Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea and Its Relation to the Physico-Chemical Properties of Water Masses

Article

Vol. 34(4):413-430

http://dx.doi.org/10.4217/OPR.2012.34.4.413 Ocean and Polar Research December 2012

동해 전역에 장기간 발달하는 아표층 엽록소 최대층과 수괴의 물리 화학적 특성과의 상관관계

노태근

·이동섭

·김규범

·장경일

·나태희

·김경렬

1부산대학교 자연과학대학 해양학과/해양연구소 (609-735) 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2

2서울대학교 자연과학대학 지구환경과학부

3서울대학교 자연과학대학 BK21 지구환경과학 사업단 (151-742) 서울시 관악구 관악로 599

Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea and Its Relation to the Physico-Chemical Properties of Water Masses

TaeKeun Rho

, Tongsup Lee

, Guebuem Kim

, Kyung-Il Chang

, TaeHee Na

, and Kyung-Ryul Kim

1Department of Oceanography/Marine Research Institute, College of Natural Sciences, Pusan National University, Busan 609-735, Korea

2School of Earth & Environmental Sciences, College of Natural Sciences, Seoul National University

3BK21 School of Earth & Environmental Sciences, College of Natural Sciences, Seoul National University Seoul 151-742, Korea

Abstract : To understand the scales of the spatial distribution and temporal duration of the subsurface chlorophyll-a maximum (SCM) observed in the Ulleung Basin of the East Sea, we analyzed physical and chemical data collected during the East Asian Seas Time-series-I (EAST-I) program. The SCM layer occurred at several observation lines from the Korea Strait to 37.9

N in the Ulleung Basin during August of 2008 and 2011. At each observation line, the SCM layer extended from the coast to about 200 km off the coast. The SCM layer was observed between 30 and 40 m depth in the Ulleung Basin as well as in the northwestern Japan Basin along 132.3

E from 38

N to 42.3

N during July 2009, and was observed around 50 m depth in the northeastern Japan Basin (135-140

E and 40-45

N) during July 2010. From these observed features, we hypothesize that the SCM layer observed in the Ulleung Basin may exist in most of the East Sea and may last for at least half-year (from the early May to late October). The nutrient supply mechanism for prolonged the SCM layer in the East Sea was not known, but it may be closely related to the horizontal advection of the nutrient rich and low oxygen waters observed in the Korea Strait between a 50 m depth to near the bottom. The prolonged development of the SCM layer in the Ulleung Basin may result in high primary production and would also be responsible for the high organic carbon content observed in the surface sediment of the region.

Key words : subsurface chlorophyll-a maximum (SCM), Ulleung Basin, East Sea, Korea Strait, nutrient

*Corresponding author. E-mail : [email protected]

1. 서 론

아표층 엽록소 최대층(subsurface chlorophyll maximum, SCM) 은 대서양과 태평양의 환류 중심부와 같은 빈영양 해역이나 중위도 지역의 여름철에 흔히 관측된다. SCM층 은 수층내 총 일차생산의 20-30% 정도 기여할 뿐만 아니 라(Siswanto et al. 2005), 좁은 수직적 공간에 식물플랑크 톤이 집중되어 있기 때문에 동물플랑크에게 아주 좋은 먹 이 공급원이 되어 상위단계로의 에너지 전달 효율이 높다 (Tiselius 1992; Saiz et al. 1993; Ignoffo et al. 2005). 특히 SCM 층은 수층내의 총 일차생산량의 약 20-30% 정도를 기여하고 생물학적으로 표층의 이산화탄소 제거에 중요한 역할을 수행하고 있는 것으로 알려져 있다(Siswanto et al.

2005; 전 등 2012). 따라서 이산화탄소 흡수와 일차생산의 올바른 이해를 위해서 SCM층에 대한 연구가 필요하다.

현재까지 알려진 SCM층 형성기작은 다음의 세 가지로 요약할 수 있다. 첫째, SCM층은 수온약층이 강하게 발달 한 안정된 수층구조로 인한 침강속도 감소가 식물플랑크 톤의 축적에 유리한 환경 조건으로 작용하여 표층에서 침 강하는 식물플랑크톤이 축적되어 형성된다(Ignatiades 1979). 둘째, 유광층 하부에 영양염의 지속적인 공급으로 식물플랑크톤이 활발하게 성장하여 형성된다(Vandevelde 1987). 셋째, 유광층 하부의 약한 광조건에 적응하기 위한 생리적인 반응으로 식물플랑크톤이 세포내의 엽록소 증가 로 형성된다(Cullen 1982).

동해에서는 울릉분지를 포함한 여러 해역에서 다양한 시기에 SCM층이 존재하고 있음이 여러 연구자들에 의해 보고되었다(Shim and Park 1986; Shim et al. 1992; Shim and Park 1996; 문 등 1998; 김 등 2007; 노 등 2010;

Kim et al. 2011). 특히 동해 남동 해역과 울릉분지에서 표 층의 영양염이 고갈된 하계에 여러 번 보고되었다. Shim and Park (1986) 은 동해 남부해역에서 10월에 식물플랑크 톤이 유광층 기저부에서 저층에서 공급되는 질산염을 이 용하여 낮은 광조건에 적응하고 있음을 보고하였다. 그러 나 이전의 동해에서 SCM층에 관한 연구는 특정한 시기 에 특정한 해역에서 SCM층의 존재 유무에 관한 연구에 국한되어 있다(Nagata and Kitani 1987; Shim et al. 1992;

문 등 1998; Ashijian et al. 2005; Onitsuka and Yanagi 2005). 따라서 동해에 존재하는 SCM층의 시공간 규모에 대한 이해가 필요한 실정이다.

