<그림. 이전의 연구가 열수성 유액을 추적하는 경로를 따라 이루어진 2013년 후반 57일 동안의 항해
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

해양 철의 상당한 공급원으로 규명된 해저 온천

해양 아래에서, 화산과 마그마는 과열된 물이 깊은 해양으로 분출되는 온천(hot spring)을 생성한다. 뜨겁고 산성인 물은 지구 지각으로부터 얻어지는 금속의 공급원이며, 이러한 외진 간헐 온천(remote geyser)으로부터 유래한 따뜻하고 화학물질이 풍부한 물은 깊은 해저 생태계를 지원해준다.

철과 망간과 같은 금속은 직접적으로 반응하여 다른 물질에 고착되거나 서로서로 덩어리를 형성하여 입자를 형성한다. 이렇게 형성된 덩어리 또는 고착된 물질은 해저로 가라앉는다. 그러나 새로운 연구는 금속이 용해되어 전 세계 깊은 해양에 철의 주요 공급원을 제공하기 위하여 해양의 해류를 따라 이동한다는 사실을 입증했다. 관련 연구 결과는 네이처에 발표됐다.

이 연구는 대양저 산맥(mid-ocean ridges)에서 열수 활동(hydrothermal activity)이 중요한 미량 금속이 지구 해양 화학에 영향을 끼친다는 것을 입증했다고 미국 해양대기 관리처(NOAA; National Oceanic and Atmospheric Administration)와 협력 관계에 있는 워싱턴 대학(UW; University of Washington) 산하 대기 해양 연구를 위한 협력 연구소(Joint Institute for the Study of the Atmosphere and Ocean) 소속의 선임 연구 과학자이며 주저자인 Joseph Resing은 밝혔다. 보다 더 긴 시간 규모에 대하여, 이것은 해양의 생산에 영향을 끼친다고 Joseph Resing은 밝혔다.

금속, 특히 철(iron)은 해양에서 식물성 플랑크톤의 성장(phytoplankton growth)에 중요하다. 해양의 많은 부분에서, 비록 철이 ppt(parts per trillion) 수준의 농도에서만 존재한다고 할지라도, 철은 해양 생물의 성장을 제어한다.

해양에서 대부분의 철은 사막의 먼지로부터 유래하거나 하천에서 해양으로 방류를 통하여 유래한다. 그러나 우즈홀 해양학 연구소(Woods Hole Oceanographic Institution)에서 공동 저자인 Christopher German이 수행한 최근 연구는 철이 긴 거리를 이용하기 위하여 일부 화학적인 속임수의 유형을 이용하여 화산성 산맥(volcanic ridge crest)으로부터 탈출할 수 있다고 암시했다.

미국 국립과학재단의 GEOTRACES 프로그램의 일환으로 수행된 새로운 연구는 해양의 멀리 떨어져 있는 부분에 수십 년 동안 이러한 금속을 이동시키는 느리게 움직이는 심해 해류에 의해 열수성 금속이 서쪽으로 이동하는 움직일 수 없는 증거를 정확하게 찾아냈다.

워싱턴 대학 연구 선박에서 2013년 가을 57일 동안 이루어진 항해는 지구상에서 가장 활발하게 화산 활동이 이루어지는 지역 중 하나인 에콰도르 서부 심해 화산인 동태평양해팽(East Pacific Rise)으로부터 분출되는 물을 추적했다. 해양학자들은 해양의 표면에서 해저까지 금속을 측정하는 매우 민감한 도구를 이용하여 남태평양 서부에서 타이티까지 4,000 킬로미터 이상에 대한 자취를 추적했다.

알루미늄은 실제로 약 2.5 킬로미터 깊이에서 놀랍게도 열수성 망간(hydrothermal manganese)과 열수성 철(hydrothermal iron)이 규명된 증거인 화산성 산맥이 존재하는 서부의 모든 측정 기지에서 감소했다.

매일 연구진은 해당 장소에서, 용해된 철의 연기가 아직까지 존재한다는 사실을 확인하고 놀랐다고 Joseph Resing은 밝혔다. 연구진은 해류에서 이렇게까지 먼 거리를 용해된 철이 이동했다는 논문을 이전에는 확인하지 못했다고 Joseph Resing은 덧붙였다.

연구 결과는 특히 철 공급에 의해 제한되는 것으로 알려진 다량의 식물성 플랑크톤의 번식이 이루어지고, 철이 풍부한 먼지를 이용하는 바람이 더 적게 분포하는 남극 대륙을 순환하는 남빙양(Southern Ocean)에 중요하다.

공동 저자인 영국 리버풀 대학(University of Liverpool) 소속의 Alessandro Tagliabue는 해양 모델 내에 결과를 배치하여 남빙양에서 식물성 플랑크톤의 성장이 심해에서 분출되는 철에 의해 지지된다는 사실을 확인했다. 따라서 분출 시스템(vent systems)에서 유래한 철은 대기로부터 이산화탄소를 소비하고 주요 생태계를 유지하는 데 도움을 준다. 이러한 탄소의 상당 부분은 해양 표면으로부터 심해로 내보내지고, 남빙양에서 이러한 탄소 배출의 15~30%는 열수성 철(hydrothermal iron)에 의해 지원된다.

남빙양에 의한 이산화탄소의 흡수 모델을 적절하게 구현하고, 이러한 흡수가 기후에 어떻게 영향을 끼치는지 이해하기 위하여, 이러한 유형의 철에 대한 추산이 필요하다고 Joseph Resing은 밝혔다.

다른 동료 연구진에 의해 진행되고 있는 연구는 철이 이 시점까지 이동하는 것을 가능하게 하는 요인이 무엇인지 규명하기 위하여 동일한 항해가 이루어지는 동안 수집된 부가적인 물 시료를 분석할 예정이다. 두 가지 주도적인 이론은 인간의 혈류에서 철이 헤모글로빈에 고착되는 방법과 유사한 방식으로 유기 분자를 더 크게 만들기 위하여 부착되거나, 수십 년 동안 물에서 부유된 채로 남아 있을 수 있는 작은 나노입자로 분리되는 것이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr