Present and past organic carbon cycling on the Amundsen Shelf, Antarctica: Implications from radiocarbon and sterols

Abstract

서남극 아문젠해는 현재 진행되고 있는 기후변화로 인한 빙붕과 해빙의 급격한 감소를 겪는 등 민감하게 반응하고 있으며, 이에 따라 일차생산과 이산화탄소 흡수 등 탄소순환 양상이 급격하게 변화할 것으로 예상된다. 지구 온난화에 따른 이러한 변화는 일차원적으로 일어나지 않으며, 따라서 보다 정확한 미래 예측을 위해서는 과거와 현재 아문젠해 탄소순환을 이해하는 것이 중요하다. 본 연구는 이러한 아문젠해에서의 탄소순환 양상 변화를 밝히기 위한 국제적이고 다학제적인 연구의 일환으로 극지연구소, ETH Zürich, 그리고 BAS(British Antarctic Survey) 팀과 함께 진행하였다. 2011년부터 2018년에 걸쳐 아문젠해역 전역에서 획득한 침강 입자와 퇴적물 시료를 이용하여 현재와 과거, 홀로세 동안 아문젠해 유기탄소순환을 다층 중장기적으로 해석하였다. 아문젠 해역은 남반구의 여름을 제외하고는 접근이 힘든 지역이기 때문에 퇴적물 트랩은 이 해역의 생물학적 펌프 작용을 살펴볼 수 있는 유일한 방법이다. 2015년 해빙역에서 최초로 이루어진 1년간의 침강입자 연구를 시공간적으로 확대하여, 본 학위논문에서는 해빙역과 아문젠해 폴리냐 내부, 닷슨 빙붕 앞에서 획득한 침강입자 퇴적물 시료를 해석하였다. 아문젠해 전반적으로는 규조류가 우점하는 해빙역이 폴리냐 내부와 빙붕 앞쪽에 비해 침강입자 플럭스가 높게 관측되었다. 다년간의 해빙역 침강입자 자료를 통해 해빙역에서의 침강입자의 플럭스는 해빙이 녹는 정도와 더불어 시기가 매우 중요함을 시사하였다. 또한 해빙역과 빙붕 앞쪽의 퇴적물 트랩에서 2년에 걸쳐 거대 저서동물과 가리비, 성게가 발견되었는데, 이는 퇴적물 트랩 연구 사상 최초로 보고되는 현상이다. 이 저서동물 시료의 길이와 두께를 측정하여 유기탄소량으로 환산한 값은 일차생산으로 공급되는 유기탄소의 5배에 달했다. 본 연구에서는 이러한 형태의 유기물 공급이 주로 남반구의 겨울철에 관측되었음을 제시하며, 이 현상이 아문젠 해역, 나아가 남극주변 대륙붕의 저서생태계에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 아문젠해에서의 anchor ice의 형성 가능성을 제시하며 이 생물들의 수송 기작에 대하여 고찰하였다. 한편 중력코어와 박스코어 퇴적물 분석을 통해 홀로세 동안 아문젠 해역 내 유기탄소 퇴적양상을 연구하였다. 이를 위하여 최장 200cm 깊이의 중력코어 시료를 분석하였다. 이전까지 이 해역에서의 고기후 연구와는 차별적으로 깊이에 따른 고해상도의 방사성탄소동위원소 값을 얻었다. 아문젠해 해빙역, 폴리냐 내부와 닷슨 빙붕 앞에서 획득한 각각의 퇴적물에는 아문젠 해역의 해빙역과 폴리냐가 빙하의 후퇴와 해빙 이후 겪은 서로 다른 표층 환경이 반영되어 나타났다. 또한 폴리냐 내부 퇴적물의 다양한 생지화학적 근거(Br/Ti, Ba/Al, 지방계 바이오마커와 규조류 개체 수 등)를 바탕으로 아문젠해 폴리냐의 형성 시기와 과거 환경 변화를 유추하였다. 아문젠해 폴리냐는 해빙 직후 형성되기 시작한 것으로 예상되며 9~6 kyr cal BP 무렵 우점종의 변화가 있었던 것으로 보였다. 중력코어의 공간적 한계를 보완하고자 아문젠 폴리냐 내/외부와 닷슨 트러프의 내/외부 다양한 정점에서 박스코어 퇴적물을 획득하였다. 방사성탄소동위원소, 지방계 바이오마커, 입자사이즈 등을 분석함으로써 과거 아문젠 해역의 고환경과 퇴적양상을 보다 고해상도로 추정하였다. 기후변화에 의한 영향을 가장 첨예하게 받음과 동시에, 접근의 어려움으로 인간활동의 영향을 가장 적게 받은 해역 중 한 곳인 서남극 아문젠해에서 현재와 과거 유기탄소 순환을 다층 중장기적으로 이해하고자 했던 본 학위논문은 미래 기후 온난화에 따른 남극 탄소순환양상을 예측하고 기후 모델을 제시하는 데 있어 중요한 자료를 제공하였다.