최근 하계에 울릉분지 전역에서 SCM층이 존재하고 있 음이 보고되었다(노 등 2010). 이는 하계 울릉분지에서 관 측되는 SCM층이 울릉분지 전 해역에서 나타날 수 있음 을 시사한다. 본 연구에서는 동해 전 해역에서 SCM층이 어느 정도의 공간규모로 분포하고 있으며 표층의 영양염 이 고갈된 하계에만 국한되어 형성되는지 다른 계절에는

어떻게 분포하는지 알아보고자 한다. 그리고 SCM층 유지 에 필요한 영양염 공급과정에 대해 알아보고자 한다. 이를 위해 2008년부터 2011년까지 울릉분지 및 동해 전역에서 관측된 형광관측 자료, 엽록소-a, 수온, 염분, 용존산소 자 료를 분석하였으며 시간적인 분포특성을 이해하기 위해서 다양한 시기의 문헌자료를 분석하였다.

2. 재료 및 방법

시료채취는 2008년 8월, 2009년 7월, 8월, 2010년 7월, 2011 년 8월에 울릉분지, 동해 북부 일본분지, 동해 동부의 야마토 분지등에서 국립해양조사원의 해양2000호, R/V Hakuhomaru, R/V Lavrentyev 등을 이용하여서 동해 전역 에서 하계에 수행된 관측을 통해서 이루어졌다(Fig. 1, Table 1). 수온과 염분은 SBE911 CTD를 이용하여 측정하 였고 용존산소와 형광은 SBE43 DO sensor 및 Wetlab ECO fluorometer 를 이용하여 연속으로 관측하였다. 해수 시료는 CTD로젯에 부착된 니스킨 채수기를 이용하여 채 취하였고 기체분석을 위한 시료(DO, Alkalinity, pH)를 먼 저 채수한 후에 영양염과 엽록소 분석을 위한 시료를 채 수하였다. 영양염 분석을 위한 시료는 선상에서 GF/F 여 과지로 여과한 후 냉동보관(<−20

C) 하여 실험실에서 발 색시켜 Spectrophotometer로 흡광도를 측정하여 농도를 계산하였다(Parsons et al. 1984). 엽록소는 영양염 시료 여과시 사용한 GF/F 여과지를 90% 아세톤으로 24시간 추출한 후 Turner 형광광도계로 형광을 측정한 후 10% 염 산을 넣고 90초 후에 다시 형광을 측정하여 phaeopigment 값을 보정하여 엽록소 농도를 계산하였다(Parsons et al.

1984). 용존산소 분석을 위한 시료는 니스킨 채수병의 이 상 유무를 확인한 후 가장 먼저 채수하였으며 채수시 수 온을 측정하여 용존산소 계산에 이용하였다. 채취된 용존 산소 시료는 현장에서 고정한 후 winkler 적정법으로 12시간 이내에 측정하였다.

엽록소와 형광값과의 상관관계

식물플랑크톤 생체량의 연직분포 특성을 이해하기 위해

서 해수를 채취하여 엽록소-a를 추출하여 정량화 하는 방

법이 일반적으로 사용된다. 그러나 엽록소를 측정하기 위

해 채수한 수심의 수직적인 해상도의 한계로 인해서 얇은

두께로 존재하는 엽록소 최대값이 관측할 수 없어 식물플

랑크톤의 생체량이 과소평가 되는 경우가 있다(김 등

2007). 본 연구에서는 고해상도의 식물플랑크톤 연직분포

특성을 이해하기 위해서 형광센서로 관측된 형광값을 이

용하였으며, 형광값이 해수시료에서 추출한 엽록소-a 농도

의 높은 상관관계(r

= 0.88) 를 보였으며, 수층내의 식물플

랑크톤의 생체량을 잘 반영하는 것으로 사료된다(Fig. 2).

Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea 415

절편이 0.12 정도의 값이 나타났는데 이는 형광값이 0인 상태에서도 엽록소-a 농도가 약 0.12인 것을 의미하며 형 광값은 실제 엽록소 농도보다 과소평가할 수도 있음을 시 사한다.

용존산소 센서 보정

고해상도 용존산소 농도 연직 분포특성은 SBE43 DO sensor 를 이용하여 관측하였다. 센서 값을 보정하기 위해 서 해수시료로부터 적정된 용존산소 값을 비교하였다. 센 서 값과 적정 값은 높은 상관관계(r

= 0.92) 가 나타났으며

관계식을 이용하여 센서 값을 보정하였다(Fig. 3). 2011년 8월에 센서 값과 측정값의 경향으로 보아 용존산소 센서 를 이용하여 같은 시기에 관측된 용존산소의 상대적인 값 을 비교하여도 무방한 것으로 판단된다. 그러나 일부 관측 에서는 다른 용존산소 센서가 사용되었으나 센서 값 보정 을 위한 적정에 의한 용존산소 측정이 수행되지 않은 센 서 값이 이용되었다. 지금까지 확인된 용존산소 센서의 특 징으로 같은 시기에 관측된 용존산소 센서 값은 같은 기 간 내의 용존산소 연직분포 특성을 설명 하는데 문제가 없으나 절대적인 값을 비교할 수 없었다.

Fig. 1. Map of station locations from various oceanographic survey conducted during 2008-2011 in the East Sea. Red dots indicate the sampling locations of 2010 Hakuhomaru cruise. Enlarged area indicate summer intensive monitoring stations in the Ulleung Basin

Table 1. Lists of observation periods, area, research vessels conducted during 2008-2011 in the East Sea Periods Study area Research Vessels Comments August 2008

August 2009 August 2011

Ulleung Basin R/V HaeYang2000 Cooperative Study with Korea Hydrographic and Oceanographic Administration

July 2009 Eastern and Western Japan Basin R/V Lavrentyev Korea-Russia Cooperative Study July 2010 Eastern Japan Basin and Yamato

