[캐나다] 대서양 개빙구역에서 발견되는 데드존
 독일과 캐나다 과학자로 구성된 연구팀은 산소가 극도로 낮은 지역을 발견하고 있는데 그곳은 열대 북대서양, 서 아프리카 근해에서 수백 킬로미터에 이른다. 대부분의 해양 동물이 서식할 수 없는 이 데드존은 대서양 개빙구역에서 가장 낮은 산소 농도를 기록하고 있다. 데드존은 서쪽으로 느리게 이동하면서 회오리와 소용돌이치는 거대한 물에서 생성되며 이 같은 연구가 최근 바이오지구과학(Biogeosciences)에 최근 게재돼 눈길을 끌고 있다.
데드존은 해양에서 산소가 고갈된 지역으로, 물고기와 게 같은 대부분의 해양 동물은 이 곳에서 서식할 수 없으며 오직 특정 미생물만이 살 수 있다. 환경적인 영향 외에도 데드존은 상업적인 어업과 경제적인 이해관계가 있으며 매우 낮은 산소 농도는 발틱해(Baltic Sea)와 다른 해양의 어업량 감소와 연관된다.
논문의 주저자인 헬름홀츠 해양연구소(GEOMAR, the Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel) 연구원인 요하네스 카스텐센(Johannes Karstensen)은 “이전 연구에서는 북대서양 개방 구역의 최저 산소농도가 해수 리터당 40마이크로 몰 또는 용존산소가 1밀리미터로 여겨지고 있다”고 말했다. 이 산소 농도는 낮지만 대부분의 물고기들이 생존할 수 있다. 반대로 현재 측정된 산소 농도의 최저 수준은 과거 최저 수치보다 약 20배나 낮아 데드존에 거의 모든 산소가 없으며 대부분의 해양 생물이 서식하기에 적합하지 못하다.
데드존은 강이 종종 비료와 다른 화학적 영양소를 해양으로 전달하는 해안선 근처에서 대부분 발생하며 이 물질은 수화현상을 일으킨다. 조류가 죽고 해저로 가라앉아 박테리아에 의해 분해되는데 산소가 이용된다. 해류는 이 저산소 해수를 해안으로부터 운반할 수 있지만 개빙구역에서 데드존이 형성되는 것은 발견되지 않고 있다.
새로 발견된 데드존은 소용돌이를 형성하는 점에서 독특한데, 거대한 물이 소용돌이 패턴에서 회전하고 있다. 카스텐센은 “매우 자세히 관측된 극소수의 소용돌이는 직경 100~150킬로미터, 수 백 미터 높이의 회전하는 실린더일 수 있으며, 데드존은 상부 100미터 정도에서 자리를 잡는다”고 말한다. 데드존 소용돌이 부근의 지역은 산소 농도가 높다.
카스텐센은 “소용돌이의 급속한 회전은 회전하는 해류와 주변 해양 사이의 경계를 가로지르는 산소의 교환을 매우 어렵게 한다”면서 “더욱이 순환은 강한 식물의 성장을 뒷받침하는 소용돌이 치는 물의 정상에서 수십 미터에 이르는 매우 얕은 층을 만든다”고 전했다. 이러한 식물의 성장은 해안지역에서 발생하는 수화 현상과 비슷하며 침강하는 식물 물질을 박테리아가 분해하면서 이용가능한 산소를 심해에서 소비하게 된다. 이어 그는 “측정을 통해 우리는 소용돌이 내에서 산소의 소비가 정상적인 해양 조건보다 5배 이상 더 많은 것으로 추정했다”고 말했다.
이번 논문에서 연구된 소용돌이는 서아프리카 해안을 따라 흐르는 안정적으로 되는 곳에서 형성된다. 이후 그들은 지구자전으로 인해 서쪽으로 천천히 여러 달 동안 이동한다. Karstensen은 “초기에 산소가 있었던 물은 소용돌이의 회전 속도 및 식물 성장과 같은 인자에 좌우되기 때문에 더욱 산소가 고갈되고 데드존은 소용돌이 내에서 발전한다”고 설명한다. 연구팀은 산소 농도는 무산소에 가까운 범위에서 해수 리터당 0.3밀리미터일 뿐이라고 보고한다. 이 수치는 더욱 극적인데 소용돌이 바깥의 얕은 깊이에 존재하는 산소 수준과 비교할 때 100배나 높기 때문이다.
연구자들은 서 아프리카 해안(West African)과 카보베르데 제도(Cape Verde Islands) 근해에서 관측을 지도하면서 산소 농도뿐만 아니라 해수의 움직임, 온도, 염분도 측정하고 있다. 또한 데드존을 연구하기 위해 부표를 포함한 몇 가지 툴을 이용했으며 식물 성장을 측정하기 위해 해양 표면의 색상을 관측하는 인공위성도 활용했다.
관측결과 그들은 데드존의 특성을 측정할 뿐만 아니라 생태계에 미치는 영향도 연구할 수 있었다. 동물성 플랑크톤은 해양 먹이사슬에서 중요한 역할을 하는 작은 동물로 밤에는 식물을 먹기 위해 수면으로 이동한 후 낮에는 포식자들을 피하기 위해 심해의 어두운 물로 숨는다. 한편 연구자들은 소용돌이에서 동물성 플랑크톤이 수면에 계속 있으며 심지어 낮에도 그러하며 하부의 저산소 환경으로 들어가지 않는 것을 지적했다.
카스텐센은 “생태계 영향과 관련된 다른 측면은 사회경제적인 차원”이라고 말하면서 “우리가 관측한 데드존은 카보베르데 군도의 북부 100km 내에서 증식하는데 이는 해안을 저산소 해수의 훙수로 덮게 할 수 있으며 해양생태계에 심각한 스트레스를 줘 물고기를 죽이고 다른 해양 생물을 급격히 소멸시킬 수 있다”고 말했다.
참조: J. Karstensen, B. Fiedler, F. Schütte, P. Brandt, A. Körtzinger, G. Fischer, R. Zantopp, J. Hahn, M. Visbeck, D. Wallace. Open ocean dead zones in the tropical North Atlantic Ocean. Biogeosciences, 2015; 12 (8): 2597 DOI: 10.5194/bg-12-2597-2015
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 6일]
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'Dead zones' found in Atlantic open waters: Moving west, could lead to mass fish kills
A team of German and Canadian researchers have discovered areas with extremely low levels of oxygen in the tropical North Atlantic, several hundred kilometres off the coast of West Africa. The levels measured in these 'dead zones', inhabitable for most marine animals, are the lowest ever recorded in Atlantic open waters. The dead zones are created in eddies, large swirling masses of water that slowly move westward. Encountering an island, they could potentially lead to mass fish kills. The research is published today in Biogeosciences, an open access journal of the European Geosciences Union (EGU).
Dead zones are areas of the ocean depleted of oxygen. Most marine animals, like fish and crabs, cannot live within these regions, where only certain microorganisms can survive. In addition to the environmental impact, dead zones are an economic concern for commercial fishing, with very low oxygen concentrations having been linked to reduced fish yields in the Baltic Sea and other parts of the world.
"Before our study, it was thought that the open waters of the North Atlantic had minimum oxygen concentrations of about 40 micromol per litre of seawater, or about one millilitre of dissolved oxygen per litre of seawater," says lead-author Johannes Karstensen, a researcher at GEOMAR, the Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, in Kiel, Germany. This concentration of oxygen is low, but still allows most fish to survive. In contrast, the minimum levels of oxygen now measured are some 20 times lower than the previous minimum, making the dead zones nearly void of all oxygen and unsuitable for most marine animals.
Dead zones are most common near inhabited coastlines where rivers often carry fertilisers and other chemical nutrients into the ocean, triggering algae blooms. As the algae die, they sink to the seafloor and are decomposed by bacteria, which use up oxygen in this process. Currents in the ocean can carry these low-oxygen waters away from the coast, but a dead zone forming in the open ocean had not yet been discovered.
The newly discovered dead zones are unique in that they form within eddies, large masses of water spinning in a whirlpool pattern. "The few eddies we observed in greater detail may be thought of as rotating cylinders of 100 to 150 km in diameter and a height of several hundred metres, with the dead zone taking up the upper 100 metres or so," explains Karstensen. The area around the dead-zone eddies remains rich in oxygen.
"The fast rotation of the eddies makes it very difficult to exchange oxygen across the boundary between the rotating current and the surrounding ocean. Moreover, the circulation creates a very shallow layer -- of a few tens of meters -- on top of the swirling water that supports intense plant growth," explains Karstensen. This plant growth is similar to the algae blooms occurring in coastal areas, with bacteria in the deeper waters consuming the available oxygen as they decompose the sinking plant matter. "From our measurements, we estimated that the oxygen consumption within the eddies is some five times larger than in normal ocean conditions."
The eddies studied in the Biogeosciences article form where a current that flows along the West African coast becomes unstable. They then move slowly to the west, for many months, due to the Earth's rotation. "Depending on factors such as the [eddies'] speed of rotation and the plant growth, the initially fairly oxygenated waters get more and more depleted and the dead zones evolve within the eddies," explains Karstensen. The team reports concentrations ranging from close to no oxygen to no more than 0.3 millilitres of oxygen per litre of seawater. These values are all the more dramatic when compared to the levels of oxygen at shallow depths just outside the eddies, which can be up to 100 times higher than those within.
The researchers have been conducting observations in the region off the West African coast and around the Cape Verde Islands for the past seven years, measuring not only oxygen concentrations in the ocean but also water movements, temperature and salinity. To study the dead zones, they used several tools, including drifting floats that often got trapped within the eddies. To measure plant growth, they used satellite observations of ocean surface colour.
Their observations allowed them to measure the properties of the dead zones, as well as study their impact in the ecosystem. Zooplankton -- small animals that play an important role in marine food webs -- usually come up to the surface at night to feed on plants and hide in the deeper, dark waters during the day to escape predators. However, within the eddies, the researchers noticed that zooplankton remained at the surface, even during the day, not entering the low-oxygen environment underneath.
"Another aspect related to the ecosystem impact has a socioeconomic dimension," says Karstensen. "Given that the few dead zones we observed propagated less than 100 km north of the Cape Verde archipelago, it is not unlikely that an open-ocean dead zone will hit the islands at some point. This could cause the coast to be flooded with low-oxygen water, which may put severe stress on the coastal ecosystems and may even provoke fish kills and the die-off of other marine life."
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