해양과 지구환경


엘니뇨(El Niño)와 남방진동
	캘리포니아에서의 강한 바람과 억수 같은 비는 방문중인 영국 여왕을 흠뻑 적시게 했고, 홍수와 사태는 에쿠아도르를 황폐화시켰다. 남동 아프리카에는 심한 한발이 닥쳤고, 오스트레일리아에서는 네브라스카 크기의 먼지를 동반한 열풍은 가뭄으로 건조한 농경지와 산림에 대규모의 화재를 일으켰다. 1982~1983년의 겨울 동안에 세계의 날씨는 격노한 것처럼 보였다. 이러한 이상한 기상 현상이 지구의 여러 곳에서 나타나는 것에 대해 기상학자들은 엘니뇨(El Niño)가 그 원인일 것으로 생각한다.
그림 31. 남방진동의 모식도. A: 평상시, B: 엘니뇨시.	엘니뇨는 페루와 칠레 연안에서 일어나는 해안의 온난 현상인데 12월 말경에 발생하므로 크리스마스의 어린 아이란 의미의 이름이 붙여졌다. 이 해양의 교란은 2~3년에서 십수 년에 걸친 간격으로 발생한다. 과학자들은 지난 100년 동안에 최악이었던 1982~1983년의 엘니뇨 자료를, 남방 진동(대기와 해양의 변동)으로 알려진 훨씬 크고, 복잡한 현상으로 보고 있다. 엘니뇨는 남방 진동에 대한 하나의 증거인데 남아메리카 해안에서 일어나는 국소적인 현상이 아니라 칠레와 알래스카, 아프리카와 인도네시아만큼 넓게 떨어진 지역에서 기후 변화를 일으키는 대규모적인 이상 현상으로 이해되고 있다. 1923년 워커(Walker)는 언뜻 보기에 무질서한 지상 기압의 변동 가운데서도 수 년 정도의 간격으로 나타나는 확실한 기압 변동이 존재함을 발견했다. 즉 인도네시아를 중심으로 한 해륙의 지상 기압 변동과 남아메리카 근처 이스터(Easter)섬을 중심으로 한 동부 태평양의 지상 기압 변동 사이에 강한 역의 상관 관계가 있다는 것이다. 이 대규모의 대기압 시소 현상을 그는 남방 진동(Southern Oscillation)이라고 불렀다 (그림 31). 그 후 관측 자료가 축적됨에 따라 이 남방 진동은 단순한 적도의 기압 변동이 아니고 적도의 해면 수온, 강수량, 인도 및 남동 아프리카의 강수량, 중위도의 기온과 강수량 등과도 밀접한 관련이 있음이 알려졌다. 기압 변동인 남방 진동과 적도 태평양의 해면 수온 및 강수량의 변화 사이에는 특별한 의미가 있고, 그것이 엘니뇨로 나타나는 것이다. 1982년~1983년의 엘니뇨에 대한 첫 번째 신호가 1982년 6월초에 나타나기 시작했는데 해양학자들은 중앙 태평양에서 표면 해수의 온도 상승을 관측했다. 3년에서 7년을 주기로 발생하는 정상적인 엘니뇨는 해수 표면 온도가 조금 밖에 올라가지 않지만, 어쩌다 발생하는 강한 엘니뇨는 약 3℃의 온도 상승을 보이는데 1982년~1983년의 엘니뇨는 평소보다 5℃~6℃의 온도 상승을 보였다.
