방사성 동위원소(228Ra) 추적자를 이용한 유기 탄소와 영양염의 수직 플럭스 산정

Abstract

방사성 동위원소인 228Ra을 추적자로 이용하여 동해 울릉분지 해역의 상부 수층에서 유기물과 영양염의 수직 플럭스를 산정하였다. 극미량으로 해양에 존재하는 228Ra의 수직분포를 측정하기 위해서 계류 장치에 Mn-fiber를 부착하고 체류 시키는 방법으로 Ra의 시료를 채취하였다. Mn-fiber는 RaDeCC (Radium delayed coincidence counter)과 감마 계수기를 이용하여 226Ra과 228Ra의 농도를 측정하였다. 측정된 226Ra의 농도는 표층에서 가장 낮은 농도(5.60±0.15 dpm 100L-1)를 나타냈다. 표층부터 500m까지 수심이 깊어지면서 226Ra의 농도가 증가하는 경향을 보였고, 500m부터 해저까지는 비교적 일정한 농도(평균: 9.11±0.46 dpm 100L-1)를 나타내었다. 계류 시료를 통해 측정된 동해의 228Ra/226Ra 수직 분포는 표층에서 1.0으로 높고, 수심이 증가하면서 감소하는 경향을 나타내었다. 해양의 수직 확산 플럭스를 산정하기 위해 정상상태를 가정하고, 228Ra을 추적자로 이용하여 1차원 확산 모델(1-D diffusion model)을 수립하였다. 이를 통해 동해의 100-500m 수심에서 산정한 수직 와동 확산 계수는 9.64 cm2 s-1로 나타났다. 확산 계수와 용존 물질의 농도 구배를 통해 추정한 동해 200m 수심에서의 수직 확산 플럭스는 용존 유기 탄소 (dissolved organic carbon

DOC), 용존 무기 질소(dissolved inorganic nitrogen

DIN), 용존 무기 인(dissolved inorganic phosphorus

DIP)에서 각각 0.45 mol m-2 yr-1, -1.40 mol m-2 yr-1 그리고 -0.11 mol m-2 yr-1로 나타났다. 또한, 유광층에서 생산된 유기물이 산화, 분해되면서 산소가 소모되는 특성을 이용하여 유광층에서 심층으로의 유기탄소 수송 플럭스를 산정하고자 하였다. 해수 연령과 겉보기 산소 소비량(apparent oxygen utilization

AOU)을 이용하여 산소 이용률(oxygen utilization rate

OUR)을 산정하고 유기탄소의 심층 수송 플럭스(export production)를 측정하였다. 동해 울릉분지에서 228Ra과 226Ra의 반감기 차이를 이용하여 산정한 해수 연령은 수심이 증가함에 따라 연령이 높아지는 분포를 보였으며, 심층에서 최대 25년의 연령을 나타내었다. 200m부터 2300m까지의 산소 소모량과 이를 Redfield 비를 사용하여 탄소로 환산한 유기 탄소의 심층 수송 플럭스는 각각 5.0 mol m-2 yr-1, 7.2 mol m-2 yr-1로 나타났다. 이러한 심층 수송 플럭스(입자성 유기탄소+DOC)의 약 10 %가 DOC의 수직 확산 플럭스(0.45 mol m-2 yr-1)인 것으로 나타났다. 또한, 심층에서 유광층으로 공급되는 DIN의 수직 확산 플럭스(1.40 mol m-2 yr-1)를 Redfield 비를 사용하여 탄소로 환산하였을 때 10.2 mol m-2 yr-1로 나타났다. 이렇게 유기물의 심층 수송 플럭스는 공급된 DIN으로부터의 생산량의 약 50%로 추정되었다. 본 연구에서 산정한 심층으로 수송되는 유기 탄소 플럭스와 알려진 일차생산(primary production) 자료를 통해 산정한 f-ratio(export production / primary production)는 0.27로 나타났다. 본 연구에서 활용한 Mn-fiber 계류에 의한 226Ra과 228Ra의 정밀 수직 농도 분포 측정 방법은 해수의 수직 와동 확산 계수와 심층 해수의 나이를 정확하게 산정하게 하고, 이러한 값들은 기존의 생지화학적 방법에 비해 큰 공간 및 시간 스케일에서 용존 물질 및 유기물의 수직 수송량을 정확하게 측정할 수 있게 한다. 따라서 본 연구 방법은 향후 전지구 해양의 물질 및 탄소 순환을 이해하기 위해서도 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

The vertical fluxes of organic carbon and nutrients were calculated in the upper layer of the Ulleung basin, East / Japan Sea (EJS) using the radioactive isotope 228Ra (t1/2: 5.75 years) as a tracer. In order to measure the vertical distribution of 228Ra with low activity in the Ulleung basin, Ra samples were collected by attaching MnO2-impregnated fiber (Mn-fiber) to the mooring system. The activities of 226Ra (t1/2: 1602 years) and 228Ra were measured through a radium delayed coincidence counter (RaDeCC) and a gamma counter, respectively. The activity of 226Ra showed the lowest concentration (5.6±0.2 dpm 100L-1) in the surface layer and increased with depth to 500 m. 226Ra activity was relatively constant (9.1±0.5 dpm 100L-1) below 500 m. 228Ra/226Ra ratios in the Ulleung basin was high (1.0) in the upper water column and decreased with depth. Using the 228Ra profile and a one-dimensional diffusion model, the vertical eddy diffusivity (Kz) was estimated to be 9.64 cm2 s-1 by assuming steady state for a system from 100 to 500 m in the Ulleung basin. The vertical fluxes of dissolved organic carbon (DOC), dissolved inorganic nitrogen (DIN) and dissolved inorganic phosphorus (DIP) at 200 m depth (the bottom of the winter mixed layer) were estimated to be 0.45 mol m-2 yr-1, -1.40 mol m-2 yr-1 and -0.11 mol m-2 yr-1, respectively, using the Kz and the vertical gradient of each chemical constituent. In order to estimate the export production from the euphotic layer to the deep layer, oxygen consumption by decomposition of organic matter was utilized. The oxygen utilization rate (OUR) was calculated using the age of seawater and apparent oxygen utilization (AOU). The age of seawater in the Ulleung basin, which was estimated using the half-life difference between 228Ra and 226Ra, increased with depth and reached 25 years at deep sea. The export production from 200 m to 2300 m was estimated to be 5.0 mol m-2 yr-1. Approximately 10 % of this export production (particulate organic carbon + DOC) is DOC (0.45 mol m-2 yr-1). Approximately, 50% of the organic matter produced from DIN was transported to the deep layer through export production. Conclusively, the f-ratio (export production / primary production) estimated to be 0.27 was comparable to previously measured values. In this study, precise distribution of 226Ra and 228Ra activities was obtained by attaching Mn-fiber to a mooring system. The distribution could be utilized to accurately estimate the vertical diffusion coefficient of the ocean and the age of deep seawater. Thus, the measurement of higher resolution vertical fluxes of dissolved matter in large spatiotemporal scales compared to conventional biogeochemical methods was made possible. Therefore, this method can be useful to understand the biogeochemical cycle of the global ocean.