지구온난화로 극지방의 해빙이 전례 없는 속도로 빠르게 녹아 해류 흐름이 불안정해지며 극지 바다가 더욱 불안정해질 것이라는 분석이 나왔다.
기초과학연구원(IBS) 악셀 팀머만 기후물리연구단장 연구팀은 초고해상도 지구 시스템 모델 시뮬레이션을 통해 인간에 의한 온난화가 해빙을 빠르게 녹여 바다의 ‘중규모 수평 교란현상’이 더욱 강화될 것이라고 5일 밝혔다.
중규모 수평 교란은 바람과 해류, 바다 속 소용돌이 등이 만들어내는 거대한 물결 섞임이다.
이는 수십~수백 ㎞ 규모로 바닷물이 수평방향으로 휘저어지며 열과 영양분이 퍼지고, 플랑크톤, 어란·유충과 더불어 미세플라스틱 같은 오염물질 확산에도 영향을 미친다.
그러나 극지 해양 변화는 지리적 한계로 관측이 제한되고 위성관측 자료는 중규모 해양과정을 정밀하게 파악하기 어려워 지구온난화가 극지역 소규모 해류와 해양 생태계에 미치는 영향을 정량적으로 규명하기 매우 어렵다.
연구팀은 IBS 슈퍼컴퓨터 ‘알레프(Aleph)’를 활용해 초고해상도 기후모델 ‘CESM-UHR’을 이용한 시뮬레이션을 수행했다.
CESM-UHR는 대기–해빙–해양 구성요소를 통합하고 대기 0.25도, 해양 0.1도의 수평해상도를 통해 기후시스템 내 상호작용을 보다 현실적으로 재현하는 완전결합 기후모델이다.
실험결과 대기 중 이산화탄소 농도를 현재 수준, 2배, 4배로 설정할 때 농도가 높아질수록 북극과 남극 연안의 바다가 더욱 거세게 요동쳤다. 이는 온난화가 심화될수록 중규모 수평 교란이 뚜렷하게 증가함을 의미한다.
연구팀은 이 현상을 정량화하기 위해 ‘유한 크기 리아푸노프 지수(FSLE)’를 활용했다.
FSLE는 유체입자 간 분리속도를 정량화하는 지표로 난류 강도를 수치로 평가할 수 있어 해양생태계 변화를 예측하는 핵심 지표로 활용된다. 값이 클수록 교란이 강화되며 해수의 움직임이 더 활발하다.
시뮬레이션 결과 지구온난화로 인한 해빙의 급격한 감소가 미래 북극해 및 남극 연안의 해류와 난류를 강화하고, 바닷물의 수평 교란을 가속화하는 것으로 나타났다.
아울러 연구팀은 북극과 남극에서 교란이 강화되는 원인이 서로 다른 것도 규명했다.
북극해에서는 해빙이 줄면서 바람이 해수를 더 강하게 밀어 표층 순환류와 난류를 강화시키는 반면 남극 연안은 녹은 해빙에 의한 담수 유입이 해수밀도 차이를 키워 해류 세기와 교란을 강화시켰다.
이번 연구에 제1저자로 참여한 이규석 IBS 기후물리연구단 학생연구원은 “대륙에 둘러싸인 북극해와 남극 연안 해역의 대조적인 지리 구조 차이는 해수의 수평 교란 변화를 결정하는 역학 과정에서 근본적인 차이를 가져온다”며 “그럼에도 지구온난화가 지속될 경우 두 해역 모두에서 수평 교란이 크게 강화될 것으로 예상된다”고 설명했다.
교신저자인 이준이 부산대 기후과학연구소 교수는 “미래 극지 해양 수평교란의 증가는 어란과 유충의 생존을 포함해 극지 해양생태계에 큰 영향을 미칠 수 있다”고 덧붙였다.
악셀 팀머만 연구단장은 “기후와 생명의 상호작용을 보다 효과적으로 통합하는 차세대 지구시스템 모델을 개발해 극지 생태계가 지구온난화에 어떻게 반응하는지 이해를 높일 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 5일 국제학술지 ‘네이처 클라이밋 체인지(Nature Climate Change, IF 27.1)’에 게재됐다.
(논문명 : Future mesoscale horizontal stirring in polar oceans intensified by sea ice decline / Nature Climate Change)
