마리아나해구의 물은 어떻게 움직일까? 심해 해류를 측정하는 방법

마리아나해구의 가장 깊은 곳은 수심이 약 11km에 이릅니다. 이처럼 깊은 곳의 바닷물은 거의 움직이지 않고 고여 있을 것처럼 생각하기 쉽습니다.

하지만 실제 마리아나해구의 물은 정지해 있지 않습니다.

태평양 심층을 이동해온 차갑고 밀도가 높은 물이 마리아나 지역으로 들어오고, 해구의 복잡한 지형을 따라 흐르면서 방향과 속도가 달라집니다.

이러한 심해 해류는 산소와 영양염, 열, 유기물과 미세 입자를 운반하기 때문에 마리아나해구의 환경을 이해하는 데 매우 중요합니다.

문제는 수천 미터 아래, 특히 챌린저 딥과 같은 초심해에서 흐르는 물의 속도와 방향을 어떻게 측정하느냐는 것입니다.

연구자들은 유속계(current meter), ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler), CTD, 계류장비와 초심해 글라이더 등을 이용해 눈에 보이지 않는 심해의 물 흐름을 조사합니다.

마리아나해구의 물은 정말 움직이고 있을까?

바닷물의 움직임은 해수면 부근에서만 일어나는 현상이 아닙니다.

깊은 바다에도 수온과 염분에 따른 밀도 차이, 지구 자전, 대규모 해양순환과 해저 지형 등의 영향을 받는 흐름이 존재합니다.

특히 태평양의 심층에는 고위도 해역에서 형성된 차갑고 밀도가 높은 물이 매우 긴 시간에 걸쳐 이동합니다.

이러한 심층수가 마리아나 지역에 도달하면 해령과 해구, 주변 분지 등의 복잡한 지형을 만나 이동경로와 속도가 달라질 수 있습니다.

따라서 챌린저 딥은 단순히 깊은 물이 고여 있는 거대한 웅덩이가 아니라 주변 심해와 물질을 주고받는 역동적인 해양환경입니다.

심해 해류에서는 무엇을 측정할까?

해류를 연구할 때 가장 기본적인 정보는 속도와 방향입니다.

예를 들어 특정 수심에서 물이 서쪽으로 초당 몇 센티미터 이동한다면 연구자는 그 방향과 속도가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 기록합니다.

하지만 실제 심해 연구에서는 유속만 측정하지 않습니다.

수온, 염분, 압력, 수심과 경우에 따라 용존산소 등의 환경자료도 함께 측정합니다.

이러한 자료를 종합하면 어떤 성질의 물이 어느 방향에서 들어왔으며 서로 다른 수심에서 물의 구조가 어떻게 달라지는지를 분석할 수 있습니다.

유속계는 특정 지점의 물 흐름을 기록한다

가장 직접적인 방법 가운데 하나는 유속계(current meter)를 일정한 수심에 설치하는 것입니다.

유속계는 특정 위치에서 물이 어느 방향으로 얼마나 빠르게 움직이는지를 반복적으로 기록합니다.

연구선이 한 번 지나가며 측정하는 것과 달리 계류식 유속계를 설치하면 수개월에서 1년 이상 같은 장소의 변화를 관측할 수 있습니다.

이를 통해 평균적인 흐름뿐 아니라 조석과 계절 변화, 단기간에 발생하는 유속 변화까지 분석할 수 있습니다.

특히 직접 접근하기 어려운 심해에서는 장기간 자동으로 데이터를 기록하는 계류식 관측이 중요합니다.

ADCP는 소리를 이용해 물의 속도를 측정한다

현대 해양학에서 널리 사용되는 장비 가운데 하나가 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler), 즉 음향 도플러 유속계입니다.

ADCP는 물속으로 음파를 보냅니다.

이 음파 가운데 일부는 바닷물 속에 떠 있는 작은 입자나 플랑크톤 등에서 산란되어 장비 방향으로 돌아옵니다.

입자와 장비 사이에 상대적인 움직임이 있으면 되돌아오는 음파의 주파수가 조금 달라집니다.

이를 도플러 효과(Doppler effect)라고 합니다.

ADCP는 이러한 주파수 변화를 이용해 물의 이동속도를 계산합니다.