Basin

R/V Hakuhomaru Korea-Japan Cooperative Study

3. 결과 및 토의

식물플랑크톤의 연직분포특성

식물플랑크톤의 연직분포특성은 CTD관측에서 형광센 서를 이용하여 연속으로 관측된 값을 사용하였다(Fig. 3- Fig. 6). 2008 년 8월에 관측된 형광의 연직분포 특성은 거 의 모든 정점에서 수심 약 10-50 m 사이에 높은 형광 값 이 나타났다(Fig. 3). 그러나 수온과 염분의 연직분포특성 에서 연안용승의 영향이 있는 것으로 판단되는 EE 정선 과 D 정선의 가장 연안 정점들에서는 높은 형광값이 표층 까지 확장되어 나타났다(Fig. 3). 각 정선에서 연안에서 외 해로 갈수록 형광값이 감소하였고 최대 형광 값이 나타나 는 수심도 깊어졌다(Fig. 3). 2011년 8월의 형광의 연직 분포는 2008년과 유사하게 용승의 형향이 있는 EE 정선 의 연안 쪽 세 정점과 ED정선의 표층에서 높은 값이 나타 났으며, 이 외의 정선들에서는 수심 20-40 m 사이에서 최 대값이 나타났다. 일반적으로 연안에서 외해로 갈수록 최 대값이 나타나는 수심이 깊어졌다(Fig. 4).

SCM층 공간분포

동해 울릉분지에서 SCM층 발달은 이전의 연구들에 의 해서 알려졌다(Shim et al. 1992; 문 등 1998; Kim et al.

2011). 이들의 연구는 울릉분지에서 특정한 시기에 관측된 몇몇의 정점들에서 SCM층이 발달되어 있음을 보고하였 다. 그러나 노 등 (2010)은 하계 울릉분지 전역에 SCM층 을 관측하였다. 2008년 8월에 남북으로는 대한해협에서 북위 38도 이남까지 동서로는 연안에서부터 가까이는 25 km(SA 정선)에서 250 km(EA 정선)까지 SCM층이 광 범위하게 나타났다(Fig. 3). 울릉도 북쪽에 위치한 TEA 정선의 경우 연안에서부터 외해로 갈수록 SCM층이 깊어 졌으나 150-250 km 구간에서 강한 SCM층이 얕은 수심 (약 50 m)에 나타났다(Fig. 3). 2009년 8월에도 대한해협 에서 울등도 북쪽에 위치한 정선까지 울릉분지 전역에서 SCM 층이 형성되어 있었다(Fig. 4). 2011년 8월은 울릉분 지 EC 정선 및 EB 정선에서 관측되었으며 이 두 정선보 다 북쪽에 위치한 EA 정선의 SCM층은 연안 가까운 해역 에서는 수심 20 m 내외로 얕게 형성되었으나 연안에서 약 100 km 이상 떨어진 해역에서는 수심 50 m 근처에 나타 났다(Fig. 5). 따라서 이전의 연구자들에 의해서 특정한 해 역의 몇몇 정점에서 보고되었던 SCM층은 거의 매년 8월 에 동해 울릉분지 전역에 형성되어 있는 것으로 판단된다.

한·러 공동관측(2009년 7월)과 한·일 공동관측(2010 년 6월)에 따르면 표층의 영양염이 고갈된 하계 울릉분지 의 전역세서 관측된 SCM층이 울릉분지 뿐만 아니라 동해 북부의 일본분지 서쪽해역, 동해 남서부의 야마토분지, 동 해 북부의 일분분지 동쪽 해역에서도 나타났다(Fig. 6;

Fig. 7). 2009년 7월에 동해북부 일본분지 서쪽해역의 동 경 132.3도를 따라서 북위 38도에서 42.3도에 이르는 해 역의 수심 30-40 m 사이에 SCM층이 관측되었다. 또한 러 시아 연안에서 200 km 이상 떨어진 일본분지 중앙에 위치 하는 정점들 에서도 SCM층이 나타났다(Fig. 6). 2010년 6월 야마토분지 와 일본분지 서쪽해역에 위치한 정점들에 서도 엽록소가 표층에서는 0.5 mg m

였으나 수심 약 50 m 근처에서 엽록소 농도가 약 1-1.5 mg m

에 이르는 SCM층이 나타났다(Fig. 7).

Nagata and Kitani (1987)은 일본의 서안에서 일본분지 에 이르기까지 정기적으로 관측하고 있는 PM정선에서 연 안에서부터 일본분지 중앙에 이르는 정점들에서 SCM층 이 광범위하게 존재하고 있음을 보고였다. Onitsuka and Yanagi (2005) 가 1964년부터 1994년까지 동해 북부해역 과 남부해역에서 관측된 모든 엽록소 자료에서 동해 북부 해역의 경우는 2월을 제외한 5월, 7월, 10월에 수심 약 40-50 미터 사이에서 SCM층이 나타났고 동해 남부해역에 서는 5월과 7월에 SCM층이 나타났으며 2월과 10월에는 표층에서 수심 50미터까지 엽록소-a의 농도가 높게 일정 Fig. 2. Relationship between fluorescence and extracted

chlorophyll-a (upper) along the D line in the

Ulleung Basin of the East Sea during August

2008 and dissolved oxygen between DO sensor

and titration at TEB05 (lower) in the Ulleung

Basin of the East Sea during August 2011

Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea 417

하게 나타난 후 수심에 따라 감소하는 경향을 보였다. 그 리고 1999년 하계 동해의 여러 해역에서 관측된 CREAMS 자료에 의하면 울릉분지 북위 37.4도와 북위 38도 선 및 동해의 일본 서안쪽에 위치한 야마토분지등에서 수심 50 미터 근처에서 높은 형광값을 관측하였다(Ashjian et al.

2005).

따라서 본 연구에서 동해 울릉분지 및 다양한 해역에서 관측된 결과와 이전의 다른 연구자들에 의한 연구결과를 종합하면 울릉분지에서 관측되는 SCM층의 공간적인 규 모는 울릉분지에만 국한된 것이 아니라 동해 전 해역에서 형성되어 있는 것으로 판단된다. 그리고 SCM층의 수심은 연안에서 외해역으로 갈수록 깊어지는 경향이 나타났으 며, 분지별 SCM층의 수심은 일본분지, 울릉분지, 야마토 분지 순으로 깊어지는 경향을 보였다(Table 2).