그림 32. 엔소(ENSO)의 모식도. A: 평상시의 대기와 해양의 움직임, B: 엘니뇨 시의 대기와 해양의 움직임.	따뜻한 물은 남아메리카 해안에서 날짜 변경선까지 멀리 북쪽으로도 펴져 갔다. 일반적인 경우 강한 무역풍은 따뜻한 적도 해류를 아시아 쪽으로 밀어내고 보다 차갑고 영양 물질이 풍부한 흄볼트(Humboldt) 해류를 페루와 칠레 해안을 따라 흐르게 한다. 그러나 1982년~1983년의 남방 진동에서는 이것이 뒤바뀌었는데 해면 수온의 이상 상승이 중앙 태평양에 나타나면 인도네시아를 중심으로 한 해양에서의 저기압대가 태평양 쪽으로 이동하게 된다. 결과적으로 무역풍이 사라지고 따뜻한 물이 적도 반류로서 남아메리카 쪽으로 거꾸로 흐르게 되는 것이다. 이렇게 엘니뇨와 남방 진동과의 밀접한 연관성을 가리켜 엔소(ENSO, El Nino Southern Oscillation)라 부르고 있다 (그림 32). 따라서 생물에 영양을 공급하는 흄볼트 해류가 없어지고 유기 물질이 풍부한 심층수의 용승이 사라져 버린다. 질산염과 인산염의 정상적인 공급이 없으면 연약한 먹이 사슬은 깨지게 되는데 먹이 사슬의 기본이 되는 식물성 플랑크톤은 번성할 수가 없으며 그들에 의존하는 유기체들은 굶어 죽고 만다. 결과적으로 엄청난 양의 물고기와 새들이 떼죽음을 당했다. 수 톤의 물고기 시체가 페루 해안에 쌓였고, 멸치류가 사라졌고, 수백만 마리의 새가 굶어 죽었으며 보금자리를 잃은 수백만의 새가 떠나자 그들의 새끼들은 모두 굶어 죽고 말았다. 페루의 멸치류 어업과 해조(海鳥)의 분비물(guano)에 의존하는 비료 산업이 문을 닫았다.
그림 33. 엘니뇨시의 대기 변화. 지역별로 한발과 홍수가 발생하였다.	이 엘니뇨 사건은 생물학적 및 경제적 타격보다 더 심각한 현상은 대기 변화의 불균형을 초래하여 지역별 한발과 홍수가 발생하는 지구 기후에 큰 영향을 끼쳤다 (그림 33). 높아진 해양의 온도는 증발을 증가시켜 육지 여러 곳에 많은 비를 내리게 했고 서쪽 반구의 대기압을 변화시켰다. 대기 상층에서 부는 제트류(jet stream)는 정상 때보다 두 배나 빨라져 호놀룰루에서 로스앤젤레스까지의 비행 시간을 1시간이나 단축시켰다. 캘리포니아에 겨울 폭풍이 계속 발생하여 대륙을 가로질러 동쪽으로 이동해 가면서 유타(Utah)주의 눈을 녹임으로써 홍수와 사태를 일으켰으며 같은 현상이 남아메리카의 여러 곳에 폭우를 내리게 하여 페루와 에쿠아도르에 비극적인 진흙 사태를 일으켰다. 이와는 대조적으로 태평양의 다른 쪽에서는 역사상 최악의 한발을 겪게 되었다. 앞서 말한 가뭄과 대화재에 의해 오스트레일리아에서 농업 손실은 10억불을 초과했으며 수천 마일 떨어진 남아프리카의 짐바브웨와 모잠비크에서는 식량 생산이 평소의 70%로 줄어들었다. 중앙 태평양에서 해수의 온난 현상은 적어도 세계의 1/3 이상의 날씨에 영향을 미친다. 그렇다면 그러한 사건을 어떻게 예측할 수 있을까? 컬럼비아 대학의 라몬트-도허티(Lamont-Doherty) 연구소의 마크 케인(M. Cane)은 태평양의 열대 해상에서 해양과 대기의 상호 작용을 정확히 설명하기 위한 컴퓨터 모델을 개발했다. 앞으로의 사건을 예측하는 모델의 개발은 과학의 기본적인 과제이며 과학자들은 계속 엘니뇨에 대한 자료를 수집하여 기존 모델을 더욱 보강시키거나 새로운 모델을 만들어 낼 것이다.
엘니뇨와 라니냐 (La Niña)
그림 34. 태평양 적도 부근 SST 사진. A: 1998년 1월 12일, B: 1998년 9월 22일.	엘니뇨가 해수의 온난현상인데 반해, 라니냐는 태평양 적도 해수의 저온 현상을 말한다. 따라서 명칭도 남자 아이라는 뜻의 엘니뇨에 대해 '여자 아이'라는 뜻의 라니냐 (La Niña)라 붙여졌다. 1997년~1998년에 걸쳐 금세기 최악의 엘니뇨를 겪었으며, 1998년 여름부터 라니냐 현상이 관찰되고 있다. 왼편 그림 34는 1998년 1월 엘니뇨(위)와 1998년 9월 라니냐(아래) 현상을 보여주는 태평양 적도 부근 해수표면 온도(SST: sea surface temperature)로서 토펙스/포세이돈 인공위성이 찍은 영상을 처리한 것이다.

생명의 후원자로서의 해양
	지구상의 생명은 바다에서 시작되었고 오늘날에도 바다는 생명체에 영양을 공급하며 또 탄생을 가능케 한다. 우리는 해양이 남겨 준 유산을 지니고 다니는데, 우리의 신체 속의 액체는 해수와 매우 흡사하다. 그러나 우리들 대부분은 해양을 한번도 보지 못하고 살다가 죽기도 한다. 우리는 태어나서 죽을 때까지 육지에 속해 있고, 우리를 대부분에게 바다는 단지 휴식을 찾아가는 낯선 지역으로만 여겨지고 있다. 그러나 인간이 바다와 전혀 무관하다는 생각은 잘못이다. 해양은 지구의 환경을 지배하며 생명의 유지를 가능하게 한다. 우리는 지구상의 생명의 미래를 위해 해양을 확실하게 이해해야 한다. 우선 물을 생각해 보자. 모든 생명은 비록 그 양이 아무리 작더라도 물에 의존하고 있으며 지구의 먹이 사슬의 기본이 되는 식물을 자라게 하는 비와 눈의 근원도 해양에서 증발한 물인 것이다. 우리가 호흡하는 공기도 바다로부터 온 선물이다. 지구 대기 중 산소의 3/4 이상이 식물 플랑크톤이라 불리는 조그만 해양 식물의 광합성의 결과 배출된 것이며 우리 눈에 잘 띄는 육상 식물은 지구 산소의 일부분만을 만들어 낼뿐이다. 지구의 기후는 생명을 적합하게 유지시키는 해양에 의해 조절되고 있다. 막대한 해수의 소비에 필요한 가열과 냉각은 육지의 물보다 느리기 때문에 계절에 따라 아주 작은 온도 변화를 일으킨다. 따라서 해안의 온도는 1년에 17℃이상 변하지 않는데 반해 대륙 내부에서는 55℃이상이나 변한다. 거대한 규모로 해양은 순환하며 저장한 태양열을 운반하면서 극지방을 데우고 열대 지방을 식힌다. 이러한 커다란 순환은 세계의 날씨에도 영향을 미친다. 한편, 육상의 생명체가 해양에 의존하는 것과 똑같이 해양의 생명도 대륙에 의존하고 있다. 모든 유기체의 신진 대사 과정은 영양분이라는 어떤 물질을 필요로 하는데 이들 중 가장 중요한 것은 산소, 탄소, 수소, 질소 및 인이다. 이들 대부분은 대륙과 해양 사이를 끊임없이 순환하고 있다. 예를 들면 인은 극히 소량만이 필요하지만 상대적으로 매우 희귀하다. 인의 존재와 결핍은 생물학적 성장률에 제한을 줄 수도 있다. 지구상의 인은 주로 대륙에 있는 암석의 침식에 의해 빠져 나와 육지의 유기체에 의해 쓰여지고, 남은 인은 하천을 통하여 바다로 들어가서 해양 먹이 연쇄의 바탕을 이룬다. 결국 인은 해저에 퇴적되는데, 이 퇴적 지역은 대륙의 땅덩어리로 결합되기도 하지만 대부분의 인은 지구의 맨틀 속으로 침강하여, 새로운 해양저가 만들어지는 중앙 해령(확장 지대)에 다시 나타나는데 약 200만년이 걸린다. 비록 육지와 바다의 영역이 물리적으로는 떨어져 있지만, 각 영역에 살고 있는 생명체들은 싱싱한 영양물에 의해 서로 의존하며 주거니 받거니 하면서 순환하고 있다. 이 커다란 순환을 생화학적 순환이라고 부르며 지구상의 생명을 유지해 주는 기본적인 메커니즘의 하나인 것이다.

심해저의 생태계
	일반적으로 우리는 태양이 궁극적인 에너지원이자 식량원이라고 알고 있다. 그러나 이제 그러한 완고한 생각은 바뀌어져야 한다. 우리는 녹색 식물이 햇빛에서 에너지를 얻어 광합성이라 불리는 화학적 작용으로 영양분을 생산한다고 배워 왔다. 초식 동물(herbivore)은 그들이 먹는 식물로부터 영양 공급을 받는데, 그들은 식물에 저장된 태양 에너지에 의존하고 있는 셈이다. 육식 동물(carnivore)이 초식 동물을 먹으면 그 또한 태양 에너지를 얻게 되는데, 이처럼 유기체에서 다른 유기체로 에너지가 이동하는 과정을 먹이 사슬이라 부른다. 최근까지 먹이 사슬의 모든 설명은 에너지의 원천적 제공자인 태양과 함께 시작되었다. 그러나 이러한 기본적인 생물학의 규칙에 예외가 되는 놀랍고 새로운 발견이 있었다. 해양저 바닥은 깜 깜하고 차가운 곳이다. 수심 200m 아래에서 광합성이 이루어지기에는 햇빛이 절대적으로 부족하다. 이러한 깊은 곳에서 발견되는 모든 생명은 표층에서 흘러 내려오는 적은 양의 유기물 조각에 의존한다고 오랫동안 믿어져 왔다. 더구나 평균 수심 5,000m의 심해저에서는 생명체가 전혀 살지 못할 것으로 생각해 왔다.
그림 35. 심해저의 열수 암맥 주변에 살고 있는 생물들. A: 햇볕을 못받아 백색을 띠는 개와 조개, B: 파이프 모양의 생물.	최근 발달된 과학·기술로 말미암아 심해저 잠수정이 개발되어 심해저의 깊은 곳까지 탐사가 가능해진 것이다. 앨빈호나 아르키메데스호 같은 심해정은 중앙 해령을 따라 어떤 다른 일이 극적으로 일어나고 있는 것을 발견하였다. 이들 해령을 따라 열수 용액(hydrothermal fluid)이 흘러나오는 암맥(vent)이 있는데 그곳에서는 뜨겁고 광물질이 풍부한 뜨거운 물이 해저로부터 분출되고 있다. 이 열수 용액의 맥이 있는 지역에서 과학자들은 풍부한 생명체의 오아시스를 발견했는데, 이것들은 전에 한 번도 보지도 듣지도 못했던 해양 생물로 크고 밝은 빛깔을 지닌 관(tube) 속에서 사는 벌레이며 커다란 입과 이상한 기관을 갖고 있었다 (그림 35). 이들 생명체는 너무나 풍부해서 해양의 표층에서 흘러 내려오는 유기 물질만으로는 도저히 살아갈 수가 없을 뿐만 아니라 실제 깊고 깊은 심해저에 그러한 유기 물질이 있을 리도 만무하다. 그렇다면 이들 생명체는 어디서 에너지를 얻는 것일까? 그들은 에너지를 지독히 해로운 황화 수소로부터 끌어들이는 것으로 과학자들은 생각하고 있다. 열수 용액의 암맥은 해저의 틈을 통해 해수가 스며들어가서 데워지고 다시 해저로 분출하여 형성된다. 해저 아래의 뜨거운 암석에 의해 높은 온도로 가열된 물 속에는 용해된 금속과 황화 수소가 많이 들어 있는데 이 황화 수소는 모든 동물에게는 지독히 해롭지만 이 암맥 주변의 이상한 생물학적 환경에는 궁극적인 에너지원이 되는 것이다. 