ADCP는 여러 수층의 유속을 동시에 조사할 수 있다

ADCP의 중요한 장점은 장비 바로 주변의 한 지점만 측정하는 것이 아니라는 점입니다.

음파가 이동하는 범위를 여러 구간으로 나누어 서로 다른 거리의 물 흐름을 측정할 수 있습니다.

따라서 장비의 설치방식과 측정범위에 따라 여러 수층의 유속과 방향이 어떻게 달라지는지를 하나의 수직 프로파일로 만들 수 있습니다.

이 때문에 장비 이름에도 단순한 Current Meter가 아니라 Current Profiler라는 표현이 들어갑니다.

CTD는 물의 성질을 측정한다

심해 해류 연구에서는 CTD 자료도 매우 중요합니다.

CTD는 Conductivity, Temperature, Depth의 약자로 전기전도도와 수온, 압력 등을 측정하는 장비입니다.

전기전도도 자료를 이용하면 염분을 계산할 수 있고 압력자료를 이용해 수심을 추정할 수 있습니다.

수온과 염분은 바닷물의 밀도를 결정하는 핵심 요소입니다.

따라서 서로 다른 위치와 수심에서 수온·염분·밀도 구조를 비교하면 서로 다른 성질을 가진 수괴가 어디에 분포하는지 알아낼 수 있습니다.

CTD 자체가 일반적인 의미의 직접 유속계는 아니지만 심해수가 어디에서 왔고 어떤 방향으로 이동하는지를 해석하는 데 매우 중요한 자료를 제공합니다.

계류장비를 이용하면 장기간 같은 장소를 관측할 수 있다

심해 해류는 하루나 이틀 동안 측정한 결과만으로 전체적인 특성을 파악하기 어렵습니다.

조석과 계절 변화, 주변 심층수의 유입 등에 따라 유속이 달라질 수 있기 때문입니다.

그래서 연구자들은 해저에 앵커를 설치하고 케이블이나 계류선의 여러 위치에 유속계, CTD, 온도센서 등을 장착합니다.

연구선이 현장을 떠난 뒤에도 장비들은 자동으로 데이터를 기록합니다.

관측기간이 끝나면 음향신호 등을 이용해 장비를 해저 앵커에서 분리하고 부력체를 이용해 수면으로 올라오도록 한 뒤 회수합니다.

이렇게 얻은 장기간 자료를 이용하면 특정 순간의 해류가 아니라 시간에 따른 변화를 분석할 수 있습니다.

이동하면서 관측하는 수중 글라이더도 있다

고정된 위치에서 측정하는 계류장비와 달리 수중 글라이더(underwater glider)는 바닷속을 이동하면서 자료를 수집합니다.

글라이더는 부력을 조절해 상승과 하강을 반복하면서 앞으로 이동합니다.

수온과 염분, 압력 등의 센서를 탑재하면 이동경로를 따라 여러 수심의 데이터를 얻을 수 있습니다.

이러한 장비는 하나의 지점이 아니라 넓은 지역의 입체적인 수괴 구조를 조사할 수 있다는 장점이 있습니다.

하지만 일반적인 수중 글라이더가 챌린저 딥까지 내려갈 수 있는 것은 아닙니다.

초심해 탐사를 위해서는 약 1,000기압을 넘는 압력을 견딜 수 있도록 특별히 설계된 장비가 필요합니다.

챌린저 딥에는 초심해 글라이더가 투입됐다

2018년에는 두 대의 초심해용 Sea-Wing 글라이더를 이용해 챌린저 딥의 수괴와 해양순환을 조사하는 관측이 이루어졌습니다.

글라이더는 2018년 9월부터 10월 사이 챌린저 딥을 이동하면서 수온과 염분 등 수층의 특성을 기록했습니다.

이 자료를 이용한 연구는 몇 개의 고정된 관측지점만으로는 파악하기 어려웠던 챌린저 딥 내부의 공간적인 수괴 구조와 순환을 분석하는 데 활용됐습니다.

초심해에서 이동형 관측장비를 이용했다는 점에서 중요한 연구입니다.

깊이에 따라 물의 흐름 구조가 달랐다

초심해 글라이더 관측 결과 챌린저 딥의 물은 모든 수심에서 같은 방향으로 움직이는 단순한 구조가 아니었습니다.

