3.5.2> 정점 Trap01에서 현장 배양 시 챔버 내 용존산소 변화 결과 ···48

<그림 3.5.3> 공극수중 용존산소의 수직분포 및 시간에 따른 분포 특성 변화 ···49

<그림 3.5.4> 챔버 배양수 중 영영염의 농도 변화 ···50

<그림 3.5.5> 황산염 환원율 수직분포 ···51

제 1 장 서 론

최종 연구 목표: 이사부호를 이용한 동해 탐사를 통해, 각종 기후변화 인자들의 대기-해 수-퇴적물 간 물질 순환 및 거동을 추적 연구한다.

○ 기후변화/환경변화에 따른 대기-해수-퇴적물을 망라한 종합적인 해양환경 이해 필요 - 해양의 물리/화학적 특성, 생태적 특성뿐만 아니라 대기-해수-퇴적물을 망라하여 미

량원소까지 포함된 종합적인 물질 순환연구는 기후변화/환경변화와 관련하여 급변하 는 해양환경의 종합적인 이해에 필수적임.

- 이러한 종합적인 이해가 선행되어야 미래의 해양 생태계의 보존을 위한 적절한 대책 을 강구할 수 있음.

- 해양의 대기 이산화탄소 흡수 능력의 변화는 미래 대기 이산화탄소 농도 추정 및 기 후 변동 예측에 매우 중요한 항목이며, 이는 다양한 프로세스에 의해 변할 수 있기 때문에 지역 스케일에서 연구될 필요가 있음.

- 한반도 주변해역과 같은 대륙 주변해 사면의 해저면에서 입자성 유기물의 생지화학 적 순환은 저층과 수층의 환경을 결정하는 주요한 요인으로 정량적인 해석이 필요 함.

○ 우리나라 주변해의 미량원소 및 동위원소 등의 데이터의 부재

- 2000년대 중반부터 전 세계 30여 개국이 참가하는 해양에서 생지화학적 작용의 추적 자로 활용되는 미량원소와 이들의 동위원소 분포를 조절하는 과정 및 플럭스 등을 밝히는 국제 공동 연구 GEOTRACES 프로그램이 활발히 진행 중임.

- 동아시아에서 일본은 J-GEOTRACES를 통해 2009년부터 동해에 대한 연구를 그리 고, 중국은 동중국해를 포함한 자국 관할권 해역에서의 미량원소 분포 연구를 수행 하고 있으나, 우리나라 관할해역에 대한 자료는 전무함.

- 관련 연구기반 구축(이사부호, 청정해수채취시스템, KIOST Open Lab을 통한 최신 장비 도입)으로 KIOST만이 할 수 있는 연구임.

○ 동해에서 TEIs의 분포 및 물질순환 연구 필요성

- 우리나라 근해는 지난 100년간 세계적으로 가장 온난화한 해역의 하나로 파악되고 있으며, 쿠로시오 해류의 강화나 북향 등이 이러한 원인의 하나로 파악되고 있어, 우

리나라 주변해역 해양환경 및 기후변화의 이해 및 미래변동을 예측하기 위해서는 동 해 환경을 이해할 필요가 있음.

- 이를 기반으로 전 지구적 TEIs 물질순환에서 동해의 역할 규명이 필요함.

○ 최근 구축된 최첨단 연구 인프라의 적극 활용 필요성

- 글로벌급 이사부호 및 세계 최첨단 청정해수시스템 구축에 따른 극미량원소 연구시 대가 개막

- MC-ICP-MS, High Resolution IRMS 등 KIOST Open Lab을 통해 도입된 최신장 비 활용하여 최상의 연구성과를 창출 할 수 있음.

○ 해양의 대기 이산화탄소 흡수 능력의 변화는 미래 대기 이산화탄소 농도 추정 및 기 후 변동 예측에 매우 중요한 항목이며, 이는 다양한 프로세스에 의해 변할 수 있기 때문에 전 지구적 뿐만 아니라 지역 스케일에서 연구될 필요가 있음.

○ 동해가 내부로 흡수하는 대기 이산화탄소량 및 그 변화 연구는 2000년대 후반에 이루 어졌지만, 그 이후 어떤 요인에 의해 어떤 변화가 있는지의 연구는 거의 이루어지지 않음. 기후 변화 연구에 있어서 많은 장점들(대양과 비슷한 구조, 빠른 순환 주기 등) 을 가진 동해에서의 이산화탄소 흡수 및 변동, 그로 인한 영향 등의 연구는 학술적 가치가 매우 큼.