SCM층의 시간분포

앞서 SCM층은 하계에 동해 전역에 나타나는 것으로 추정되었다. 그러면 하계 동해 전 해역에서 관측된 SCM

층은 언제 형성되어 언제까지 지속되는지 알아보고자 한 다. 일반적으로 SCM층은 표층 혼합층에서 영양염이 고갈 되어 있는 빈영양 해역인 열대 및 아열대 해역에서는 연 중 관측되기도 하고 여름이면 혼합층에 영양염이 고갈되 는 극지역이나 온대해역에서는 계절적으로 발달 하는 것 이 일반적이다(Huisman et al. 2006 and reference therein).

동해 울릉분지에서도 표층 혼합층에 영양염이 고갈된 하

계에 수심 약 40-50미터 사이에 SCM층이 형성되어 있는

것이 보고되었다(Kim et al. 2011). 정 등 (1989)은 10월

울릉분지에서 연안역 정점들을 제외한 몇몇의 정점들에서

수온약층부근에 SCM층이 형성되어 있는 것을 보고하였

다. Shim et al. (1992)은 7월 울릉분지 해역에서 수심 40

미터 부근에서 식물플랑크톤의 세포수가 증가되어 있는

것을 보고하였다. 또한 5월에 동해 남서부 해역에서 울릉

도 북쪽을 횡단하는 정점들과 울릉도에서 대한해협까지

횡단하는 정점들에서 표층에 도달하는 광량의 1%에 해당

하는 수심근처인 20-40미터 사이에서 SCM층이 관측되었

다. Ashjian et al. (2005)은 6월에 울릉분지에서 SCM층이

Fig. 3. Vertical cross sections of fluorescence observed during August 2008

형성되어 있음을 보고하였다. Kim et al. (2011)은 7월과 8월에 울릉분지 중앙의 37도를 횡단하는 정점들에서 상대 적인 양은 차이가 있으나 SCM층을 관측하였다. 그리고 본 연구에는 2008년, 2009년, 2011년 8월에 울릉분지 대 부분의 해역에서 SCM층이 형성되어 있었다. 그리고 최근 의 다른 연구에 의하면 4월에도 울릉분지에서 엽록소량이 높은(>2 mg m

) SCM 층을 관측하였다(Shim et al. 1992;

Hyun et al. 2009). 따라서 울릉분지에서는 이르게는 4월 이후에 SCM층이 발달하여 10월 중순까지 나타나는 것으 로 추정된다.

2010년 7월 초에는 북위 40도 이북에 위치한 동해 동북 부 해역과 야마토분지 대부분의 정점들에서 SCM층이 관 측 되었다(Fig. 7). 그리고 2009년 7월 중순에 동해 서북 부 해역 및 러시아 연안에서 일본분지 북부해역에 이르 는 관측정점들에서 SCM층이 발달했다(Fig. 6). 그리고 1995 년 10월 9-19일에 동경 133도 40분에서 135도 40분 그리고 북위 37도에서 북위 42도 10분에 이르는 일본분지 서쪽 해역에서 SCM층이 보고되었다(문 등 1998). 일본

서쪽연안에서 일본분지 중앙에 이르는 PM정점의 관측에 의하면 이르면 2월에 SCM 층이 나타나는 등 대부분의 정 점에서 5월부터 10월까지 SCM층 형성되어 있는 것이 보 고되었다(Nagata and Kitani 1987; Onitsuka and Yanagi 2005). 따라서 앞서 설명한 동해 남서해역의 울릉분지 뿐 만 아니라 동해 북부에 위치한 일본분지에서도 5월경에 SCM 층이 형성되어 10월까지 지속되는 것으로 사료된다.

동해에서 SCM층 형성시기와 지속시간은 특정연도의 계 절적인 변화를 관측한 자료가 아니고 여러 해에 걸쳐서 관측된 자료로부터 유추된 결과에 의하면 이르면 4월 또 는 5월에 형성되어 10월까지 지속될 것으로 추정된다. 일 본의 PM정선 정점들에서 장기적으로 관측된 자료에 의하 면 이러한 경향이 지속적으로 뚜렷하게 나타나고 있음을 알 수 있다(Nagata and Kitani 1987; Onitsuka and Yanagi 2005).

동해 울릉분지에서 SCM층 형성 및 유지기작

일반적으로 SCM층은 성층이 강하게 형성되어 안정된

Fig. 4. Vertical cross sections of fluorescence observed during August 2009

Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea 419

Fig. 5. Vertical cross sections of fluorescence observed during August 2011

Fig. 6. Vertical cross sections of fluorescence observed in the northern Japan Basin during July 2009

수층구조로 인해 식물플랑크톤의 침강속도가 감소되어 식 물플랑크톤이 수온약층 부근에 단순히 축적되어 형성되거 나, 유광층이 표층 혼합층 아래 부분까지 확대되어 식물플 랑크톤이 혼합층 아래의 풍부한 영양염을 이용하여 직접 성장으로 형성되는 것으로 알려져 있다(Ignatiades 1979;

Vandevelde 1987). Cullen (1982)은 유광층 하부의 낮은 광량에 대한 식물플랑크톤 생리적 적응에 의해 단위 세포 당 엽록소의 수가 증가되어 SCM층이 형성될 가능성을

제시하였다. 그러나 이전 연구에 의하면 표층에 영양염이 고갈된 7월에 울릉분지 및 동해 남동해역의 수심 40미터 에서 나타난 높은 식물플랑크톤 개체수는 활발한 식물플 랑크톤의 성장에 의한 것으로 알려졌다(Shim et al. 1992).

수층의 용존산소, 엽록소, 영양염의 분포는 SCM층의 식물플랑크톤이 활발한 성장에 의해 형성된 것인지 아니 면 단순하게 약한 광량에 대한 생리적인 적응인가를 판단 하는 중요한 단서를 제공한다(Anderson 1969; Holm- Hansen and Hewes 2004). 동해 울릉분지에서 보고된 SCM층은 대게 영양염이 급격하게 증가하는 수심 근처에 형성되어 있을 뿐 아니라 식물플랑크톤의 개체수도 높게 나타났다(정 등 1989; Shim and Park 1996). 본 연구에서 도 SCM층은 용존산소 최대층 바로 하부에 영양염이 급 격하게 증가하는 수심 근처에 형성되었다(Fig. 8). 이는 높 은 엽록소가 단순히 낮은 광에 대한 식물플랑크톤의 생리 적인 적응보다는 식물플랑크톤이 높은 영양염을 이용하여 활발하게 성장하고 있음을 시사한다(Cullen 1982; 노 등 2010).

앞서 설명한 바와 같이 울릉분지에서 관측된 SCM층이 식물플랑크톤의 활발한 성장에 의해서 형성된 것이라면, 5월부터 10월까지 울릉분지 뿐만 아니라 동해 전체 해역 에서 오랜 기간 동안 지속되기 위해서는 식물플랑크톤의 성장에 필수적인 영양염이 지속적으로 공급되어야 한다.

Fig. 7. Vertical profiles of chlorophyll-a (mg m

) measured in the northeastern Japan Basin during July 2010

Table 2. Summary of SCM depth at the Ulleung Basin, Japan Basin, and Yamato Basin

Depth (m)

SCM depth

(m) Periods Ulleung

Basin

<200 24 ± 7.6 August 2008 August 2009 August 2011 200-1000 26 ± 5.3

>1000 35 ± 5.9 Japan

Basin

<200 14 ± 5.7

July 2009 200-1000 17 ± 3.1

>1000 16 ± 3.4 Yamato

Basin

<200 -

July 2010 200-1000 40

>1000 41 ± 7.0

Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea 421

현재까지 동해 울릉분지에서 SCM층으로 영양염을 공급 하는 기작으로는 유광층 하부의 풍부한 영양염의 연직확 산에 의한 것으로 알려지고 있다(정 등 1989). 그러나 정 등 (1989)은 연직확산에 의한 질소 공급은 SCM층 식물플 랑크톤 질소요구량의 약 7% 정도만을 설명할 수 있고, 중 형동물플랑크톤의 재순환에 의한 질소공급은 추가적으로 전체 질소요구량의 약 7.3%를 공급하는 것으로 추정하였 다. 그리고 미세 동물플랑크톤에 의해 전체 질소요구량의 35%가 공급된다고 가정하면 SCM층의 식물플랑크톤 성 장에 필요한 질소요구량의 50%만이 설명된다(정 등 1989). 이는 SCM층의 식물플랑크톤 성장에 필요한 질소

를 공급하는 과정에 대한 추가적인 연구가 필요함을 시사 한다(노 등 2010).

하계 울릉분지 표층 해양은 강한 성층 형성의해 밀도약 층 하부와의 물질 교환이 제한되어 있다. 그러나 대한해협 표층과 저층을 통해서 유입되는 대마난류 표층수와 대마 난류 중층수, 한반도 동해안을 따라 북상하는 동한난류, 북쪽에서 남하하는 북한 한류수, 연안용승, 그리고 울릉난 수성 소용돌이 등과 같은 다양한 물리적인 외압들이 영양 염 공급에 영향을 주며, 하계 울릉분지의 플랑크톤 조성 및 물질순환에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다 (Yoo and Park 2009; 노 등 2010).

Fig. 8. Vertical profiles of fluorescence (green line), dissolved oxygen (blue line), and nitrate concentration (red dot)

observed in the Ulleung Basin of the East Sea during August 2008

Fig. 9. Vertical cross sections of temperature observed during August 2011

Fig. 10. Vertical cross sections of salinity observed during August 2011

Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea 423

이러한 물리적인 외압 요인 중 동해 울릉분지에서 시계 방향의 울릉난수성 소용돌이가 매년 1-2개 정도 나타나고 짧게는 30일 정도에서 길게는 1년 이상 머무는 것으로 알 려져 있다(An et al. 1994; Lee and Niiler 2010). 이러한 시계방향의 울릉난수성 소용돌이가 SCM층으로 영양염 공급하여 소용돌이 외부보다 높은 엽록소의 양을 유지 시 키는 것으로 보고되었다(Kim et al. 2011). 본 연구에서도 2011 년에 울릉난수성 소용돌이가 북위 37도 동경 131.5도 를 중심으로 직경 약 150 km 크기로 형성되어 있었으며 (Fig. 9-Fig. 11), 난수성 소용돌이 내부의 수심 20에서 40 m 사이에 SCM층이 나타났다(Fig. 5). 그리고 울릉난수성 소 용돌이 표층 해양의 질산염+아질산염이 거의 고갈되었으 나 수심 20에서 40 m 사이에 질산염+아질산염의 농도가 4-5 µM 정도 나타났다(Fig. 12). 이것은 김 등 (2007)이 보 고한 시계방향의 소용돌이에 의해 심층으로부터 공급된 영양염에 의한 SCM층 형성과 유사하다.

그러나 2011년 8월에는 소용돌이가 나타나지 않은 해 역에서도 SCM층이 관측되었다(Fig. 4). 그리고 울릉분지 에 울릉난수성 소용돌이가 관측되지 않았던 2008년도 8월 에도 울릉분지 전역에서 SCM층이 나타났다(Fig. 3, Fig. 13-Fig. 15). 이는 시계방향의 울릉난수성 소용돌이가 나타나지 않는 해역에서 SCM층 유지에 수직적인 확산

과 울릉분지 난수성 소용돌이 이외의 추가적인 영양염 공 급 과정에 대한 설명이 필요함을 시사한다.