연구에서는 약 3,000~7,000m 사이의 수괴 구조가 수심에 따라 달라지는 현상이 관찰됐습니다.

상대적으로 얕은 심층과 더 깊은 수층에서 수온·염분 구조와 물의 이동 특성이 서로 달랐습니다.

연구진은 이러한 구조가 해구 내부의 수평적인 흐름뿐 아니라 상승운동과 혼합·확산 등이 함께 작용한 결과일 가능성을 분석했습니다.

즉 챌린저 딥 내부의 물은 단순한 한 방향의 흐름이 아니라 3차원적인 순환구조를 가지고 있습니다.

챌린저 딥의 깊은 층에서는 서향 흐름이 관측됐다

2021년 Geophysical Research Letters에 발표된 연구에서는 챌린저 딥의 깊은 층에서 서쪽 방향의 흐름이 중요한 것으로 분석됐습니다.

연구진은 글라이더 관측자료 등을 이용해 이 심층 서향 흐름의 수송량을 약 1.29 Sv로 추정했습니다.

여기서 Sv는 Sverdrup의 약자로 대규모 해류의 수송량을 나타내는 단위입니다.

1 Sv는 초당 100만 세제곱미터(10⁶ m³/s)의 물이 이동하는 양입니다.

따라서 1.29 Sv는 약 129만 m³/s에 해당합니다.

다만 이 값은 특정 관측기간과 분석방법을 통해 추정된 수송량이며 챌린저 딥의 해류가 언제나 정확히 같은 수송량을 유지한다는 의미는 아닙니다.

수심이 깊어지면서 흐름이 약해진 관측도 있다

챌린저 딥에서는 계류식 유속계를 이용한 직접적인 심층 유속관측도 이루어졌습니다.

기존 관측에서는 약 3,954m에서 평균적으로 약 5cm/s의 서향 흐름이 관찰된 반면, 약 6,773m 부근에서는 평균 유속이 거의 0cm/s에 가까워지는 결과가 보고됐습니다.

이는 해구 내부의 물이 모든 수심에서 같은 속도로 흐르는 것이 아니라는 점을 보여줍니다.

수심과 위치, 해저 지형과 수괴 구조에 따라 유속과 방향이 크게 달라질 수 있습니다.

해저 지형은 심해 해류의 길을 바꾼다

심해 해류의 이동은 바닷물의 밀도 차이만으로 결정되지 않습니다.

해령과 해저산, 분지와 해구 같은 거대한 해저 지형도 물의 이동을 제한하거나 방향을 바꿀 수 있습니다.

마리아나 지역으로 접근한 심층수는 복잡한 해저 지형을 만나면서 갈라지거나 특정 통로를 따라 이동할 수 있습니다.

따라서 마리아나해구의 순환을 연구할 때는 유속자료만 보는 것이 아니라 정밀한 해저 지형도와 함께 분석해야 합니다.

해저 지형은 심층수의 이동뿐 아니라 혼합과 난류 발생에도 영향을 줄 수 있습니다.

해류는 미세 퇴적물도 움직인다

앞선 글에서는 마리아나해구 바닥의 미세 입자가 위에서 수직으로 떨어지는 것뿐 아니라 주변 사면에서 옆으로 이동할 수 있다는 점을 살펴봤습니다.

이러한 이동을 이해하려면 해저 가까운 곳의 물이 어느 방향으로 얼마나 빠르게 흐르는지를 알아야 합니다.

저층의 흐름은 작은 입자를 운반하고 경우에 따라 이미 바닥에 쌓인 입자가 다시 이동하는 데 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 유속자료와 퇴적물의 입도, 광물조성, sediment trap 자료 등을 함께 분석하면 퇴적물의 이동경로를 더 정확하게 연구할 수 있습니다.

하지만 앞선 글이 입자의 출처와 이동을 다뤘다면 이번 글의 핵심은 그 입자를 운반할 수 있는 물의 흐름 자체를 어떻게 측정하는가입니다.

심해 해류는 산소와 영양물질도 운반한다

심층수는 단순히 물만 이동시키는 것이 아닙니다.

물속에 녹아 있는 산소와 영양염, 무기탄소와 여러 화학성분도 함께 이동합니다.

따라서 심층수가 어디에서 들어오고 얼마나 빠르게 교환되는지는 해구 내부의 화학환경에도 영향을 줄 수 있습니다.