The Amundsen Sea in the west Antarctic is experiencing rapid glacial melting and declining in sea-ice according to the climate change. This physical change is expected to influence the carbon cycling in the Amundsen Sea. The change is not one dimensional and therefore, it is important to understand the past and present organic carbon cycling in the Amundsen Sea to project the role of the Amundsen Sea in the future. To further our understanding of organic carbon cycling on the Amundsen Shelf, a research was carried out in collaboration with KOPRI (Korea Polar Research Institute), ETH Zürich, and BAS (British Antarctic Survey) adopting multidimensional and multidisciplinary approaches. Various aspects of particulate organic carbon (POC) and sedimentary organic carbon (SOC) cycling in present and past were investigated. Sinking particles and sediment samples were collected during 4 cruises and sediment trap moorings from 2011 to 2018. Sediment trap is the only way to investigate year-round biological pump system in this region due to observational constraints. I tried to extend spatial and temporal understanding of sinking particles from one year study in perennial sea ice zone. Sinking particles, collected by a sediment trap deployed at three different sites (perennial sea ice zone, Amundsen Sea Polynya (ASP), and in front of the Dotson Ice Shelf). POC flux in the perennial ice-covered area where diatoms are dominant phytoplankton species can be high and comparable to that of the central polynya. Two years of sediment trap data covering three summers were obtained and examined sea ice evolution and POC export and their relationship. The summertime POC flux showed high interannual variability with the reduction in sea ice cover in early summer for sufficient insolation being critical to enhanced sinking POC flux (Chapter 3, as it is published in Journal of Marine Systems). Collection of large benthic invertebrates including juvenile scallops, a sea urchin, and long and slender worms in sediment traps for 2 years at three locations in the Amundsen Shelf also have been reported (Chapter 4). To our knowledge, this is the first reporting of collection of benthic macro organisms without swimming capability in the sediment trap. Organic carbon supplied by worms accounted for up to 5-fold the POC flux derived from primary production in the overlying water column. The collection of these organisms occurred predominantly during the austral winter. Plausible source region and transport mechanisms of these benthic organisms and the impacts on Antarctic biology, as a disturbance to benthic ecosystems, a dispersal mechanism for benthic invertebrates, and an energy supply to the deeper benthic ecosystems were investigated (Chapter 4, as it is published in Biogeosciences). Sediment samples collected by gravity core and boxcore were used to investigate recent and Holocene organic carbon cycling in this region. High resolution radiocarbon ages in depth for the cores were analyzed. History of the ASP formation and sedimentation characteristics were examined from three gravity cores recovered in the shelf break, inside the polynya, and near the Dotson Ice Shelf (Chapter 5). The up-core variation of biogeochemical proxies implied that the shelf break region and the ASP experienced different environment after deglaciation. Based on paleoproductivity proxies (ratio of Br/Ti, Ba/Al), OC normalized brassicasterol, and diatom valve abundances, temporal evolution of the ASP were suggested. The ASP suspected to be exist right after the deglaciation and the dominant plankton species may be shifted 9~6 kyr cal BP. In addition, box core samples from various locations of different surface water conditions in the western Amundsen Shelf were investigated to complement the spatial limitation of gravity cores. Radiocarbon, biomarkers representing phytoplankton communities and paleoproductivity (brassicasterol, cholesterol, and dinosterol), and grain size were analyzed for a high spatial-resolution of SOC accumulation characteristics on the Amundsen Shelf (Chapter 6). This study contributes to further advance our understanding and future climate model of the organic carbon cycling in the Amundsen Sea, one of the most rapidly changing, the least affected by human activity region around the Antarctica.