○ 동해의 전 지구적 기후변화에 민감하게 반응하여 마치 “barometer" 역할을 하는 해역 임. 수주에서 장·단기의 생지화학적 물질 순환 특성 변화는 저층 경계면에 영향을 줌 으로 이곳에서 탄소순환과 관련한 정보의 정량화는 기후변화를 이해하는데 필수적임.

○ 동해 울릉분지는 다른 대륙 주변해 보다 높은 기초 생산력을 갖고 있으며, 다양한 해 양학적 현상들과 연계되어져 있음. 수중에서 생성된 입자성 물질의 최종 종착지는 해 저 퇴적물로 수층과 저층에서 입자성 유기탄소의 생지화학적 순환의 정량화는 필수적 임.

○ 화학적 추적자를 통한 동해 특성 이해

- 안정 동위원소를 이용한 동해 수괴 특성 및 해양 생태계 이해 - CFCs등 화학적 추적자 분석을 통한 동해 심층 해수의 연령 파악 - 질산염/용존산소 고해상 3차원 분포 특성 파악

- NO, PO등의 화학추적자와 이들의 비(NO/PO)를 이용한 동해 수괴 특성 이해

○ 미세 영양염으로서의 미량원소의 동해 물질 순환 및 생태계 영향 연구 - 국내 최초로 한반도 주변 해역 미량원소 분포도 작성 및 특성 규명

- 동해 수층의 물리특성에 의한 미량원소 분포 영향 파악/환경변동 요인 파악

- 해양 극미량원소 연구 경험축적/분석기술 고도화를 통한 선진국 수준의 연구능력 확 보

○ 동위원소 추적자를 통한 동해 물질 순환 연구

- 방사성 동위원소 ²³⁴Th 추적자 이용한 미량금속/유기 탄소 (침강)순환 규명

- 인공 방사능 물질 물질수지 평가를 통한 일본 원전방사능 유출 물질의 동해 유입 평 가(타 과제“해양방사능 유출사고 대응 지원체계 구축 및 해양방사능 오염현황조사”

와 연계)

○ 동해에서 대기 이산화탄소 흡수율 및 해양산성화 연구

- 해양 내 탄소인자 관측을 통한 해양탄소분포 및 조절과정 분석 - 동해 해양-대기 CO2 플럭스 산출

- anthropogenic CO2 변화 파악: 1990년대 자료와의 비교를 통해 지난 20년간 anthropogenic CO2 변화 파악

- 동해 산성화 현황 파악: 아라고나이트 포화 수심 산출

○ 해수-퇴적물 경계면의 물질 순환 연구 - 심해용 eddy correlation 기법 개발

- Benthic lander(chamber, microprofiler) 운영 - 유기 탄소 산화율 측정

- 저층-수층간의 물질 교환율 추정 - 저층경계면의 Time-lag 이미지 촬영

제 2 장 국내외 기술개발 현황

○ 기존의 우리나라 주변해 연구는 국지적으로 물리적인 특성 파악(수온, 염분 등)이 주 요하며 생물이용성과 관련된 영양염, 유기탄소, 이산화탄소 등 일부 원소에 국한되어 연구가 진행되었으나 미량원소, 다양한 화학적 추적자 및 퇴적물 경계면을 포함한 종 합적인 연구는 본 연구가 최초임.

○ 기존 해양 미량원소 연구의 부재

- 국내 보유 기존 연구선들은 청정 해수 채취장비 및 기술의 부재로 국내 연구진으로 부터 해양 미량원소 분포 연구 결과 발표가 전무함.

- 이사부호 기반, 해양 미량원소 연구를 연구원 주요사업의 일부분으로 최근 (2017년) 인도양에서 시작하였으나, 우리 영해 및 한반도 주변 해역(동해, 황해, 남해, 동중국 해 등)에서 미량원소 거동 및 순환에 대한 연구는 전무함.

○ 대형연구조사선인 이사부호의 취역 및 Ultra-trace clean sampling system 도입을 통 해 국제적 수준의 TEIs연구(*GEOTRACES 연구)가 수행가능하게 되었으나, 우리나라 영해 및 한반도 주변해역에서 TEIs 분포, 거동 및 순환에 대한 연구는 전무함.

*2000년대 중반에서 30여 개국이 참여하는 전세계 대양 미량원소/동위원소 공동연구프로 그램

○ 국내에서의 기존 해양 내부 이산화탄소 흡수 연구는 일본분지를 중심으로 이루어졌음 - 동해가 산업혁명 이후에 흡수한 총 이산화탄소량이 정량화되었으며 (Park et al.,

2006), 동해 내부로 이산화탄소를 흡수하는 가장 큰 기작인 심층수 형성이 일어나는 일본분지에서는 1992-1999년에 비해 1999-2007년 사이에 300 m 이하로 anthropogenic CO2 흡수가 일어나지 않은 것으로 밝혀짐. 이는 심층수 및 중층수 형 성의 약화로 기인함 (Park et al., 2008).