울릉분지에서 SCM층이 발달되어 있는 해역의 수온, 염 분 및 용존산소 연직 분포특성에 의하면 SCM층은 대한 해협 중층을 통하여 유입되는 해수와 밀접한 관련성이 있 는 것으로 사료된다(Fig. 3-Fig. 5, Fig. 9-Fig. 15). 2008년 8월 대한해협 표층은 고온·저염의 특성을 보이며 영양염 이 고갈된 대마난류 표층수가 표층에서 수심 20에서 30 m 까지 확장되어 나타났다(Fig. 12-Fig. 15). 그 아래에는 수 온은 14-16

C의 범위를 가지고 있으며 염분이 34.3 이상 의 특성을 가진 해수가 수심 약 50-100 m에 존재하고 있다 (Fig. 14 EE 정선 단면도). 이 해수의 용존산소는 200 µmol kg

이하의 특성을 가지고 있다.

2008 년 8월 대한해협에 위치한 EE 정선의 질산염+아

질산염 연직 단면도의 특성은 표층 약 30 m보다 얕은 수

심에서는 질산염+아질산염이 거의 고갈되었다. 그러나

앞서 설명한 수온, 염분, 용존산소의 특성을 가지고 대한

해협을 통해서 유입되는 수괴에서 질산염+아질산염의 농

도는 약 7.5-10 µM로 나타났다(Fig. 12). 결과적으로 고

온·저염의 대마난류 표층수는 영양염이 고갈된 반면 대

마난류 표층수 아래에서 대한해협을 통해 유입되는 해수

에는 상당히 많은 영양염이 포함되어 있었다. 그리고

Fig. 11. Vertical cross sections of dissolved oxygen (µmol kg

) observed during August 2011

2011년 8월 대한해협에 위치한 EE 정선의 표층은 질산 염+아질산염의 농도가 낮은 반면 표층수 아래의 20-100 m 사이의 수심에서는 약 10 µM 정도로 나타났다(Fig. 12).

그리고 EE 정선의 바닥에서 약 20-30 m 상층부까지는 수 온과 염분이 각각 5

C 이하, 34.3 이하이며 용존산소가 250 µmol kg

이상으로 대한해협 저층냉수의 특징을 가 진 수괴가 나타났다. 대한해협 저층수의 질산염+아질산 염 농도는 상층에 위치한 해수보다 높게 나타났다(10- 15 µM, Fig. 12). 그러나 대한해협 바닥에 존재하는 저층 냉수는 대한해협 중층을 통해서 유입되는 해수에 의해 표 층과의 교환이 제약되어 있어 직접적으로 SCM층에 영양 염을 공급하지 않는 것으로 사료된다.

대한해협에서 대마만류 표층수 아래로 유입되는 해수는 앞서 설명한 바와 같이 수온(14-16

C), 염분(>34.3), 그리 고 용존산소(<200 µmol kg

)의 특성치의 공간분포로부 터 울릉분지에서 이 수괴가 영향을 미치는 범위를 추정할 수 있다(Fig. 11; Fig. 15). 대한해협 중층에 존재하는 용 존산소가 낮은 (<200 µmol kg

) 수괴는 울릉분지 내부

에 존재하는 용존산소가 상대적으로 높은 수괴와 뚜렷하 게 구분되므로 용존산소가 낮은 수괴는 대한해협으로 유 입되는 해수의 영향 범위를 잘 보여 주는 것으로 사료된 다. 2008년 8월(Fig. 11)과 2011년 8월(Fig. 15)의 대한해 협 및 울릉분지에서 수온, 염분, 및 용존산소의 연직 분포 특성은 대한해협에 중층으로 유입되는 해수의 특성치를 가지고 있는 수괴가 수심 약 20-100 m 사이에 얇은 띠 모 양으로 울릉분지 전 해역에 분포하고 있음을 보여준다.

2008년 8월에 관측된 용존산소, 형광, 그리고 질산염의 연 직분포에서 용존산소가 낮은 수괴의 질산염의 농도가 급 격하게 증가하고 있고, 이 수괴의 바로 상층부분에 SCM 층이 형성되어 나타나는 것으로 보아 대한해협을 통해 유 입된 수괴에 포함된 영양염이 SCM층의 유지에 필요한 영양염의 주요 공급원으로 추정된다(Fig. 8).

하계 대한해협 중층에 존재하는 영양염이 풍부한 해수 로부터 SCM층으로 영양염이 어떻게 공급될까? 다음 두 가지로 추정할 수 있다. 첫째 앞서 언급한 것처럼 대한해 협 중층을 통해 유입되는 해수는 울릉분지 내부에 있는 Fig. 12. Vertical cross sections of nitrate + nitrite concentration ( µM) observed at EE, EB, EA lines during August

2008 (left) and August 2011 (right)

Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea 425

밀도가 높은 동해 중층수의 상층부에 위치하여 북상하여 영양염이 풍부한 수괴가 점차 유광층까지 상승하여 식물 플랑크톤에게 유리한 영양조건을 제공할 것으로 추정된 다. 2011년 8월 대한해협 EE 정선의 연안에 위치한 3개의 정점들에서는 바닥에 위치한 대한해협 저층냉수의 영향으 로 영양염이 풍부한 해수가 수심 약 15-40 m 사이에 형성 되어 있다. 이는 수온, 염분, 그리고 용존산소 연직단면도 에 뚜렷이 나타나고 있으며 이로 인해 표층근처에서 엽록 소 농도가 높게 나타났다(Fig. 5; Fig. 9-11). 그리고 2011 년 8월 울릉분지에 위치한 정선들에서 대한해협 중층을 통해 유입되는 해수의 특성특성(14

