I and II. Evaluation of the atmospheric deposition using dissolved components in rainwater and mercury in Antarctic snow, III. Provenance and environmental change recorded in authigenic beryllium and detrital hafnium isotopes in marine sediment of the Bering Sea

Abstract

지구는 그 변화를 스스로 기록하는데, 그 방법 중 하나로 열역학적 상 전이를 통하여 상대적으로 안정한 물질을 생성한다. 이 물질들은 생성 당시의 환경을 반영하고 있어 당시의 지구 환경을 연구하는 데 중요한 자료가 된다. 본 학위 논문은 주로 대기와 해양에서 응결 및 침전을 통하여 기록된 지구의 변화를 다루고 있다. 제 2장과 3장에서는 빗물의 성분을 연구하는 과정에서 국지적인 영향을 어떻게 고려하여야 할 지를 다룬다. 연구는 국내에서 배경대기를 연구하기 위하여 세워진 백령도 대기종합측정소(2장), 제주도 고산관측소(3장) 두 지점에서 이루어졌다. 백령도 대기종합측정소에서는 강한 풍속 및 주변 지형•지물의 영향으로 수 십 미터의 국지적인 범위 내에서 위치에 따라 빗물 시료 채집량이 서로 다르게 나타났고, 그 결과 각각의 빗물 성분 역시 상이하였다. 이와 같은 국지적 영향을 보다 자세하게 연구하기 위하여 제주도 고산관측소에서 지난 14년간 관찰된 강수 화학 자료를 획득하여 다양한 통계법을 적용하였다. 그 결과, 풍향•풍속에 따라 국지적으로 발생한 에어러솔이 빗물 성분에 상당한 영향을 주는 것으로 나타났다. 본 연구는 배경 대기 관측의 일환으로 빗물의 조성을 연구할 때 시료 채집 장소를 적절하게 선정하고. 장기 관측을 통하여 해당 지점에서의 국지적인 영향을 산정하는 것이 필요하다는 것을 보여준다. 제 4, 5, 6장에서는 남극 눈에 포함된 수은 농도와 그 의미를 연구하였다. 4장에서는 표층 눈 내 수은 농도, 5, 6장에서는 깊이에 따른 수은 농도 변화를 통하여 남극 고원 지대에서의 수은 거동이 눈의 수은 농도에 어떤 영향을 주는지 연구하였다. 여름철에 발생하는 일련의 광화학 반응에 의하여 수은은 대기 중 안정한 Hg0에서 반응성이 큰Hg2+로 산화된 후 지표로 침전되면서 표층 눈 내 수은 농도를 높이는 것으로 나타났다. 그러나 깊이에 따른 수은 농도 변화를 보면 상대적으로 낮은 농도 범위를 갖는데, 이는 침전된 수은이 또 다른 광화학 반응에 의하여 Hg0으로 환원되면서 대기 중으로 다시 방출되기 때문이다. 양 방향의 수은 교환의 결과로 눈 내에 남겨져 하부에 묻힌 수은은 전지구적인 수은 순환으로부터 반영구적으로 격리되는데, 그 양은 고원 지대로 수송되는 해염의 양이 가장 크게 영향을 주는 것으로 사료된다. 제 7장에서는 베링해의 Bowers Ridge에서 국제공동해양시추사업(Integrated Ocean Drilling Program)을 통하여 획득된 해저 퇴적물 중32 - 40 ka 기간에 해당하는 퇴적물의 자생성분 내 10Be/9Be 및 쇄설성분 내 176Hf/177Hf비를 측정하였다. 자생성분은 생성 당시의 해수 성분을 반영하고 쇄설성분은 입자의 기원에 대한 정보를 가지고 있다. 10Be/9Be 은 현재 해수의 절반 수준의 값을 가졌는데, 생물 활동 및 강을 통한 9Be와 쇄설물의 유입이 증가하였기 때문으로 보인다. ~32 ka에서 관찰되는 상대적으로 높은 10Be/9Be값은 지구 자기장 감소에 따른 대기 중 10Be의 생성이 증가하였기 때문으로 추측된다.

This thesis views precipitation as a means that the Earth employs to record its change, because the precipitates reflect environmental conditions at the time of formation. It consists of six chapters that deal with compositions of precipitates forming in the atmosphere and ocean. In Chapters 2 and 3, the composition of rainwater is investigated with a major focus on local conditions that should be considered when monitoring the rainwater composition. The studies were conducted at two sites located on remote and rural islands in Korea – the Baengnyeongdo Atmospheric Research Center (BARC, Chapter 2) and Gosan Station (Chapter 3). In BARC, temporal formation of a rain shadow depending on the wind conditions and natural and artificial topography resulted in meter-scale spatial variations in the rainwater composition. In Gosan Station, local aerosols were generated by strong winds from the cultivated ground of the island and introduced into the rain collector. These observations stressed that the contribution of the local factors to the rainwater composition should be carefully interpreted, especially at windy sites chosen for monitoring the regional background atmosphere. In Chapters 4, 5 and 6, the total mercury concentration (HgT) is determined from surface snow (Chapter 4) and snow pits (Chapters 5 and 6) on the Antarctic Plateau to contribute to the understanding of the mercury dynamics in inland Antarctica and the global mercury cycle. In spite of an active exchange of mercury between the atmosphere and surface snow during the austral sunlit period, supported by spatio-temporal variability of HgT in surface snow and emerging evidences from the atmospheric observation, only a small amount of mercury (a few pg g-1) is sequestered in the Antarctic snowpack. The amplitude of seasonal and interannual variation in mercury sequestration appears to be controlled by the poleward transport of sea-salt. In Chapter 7, authigenic 10Be/9Be ratio and detrital 176Hf/177Hf are determined from marine sediments on the Bowers Ridge in the Bering Sea spanning 32 – 40 ka. The former reflects the deep seawater composition at the time of deposition and the latter is a tracer for source provenance of the detrital particles. The 10Be/9Be about a half of the current ratio indicates either high biological productivity or increased riverine influx of 9Be and detrital particles at that time. The peak of 10Be/9Be at ~32 ka might be associated with the reduction of geomagnetic field and consequent enhancement of 10Be production.