- 동해가 흡수한 대기 이산화탄소로 인한 해양 내부의 탄산칼슘 포화도 변화가 연구되 었음(Park et al., 2006). 산업혁명 이후 흡수한 이산화탄소로 인해 aragonite의 탄산 칼슘 포화도 선은 약 80-220 m, calcite의 탄산칼슘 포화도 선은 약 500-700 m 상승 하였음.

○ EAST-I 연구에서 동해 남부 사면 및 울릉분지에서 입자성 유기탄소 산화율 및 저층 플럭스 추정

- 유기탄소 산화율 및 수심과의 관계 도출 - 퇴적물에서 입자성 유기물의 분화 플럭스 추정

○ 일본은 2009년부터 해양에서 생지화학적 작용의 추적자로 활용되는 미량원소와 이들 의 동위원소 분포를 조절하는 과정 및 플럭스 등을 밝히는 GEOTRACES 프로그램의 일환인 J-GEOTRACES (Japan)를 통해 동해에 대한 연구를 수행하고 있음한 연구는 전무함

○ 미국, 일본, 유럽 등의 국가는 CLIVAR repeat hydrography 국제관측 프로그램을 통 해 전 대양을 10년에 한번 씩 탐사하여, 이산화탄소 흡수 변동 및 변동 인자 연구를 꾸준히 수행 중임.

- 남극해의 경우 1990년대에는 이산화탄소 흡수가 감소하였으나, 2000년대 들어서는 대기 이산화탄소 흡수가 다시 증가하는 것으로 밝혀짐 (Ritter et al., 2017).

○ SEEP 연구에서 대서양 및 태평양의 대륙사면에서 질소와 입자성 유기탄소 순환 연구 - 대륙사면 주변 퇴적물은 입자성 유기물의 “depocenter”

- 대륙사면 해저면에서 대량의 질소가 탈질산화 과정을 통해 제거

○ 심해 분지의 유기물 거동은 수주의 계절적 생산력과 밀접한 관계가 있으며, 이들의 이 동특성에 따라 생지화학적 순환 특성이 결정됨

제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과

1. 해수 산소 안정동위원소(

δ

¹⁸O-H2O) 가. 연구배경

산소 안정동위원소는 해양 수괴 연구에 화학적 추적자로서 활용될 수 있는데 이는 해 수의 증발과 응결 과정에서 질량 의존적인 반응을 반복적으로 거치게 되면서 동위원소 조성 비율이 해역에 따라 특정한 값을 보이기 때문이다. 혼합, 증발과 강우의 물리적 작 용을 거친 표층수가 가라앉아 심층수를 형성하기 때문에 해수를 구성하고 있는 산소의 안정동위원소 조성 비율은 고유한 값으로서 해수의 특성을 잘 나타낼 수 있다. 본 연구에 서는 해수 산소 안정동위원소를 이용하여 동해의 수괴 특성을 이해하고자 한다.

나. 시료채취 방법 및 채취정점

○ Niskin bottle에서 약 10 ml의 amber vial에 기포가 들어가지 않게 바닥부터 조심스 럽게 채수하고 최소한 10 ml 이상이 넘치게 하여 대기와 접촉한 해수가 채수되지 않 도록 하며 head space가 생기지 않도록 한다. 증발되지 않도록 채수 후 곧바로 20 mm septa와 seal로 밀봉하며 시료는 실온 보관한다.

○ 해수 산소안정동위원소의 시료는 12개 정점의 표층에서 저층까지 총 236개를 채취하 였다(<그림 3.1.1>).

<그림 3.1.1> 해수 산소안정동위원소 시료채취 정점

다. 산소 안정동위원소 분석을 위한 사전 실험 결과 (1) 동위원소 비 질량분석기(IRMS) 안정화

○ Gasbench-IRMS 모듈 안정화를 점검하기 위해 분석 기체 O2(32 mass), CO2(45 mass)의 감도 안정성을 살펴봄. Gasbench-IRMS의 background 확인 결과를 토대로 기기 안정화 기준에 도달할 수 있도록 모듈 내에 흐르는 He의 레귤레이터를 조절하 여 flow rate를 약 1 ml/min으로 설정

○ 정확한 해수의 산소 안정동위원소를 분석하기 위해서는 일정한 온도를 유지한 상태에 서 장시간 동안 water-vapor (H2O-CO2)가 평형을 이루어야 함. Auto-sampler가 일 정 온도를 지속적으로 유지하는 지 확인하였음. 15시간 동안 auto-sampler의 온도 변 화 추이를 살펴본 결과 24℃로 온도를 설정했을 때 실온, 기온 모두 설정온도로 잘 유지하였음(<그림 3.1.>).