C < T < 16

C, S >

34.3, DO < 200 µmol kg

)을 가진 수괴가 표층근처까지 상승하였고 SCM층이 이 수괴의 바로 상층부근에서 나타 났다. 특히 EC 정선과 EA 정선에서는 연안에서 각각 60- 80 km, 25-80 km 사이에 수심 약 20-40 m, 10-25 m 부근 에 대한해협의 중층을 통해서 유입되는 해수가 얇은 띠 모양으로 나타났으며, 이 수괴의 바로 상층부에 엽록소 농 도가 높았다. 그리고 질산염 + 아질산염 농도가 약 5-

10 µM인 해수가 EA 정선에서 연안으로 부터 약 60-80 km 사이에 위치한 정점들의 수심 약 20-40 m에 나타났다 (Fig. 9-11; Fig. 12). 이는 문 등 (1996)이 대마난류 중층 수에 질산염, 인산염, 그리고 규산염의 농도가 각각 12.34 µM, 0.63 µM, 9.39 µM로 보고한 것과 유사한 결 과를 보였다.

두 번째는 대한해협의 중층을 통해서 유입되는 해수가

유광층 하부까지만 상승하는 경우에 해당하는 것으로 북

상하는 영양염이 풍부한 해수와 영양염이 고갈된 표층수

간의 수평이동 응력(shear)의 수직적인 차이로 성질이 다

른 수괴사이의 경계면에서 식물플랑크톤이 증가하여 물리

적으로 얇은 층(thin layer)이 형성되었을 수도 있다

(Eckart 1948; Wang and Goodman 2010). 이러한 수평이

동 응력의 수직적인 차이는 또한 성질이 다른 수괴의 경

계면에서 난류혼합(turbulent mixing)을 일으키며 단순한

분자확산에 의한 과정보다 많은 양의 영양염을 대한해협

을 통해 유입되는 해수로부터 유광층까지 공급할 것으로

사료된다(Osborn 1998). 2008년 8월 EA 정선에서 연안으

Fig. 13. Vertical cross sections of temperature observed during August 2008

로부터 150-200 km 사이에 위치한 정점들의 수심 약 50- 60 m에 대한해협의 중층을 통해서 유입되는 해수의 특징 을 가진 수괴가 존재하고 있다. 이러한 과정은 정 등 (1989)에 의해 설명되지 못한 SCM층에서 식물플랑크톤 성장에 필요한 추가적인 영양염 공급원으로 작용할 것으 로 사료된다.

2008 년과 2011년의 8월의 관측자료에 의하면 대한해협 을 통해서 유입되는 해수의 울릉분지내 이동경로와 수심 이 매년 다르게 나타났다(Fig. 9-11; Fig. 13-15). 2008년 8 월의 경우에는 대한해협에 위치한 전 정점의 중층에 영 양염이 풍부하고 용존산소가 낮은 해수가 위치하고 있으 며 동해한 연안을 따라 울릉분지로 북상할수록 외해보다 는 연안쪽에 강하게 나타났다(Fig. 13-15). 2011년 8월에 는 대한해협에 위치한 정선에서 대마난류는 연안 쪽보다 는 외해 쪽에 위치해 있으며 EC 정선의 경우에는 연안에 서 약 60-80 km 떨어진 외해에 위치해 있으며 북상할수 록 표층가까이 나타났다(Fig. 9-11). 이러한 대한해협 중층 을 통해 유입되는 해수의 이동 경로의 공간적인 변동에

영향을 미치는 역학적인 요인에 대한 추가적인 연구가 필 요한 것으로 판단된다. 또한 동해 북부해역은 대한해협으 로 유입되는 해수의 영향이 미치지 않는 해역임에도 불구 하고 SCM층에 영양염을 지속적으로 공급하는 추가적인 과정에 대한 연구가 필요하다.

아표층 엽록소-a 최대층의 생지화학적 의의

일차생산은 해양표층에서 이산화탄소를 유기물로 고정 하여 심층으로 수송하는 역할을 담당함으로써 해양이 대 기 중의 이산화탄소 농도를 조절하는 작용을 이해하는데 중요하다. 일차생산의 측정은 방법론적으로 시공간적인 제약이 따른다. 특히 동해지역에서 일차생산관측은 공간 적으로 연안역에 집중되었고 시간적으로 계절적인 변화를 이해하기에는 불충분하였다. 최근에 인공위성자료를 이용 한 일차생산 추정이 가능해지면서 동해 전체 지역에서 연 중 일차생산의 시간적인 분포형태가 이해되기 시작하였다 (Yoo and Kim 2004; Yamada 2005).

그러나 위성에 의한 일차생산 추정은 표층의 엽록소 분

Fig. 14. Vertical cross sections of salinity observed during August 2008

Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea 427

포만을 고려하는 경우가 많은데 이는 수층내의 광특성과 엽록소-a의 분포형태를 이용해서 추정된 일차생산 보다 연안의 얕은 지역, 북대서양, 그리고 쿠로시오 해류지역과 전선역 등에서 각각 7%, 20%, 그리고 20-35% 정도 적게 나타났다(Platt et al. 1991; Behrenfeld and Falkowski 1997; Siswanto et al. 2005; Son et al. 2006). 따라서 위 성의 표층 자료로부터 정확한 일차생산 값을 추정하기 위 해서는 수층내 엽록소의 연직 분포특성에 대한 이해가 중 요하다. Siswanto et al. (2005)는 동중국해의 쿠로시오해 류 전선역에서 위성에서 관측되는 표층 수온 자료와 엽록 소-a의 수직적인 분포와의 상관관계를 구하는 경험식을 사용하여 위성자료로부터 일차생산량 추정의 정확도를 높 였다.