심해 생물과 미생물이 살아가는 환경을 이해하려면 온도와 압력뿐 아니라 산소와 영양물질을 공급하는 물의 이동도 함께 연구해야 합니다.

이 때문에 심해 순환은 물리해양학뿐 아니라 생물학과 지구화학 연구에도 중요한 요소입니다.

해류를 한 가지 장비만으로 연구하기 어려운 이유

마리아나해구의 순환은 매우 복잡하기 때문에 하나의 관측방법만으로 전체 흐름을 파악하기 어렵습니다.

고정식 유속계는 특정 위치에서 시간에 따른 변화를 정밀하게 기록할 수 있지만 넓은 지역의 공간적인 구조를 한 번에 보여주기는 어렵습니다.

반대로 이동형 글라이더는 넓은 지역을 관측할 수 있지만 같은 지점의 장기간 변화를 측정하는 데에는 한계가 있습니다.

CTD는 수온과 염분 등 수괴의 특성을 매우 정밀하게 측정하지만 일반적인 사용에서는 직접적인 유속계와 역할이 다릅니다.

ADCP는 여러 수층의 유속을 측정할 수 있지만 사용 주파수와 설치방식, 주변 환경에 따라 측정 가능한 거리와 정확도가 달라집니다.

그래서 실제 해양연구에서는 여러 장비에서 얻은 자료를 서로 결합해 분석합니다.

해류의 속도가 느리다고 중요하지 않은 것은 아니다

심해에서 초당 몇 센티미터의 유속은 매우 느리게 느껴질 수 있습니다.

하지만 이러한 흐름이 수개월이나 수년 동안 지속되면 엄청난 양의 물과 물질이 이동할 수 있습니다.

또한 해류의 규모가 크다면 개별 물 입자의 이동속도가 빠르지 않아도 전체 수송량은 매우 클 수 있습니다.

그래서 해양학에서는 단순한 유속뿐 아니라 해류가 통과하는 면적을 고려한 수송량(volume transport)도 중요하게 분석합니다.

앞서 설명한 Sv 단위가 바로 이러한 대규모 해수 수송량을 나타내기 위해 사용됩니다.

초심해 해류 측정이 어려운 이유

마리아나해구에서 가장 큰 기술적 문제 가운데 하나는 압력입니다.

수심 10km 부근에서는 약 1,000기압을 넘는 압력이 작용하기 때문에 센서와 배터리, 전자장비를 보호할 수 있는 특수한 구조가 필요합니다.

또한 장비를 설치한 뒤 문제가 발생하더라도 사람이 직접 내려가 쉽게 수리할 수 없습니다.

계류장비가 정상적으로 회수되지 않으면 오랜 기간 기록한 데이터를 잃을 가능성도 있습니다.

센서의 장기 안정성과 배터리 수명, 정확한 위치 확인과 데이터 저장도 중요한 문제입니다.

이 때문에 챌린저 딥의 장기간 직접 유속관측 자료는 일반적인 연안이나 얕은 바다의 관측자료보다 훨씬 확보하기 어렵습니다.

한 번의 관측으로 마리아나해구 전체를 설명할 수 있을까?

그렇지 않습니다.

심해 해류도 시간에 따라 변화하기 때문에 특정 탐사에서 얻은 결과를 마리아나해구 전체의 영구적인 흐름으로 일반화해서는 안 됩니다.

관측 위치와 계절, 수심에 따라 결과가 달라질 수 있으며 장기간의 변화를 이해하려면 여러 해에 걸친 반복 관측이 필요합니다.

또 직접 관측자료와 해저 지형자료, 수치해양모델을 함께 비교해야 관측하지 못한 지역의 흐름까지 보다 정확하게 추정할 수 있습니다.

따라서 현재의 연구결과는 마리아나해구 순환의 중요한 단서를 제공하지만 모든 세부적인 흐름이 이미 밝혀졌다는 뜻은 아닙니다.

앞으로 마리아나해구 해류 연구는 어떻게 발전할까?

초심해를 견딜 수 있는 자율 수중로봇과 글라이더, 장기간 작동하는 센서가 발전하면서 마리아나해구의 물 흐름을 더욱 자세히 관측할 수 있게 되고 있습니다.