과학자들이 발견한 놀라운 사실은 매우 높은 온도에서 이들 박테리아가 견딜 수 있다는 점이다. 몇 개의 암맥 주위에서 과학자들은 박테리아가 아주 많아 구름 낀 것 같이 물이 흐린 지역을 찾아냈다(비슷한 박테리아가 옐로스톤(Yellowstone) 국립 공원의 온천 못에서도 발견됨). 박테리아는 물 속에서 황화 수소를 분해시키면서 살아가고 있다. 이들 박테리아는 황화 수소를 에너지원으로 사용하여 유기물질을 합성하게 되는데 여기에 바로 태양 에너지를 필요로 하지 않는 먹이 사슬이 생기는 것이다. 그것은 식물에 의한 광합성보다도 박테리아에 의한 화학 합성으로 시작된 것이다.
블랙 스모커(Black Smoker)
그림 36. 심해저 해령부근에서 발견된 블랙스모커. 열수와 함깨 검은 연기를 내뿜고 있다. 검은 연기처럼 보이는 것은 납, 아연, 동과 같은 황화광물의 입자이다.	뜨거운 열수 용액이 흘러나오는 암맥은 보통 검은 연기가 분출되는 모습이어서 ‘블랙 스모커’(black smoker)라 부르는데 검은 연기 굴뚝이란 뜻이다 (그림 36). 과학자들이 이 블랙 스모커의 온도를 측정하려고 했을 때 온도계가 곧 바로 녹아 버렸다. 그 온도는 나중에 350℃ 정도나 되는 것으로 밝혀졌다. 검은 색깔의 연기는 금속 황의 입자들에 의한 것인데, 차가운 주위의 물에 닿을 때 용액으로부터 황이 분리되기 때문이다. 블랙 스모커 주위에는 10층 높이 건물만큼 높은 커다란 언덕이 있는데 이곳에는 구리, 철, 아연을 포함한 황화 광물이 풍부하다. 이러한 놀라운 발견은 많은 재미있는 의문점들을 유발시켰다. 300℃ 이상의 온도에서도 견딜 수 있는 박테리아의 존재는 이전까지 너무나 악조건이라고 생각했던 장소에서도 생명체가 발견될 수 있다는 확률을 증가시켰다. 금성에도 그러한 박테리아 생명체가 있을까? 지구의 맨틀 속에는? 지구상의 생명체가 열수 용액의 암맥과 비슷한 환경에서 가능한 것일까? 표면에서 광합성을 일으키는 생명체가 없는데도 질소를 고정하고 자유 산소를 만들어 낼 수 있을까? 또한 황을 기반으로 하는 생명 형태는 존재할 수 없는 것일까? 등의 의문이 생겨나는 것이다.
바다는 우리에게 과거에도 그랬듯이 앞으로도 무한한 가능성을 제시해 줄 것이다. 인류는 미래에 지금보다 더 활발하게 바다를 탐험할 것이다. 바다는 언젠가 개척될 것이고 인류의 새로운 삶이 바다를 통해 영위될 지도 모른다. 그러기 위해서는 오늘날 심각하게 대두되고 있는 해양 환경의 파괴로부터 우리는 바다를 지켜야 할 것이다. 언젠가 우리는 생명이 탄생된 바다로 다시 되돌아가야 할 지 모르기 때문이다.