<그림 3.1.2> Auto-sampler에 배치한 증류수(상단)와 공기 온도 변화(하단)

(2) 해수 산소 안정동위원소 비 질량 분석을 위한 실험 환경 마련

○ 가을/겨울철 실험 시, 실외에 보관·사용 중이던 CO2 표준가스가 온도 일교차 변화

(>10℃)에 의해 주·야간의

δ

¹⁸O 값(>2‰)이 차이를 보여 항온을 유지하고 있는 실험 실에 CO2 표준가스를 배치하고 이와 새로 연결하여 온도 변화에 의해 CO2 표준가스 의 성질이 변하지 않도록 보완하였음.

<그림 3.1.3> 실내에 비치한 CO2 표준가스와 He 가스

○ He 가스(carrier gas)의 독립적 사용을 위한 가스관 시스템 변경

- Gasbench-IRMS 모듈에서 사용되는 He의 양은 소량이나 EA-IRMS 모듈은 furnace 에 의해 He의 소비가 크기 때문에 He의 잦은 교체가 불가피함. 따라서 가스의 잦은 교체로 인해 분석 효율성이 떨어질 것이 우려됨.

- 소비 속도가 상이한 두 모듈시스템의 He 가스 라인을 분리하여 설치하였음.

(3) 해수 산소 안정동위원소 비 질량 분석 체계 구축

○ 해수의 water-vapor equilibration 적정 시간 결정

- 일정한 온도에서 해수의 water-vapor equilibration 과정은 약 2-5일이 소요됨.

Equilibrium이 완료되는 시점을 알고자 시간에 따른 해수의

δ

¹⁸O의 변화를 살펴봄.

- 약 50시간(2일 이상) 이상 지난 후 일정한

δ

¹⁸O에 수렴함. 따라서 equilibration 시간 은 최소 50시간 이상으로 함.

<그림 3.1.4> Equilibration 시간에 따른 해수 δ¹⁸O 변화

○ 표준물질을 이용한 working standards 제조 및 평가

- 국제 원자력 기구(IAEA)가 제공하는 표준물질 VSMOW2(0‰)와 IAEA-604 (-5.8 6.‰)를 이용하여 해수 산소 안정동위원소 분석에 사용할 working standards의

δ

¹⁸O 를 결정

- Working standard는 해수, 3차 증류수, 그리고 해수와 증류수를 혼합하여 총 세 종 류를 제조하였음. 분석 시 사용되는 시료의 양은 250∼300 µl이며 working standard 는 1.5 ml amber vial에 증발이 일어나지 않도록 head space가 없이 담은 후 밀봉 함.

- 해수, 증류수, 해수-증류수 혼합액 각각 working standard의

δ

¹⁸O은 0.083, -8.062, -4.202‰로 결정되었음.

<그림 3.1.5> Working standard vial 밀봉 및 제조

2. 영양염

가. 질산염/용존산소 고해상 3차원 분포 특성 파악

○ S-line (남북방향) 영양염 분포특성

- 표층에서 수심 150 m 정도까지 인산염, 질산염+아질산염, 규산염의 농도는 약 0.5 µmol kg^-1, 약 7 µmol kg^-1, 그리고 약 10 µmol kg^-1 정도의 값을 보임.

- 인산염과 질산염+아질산염은 150 m보다 깊은 수심에서 500 m 까지 급격하게 증가 하다 일정하게 유지되었으며 규산염은 바닥까지 계속 증가하는 경향이 나타남. 특 이하게 제일 북쪽에 위치한 S8정점에서 수심 1500 m 이후에 인산염, 질산염+아질 산염, 규산염의 농도가 다른 정점들 보다 높게 나타남. S8정점 수심 1500 m 보다 깊은 곳에서 아질산염의 변화가 없는 것으로 보다 현장에서 영양염의 분해가 활발 하게 일어나고 있기보다는 어딘가에서 유기물분해가 진행된 해수의 유입에 의한 것 으로 유추됨.

- 암모늄은 약 0.1 µmol kg^-1정도 이하의 값이 전 수심에 걸쳐 나타났으며 아질산염 은 표층에서 수심 약 150 m 까지 약 0.1∼0.25 µmol kg^-1정도의 값을 보이다가 수 심 약 300 m 까지 검출한계까지 급격하게 감소함.