특히 이동형 로봇과 고정식 계류장비를 동시에 사용하면 공간적인 구조와 시간적인 변화를 함께 분석할 수 있습니다.

여기에 고해상도 해저 지형자료와 수치해양모델을 결합하면 직접 측정하지 못한 지역의 흐름도 추정할 수 있습니다.

장기간 자료가 축적되면 심층수 유입량이 계절이나 해마다 어떻게 달라지는지, 이러한 변화가 산소와 탄소, 영양염과 퇴적물 이동에 어떤 영향을 주는지도 더 정확하게 연구할 수 있을 것입니다.

자주 묻는 질문

마리아나해구 가장 깊은 곳의 물도 움직이나요?

그렇습니다. 챌린저 딥 내부에도 심층수의 순환과 이동이 존재합니다. 다만 흐름의 속도와 방향은 수심과 위치, 해저 지형과 시간에 따라 달라질 수 있습니다.

ADCP는 어떻게 물의 속도를 측정하나요?

물속으로 음파를 보낸 뒤 작은 입자 등에서 산란되어 돌아오는 음파의 주파수 변화를 측정합니다. 도플러 효과를 이용하면 물과 함께 이동하는 산란체의 속도를 바탕으로 해류의 속도를 계산할 수 있습니다.

챌린저 딥의 해류는 어느 방향으로 흐르나요?

관측 연구에서는 깊은 층의 서향 흐름이 중요한 것으로 나타났습니다. 그러나 수심과 위치에 따라 흐름이 달라지기 때문에 마리아나해구 전체의 물이 항상 한 방향으로 흐른다고 단순화해서는 안 됩니다.

1.29 Sv는 얼마나 많은 물인가요?

1 Sv는 초당 100만 m³의 수송량을 의미합니다. 따라서 1.29 Sv는 약 129만 m³/s입니다. 이 값은 2018년 초심해 글라이더 관측자료 등을 이용한 연구에서 추정된 챌린저 딥 심층 서향 흐름의 수송량입니다.

왜 심해 해류를 연구해야 하나요?

심해 해류는 열과 산소, 영양염, 탄소와 미세 입자를 이동시킵니다. 따라서 해류를 이해해야 마리아나해구의 퇴적환경과 화학환경, 생태계와 탄소순환을 함께 이해할 수 있습니다.

마무리

마리아나해구는 세계에서 가장 깊은 해양환경이지만 그 안의 물은 정지해 있지 않습니다.

태평양의 대규모 심층순환을 따라 이동해온 물은 마리아나 지역에 도달한 뒤 해구와 주변 해저지형의 영향을 받으며 복잡하게 움직입니다.

과학자들은 이러한 보이지 않는 흐름을 측정하기 위해 유속계와 ADCP, CTD, 계류장비와 초심해 글라이더를 사용합니다.

2018년 초심해 글라이더를 이용한 챌린저 딥 관측에서는 수심에 따라 서로 다른 수괴 구조가 확인됐으며, 후속 분석에서는 깊은 층의 서향 흐름이 중요한 것으로 나타났습니다.

또한 기존 직접 유속관측에서는 약 3,954m에서 약 5cm/s였던 평균 서향 흐름이 6,773m 부근에서는 거의 0cm/s에 가까워지는 등 깊이에 따른 차이도 보고됐습니다.

이처럼 마리아나해구의 해류를 측정하는 것은 단순히 물이 어느 방향으로 흐르는지를 알아내는 작업이 아닙니다.

심해를 이동하는 산소와 탄소, 영양물질과 퇴적물의 경로를 이해하고 궁극적으로 마리아나해구가 주변 태평양의 심층순환과 어떻게 연결되어 있는지를 밝히는 연구입니다.

참고자료

Jiang, H. et al. (2021). Ocean Circulation in the Challenger Deep Derived From Super-Deep Underwater Glider Observation. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093169.

Wang, F. et al. (2021). Pathways, Volume Transport, and Seasonal Variability of the Lower Deep Limb of the Pacific Meridional Overturning Circulation at the Yap-Mariana Junction. Frontiers in Marine Science, 8, 672199.

Taira, K. et al. (2004). Deep and bottom currents in the Challenger Deep, Mariana Trench.

NOAA Ocean Service. What is an ADCP?

NOAA Ocean Exploration. Oceanographic Sensors and Deep-Sea Exploration Technologies.