동해 일본분지에서 관측된 표층 엽록소-a 농도와 수심 50 m까지 적분된 엽록소-a 양과의 상관관계를 살펴보면 표층 엽록소-a의 농도와 50 m까지 적분된 엽록소-a 양과 의 관계를 찾을 수 없었다(Fig. 16). Weston et al. (2005) 에 의하면 성층이 강한 여름철에 발달하는 SCM층은 북

해해역의 하계 일차생산의 약 58%를 차지하고 전체 신생 산의 약 37% 정도를 기여하는 것으로 보고하였다. 따라서 Fig. 15. Vertical cross sections of dissolved oxygen observed during August 2008

Fig. 16. Relationship between surface chlorophyll-a concen-

tration and integrated chlorophyll-a concentration

within 75 m water column along the 131

E line

of the East Sea during July 2009

동해의 전역에서 5월에서 10월 사이에 발달한 SCM층이 고려되어야만 위성자료를 이용한 일차생산 추정이 향상될 수 있을 것이다.

또한 SCM층에 존재하던 엽록소가 태풍과 같은 강력한 외압으로 밀도약층 부근에서 영양염이 풍부한 해수와 함 께 해양표층으로 노출될 경우 호전된 광조건으로 인해서 많은 일차생산이 일어날 수 있다(Son et al. 2006). 이와 같이 단기간의 영양염 공급으로 표층에 일시적으로 형성 된 높은 일차생산은 공급된 영양염이 고갈되면 빠르게 감 소하여 동물플랑크톤의 포식이 일어나기 전에 유광층 아 래로 떨어져 심층으로의 많은 유기탄소 수송에 기여 할 것으로 추정된다. 상황은 다르지만 베링해에서 해빙의 후 퇴로 형성된 성층으로 갑작스럽게 증가한 일차생산은 동 물플랑크톤에게 이용되지 않고 바닥으로 수송되는 것으로 알려져 있다(Coyle and Cooney 1988).

최근 동해 북부해역에서 관측된 Transparent exopolymer partilces(TEP)라는 식물플랑크톤이 분비하는 다당류가 SCM 층에 높게 관측되었다(전 등 2012). 이와 같이 SCM 층에서 TEP에 함유된 탄소(TEP-C)는 생물작용에 의해 해 수중에서 제거되는 이산화탄소의 약 40% 정도를 기여하 는 것으로 관측되었다. 따라서 동해 전역에서 5월에서 10 월 사이에 존재하는 SCM층은 동해의 이산화탄소 흡수 에 중요한 요인으로 작용할 것으로 사료된다. 이들의 심층 으로 이산화탄소 수송에 대한 정량적인 연구가 추가적으 로 수행되어야 할 것으로 사료된다.

4. 요 약

하계 울릉분지에서 관측된 SCM층은 울릉분지에만 국 한되어 나타나는 것이 아니라 동해 전역에서 관측되었다.

각기 다른 시기에 관측된 여러 문헌 자료와 하계 동해 전 역에서 관측된 자료에 의하면 SCM층이 나타나는 시기는 5월부터 10월 하순까지 나타나는 것으로 추정된다. SCM 층 바로 상층부에 표층보다 높은 용존산소가 관측되었고, SCM 층이 영양염의 농도가 급격하게 증가하는 수심에 나 타나는 것으로 보아 침강이나 낮은 광량에 대한 식물플랑 크톤의 생리적인 적응보다는 식물플랑크톤이 활발하게 성 장하고 있음 시사한다. SCM층에서 식물플랑크톤이 오랜 기간 동안 지속적으로 성장하기 위한 영양염 공급과정으 로 수직 확산, 소형 및 중형동물플랑크톤의 재생산등이 중 요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이들 과정은 SCM 층에서 식물플랑크톤 질소 요구량의 약 50% 정도만 설명 할 수 있어 SCM층의 질소 요구량에 대한 추가적인 공급 기작으로는 난수성 소용돌이가 제시되었다.

그러나 난수성 소용돌이가 발달하지 않은 해역과 시기

에 관측된 SCM층에 영양염은 고온 저염의 특성을 가지 면서 영양염이 고갈된 표층수 아래에서 대한해협을 통해 서 유입되는 영양염이 비교적 풍부한 해수가 울릉분지내 로 유입되어 북상하면서 유광층까지 직접으로 상승하거나 수평이동 응력의 차이로 발생하는 난류혼합등에 의해서 추가적으로 공급되는 것으로 사료된다(Fig. 17). 그리고 동해 전역에서 5월에서 10월까지 존재하는 SCM층은 표 층에서 심층으로의 유기물 수송에 상당히 기여할 것으로 사료된다.

사 사

본 연구는 국토해양부의 재원으로 한국해양과학기술진 흥을 통하여 부산대학교 해양연구소로 지원된 동해 시계 열관측 및 생태환경진단연구(EAST-I) 결과입니다. 현장관 측에서 많은 도움을 주신 국립해양조사원 관계자 여러분 과 해양2000호 선장님 및 승조원 여러분들에게 감사를 드 립니다. 그리고 논문을 심사해주신 심사위원분들과 담당 폅집위원님께도 감사를 드립니다.

Fig. 17. A schematic diagram of nutrient flux from the

advection of water mass at the intermediate

layer of Korea Strait. The water mass at the

intermediate layer of Korea Stratit has similar

physico-chemical characteristics with Tsushima

Intermediate Water mass (14 < T < 16, S > 34.3,

Low DO). This water mass also contained high

nutrient concentrations and ascended to the

surface layer as it traveled toward interior of

the East Sea. Horizontal advection of the water

mass may cause turbulent mixing due to shear

stress at the interface of the different water

masses. Pink arrow indicates the advection of

high nutrient and low dissolved oxygen water

mass (nitrate: 8-10 µM, DO<200 µmol kg

)

underneath the high temperature and low

salinity water mass (T > 20

C, S < 33) at the

surface layer. Green ovals indicate the location

of SCM and orange arrows indicate nutrient

fluxes

Prevailing Subsurface Chlorophyll Maximum (SCM) Layer in the East Sea 429

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Received May 29, 2012

Revised Oct. 26, 2012

Accepted Nov. 12, 2012