환경해양학 2013 년 2 학기 순서 해양환경의이해 - 해양과인간 해양과인간 1. 바다와인류 : 공유지의개념 2. 바다의과학 : 해양학소개 김종성 ( 서울대지구환경과학부 ) 3. 지구와바다 : 역사적고찰 4. 바다와생물 : 생태계란? 1 2 해양 vs. 환경문제 바다와지구환경 환경영향 The Water (Ocean) Planet 기후변화식량생태계서비스 대기오염생물종다양성해양오염쓰레기 산림수자원 지구의고유성은그표면에분포하는막대한양의물 ( 바다 ) 에있다. 지구의전체표면적 = 510x10 6 km 2 중에서바다의표면적은 360x10 6 km 2 ( 약 71%) 이다. 바다를구성하는물의특성 높은열용량 (heat capacity) 막대한에너지를저장할수있다. 큰용해력 많은물질을녹여속에담을수있다. 상온에서기체, 액체, 고체의삼상이공존 지표면에서순환한다. 액체보다가벼운고체 얼음이물위에떠밑의해양생태계를보호한다. 교통 지구환경과생태계내에서바다의역할과중요성 토지이용 자연재해 에너지 지구역사에서생명의탄생과진화가이루어진환경 : 생명의근원 지구기후의직접, 간접적조절작용 : 기후의조절 지표면물질순환의중심이자원천지 : 물질순환을주도 3 4
바다는우리인류에게무엇인가? 식량의공급처태초부터인류는바다의식량자원을다양하게이용하고있다. 교역의통로해운은바다를자연의장애물에서문명구축의수단으로변형시켰다. 자원의보고바다는인류가가장크게의존하는자연자원의보고이다. 생활및산업공간세계인구의 60% 이상이해안에서 60km 이내의해안지역에거주한다. 전쟁터해전은인류역사와문명의방향을결정했다. 문화와지식의산실해양은모험과진취적기상의원천이고, 지식을탐구하는학습장이다. 인류문명의미래와바다의역할 21 세기인류가극복해야할문제점들 : 자원의고갈 생활환경의질적악화 지구환경의변화 무한한해양의잠재력 - 해양의대부분은아직인류에게미지의영역이다 : 도전의가능성 바다에대한지식은달표면에대한지식에도못미친다 <R. Ballard>. 기술의발달과해양연구및이용의새로운가능성 - 바다는인류가가장크게의존하는자연자원의보고이다. 인류의 last frontier 는 deep ocean 이다! - 우주는인류에게지구의대안이될수없다. - Biosphere 연구계획의실패 세계와미국의노력 - 유엔의 1998 세계해양의해 지정 - 미국의 국가해양회의 와 Ocean Act of 2000-94년이후, 세계각국바다의날제정, 우리나라는 96년제정, 5월 31일 5 6 변화하는해양의기본적조건 풍요에서결핍으로, 조화에서갈등으로 : (IWCO) -해양이용의범위와강도가크게증가 ; 수용력의위협 - 인간수요를충족시킬해양의용량이지속적으로감소 ; 이해의충돌야기 - 해양의건강상태악화 ; 육상기원오염물질의유입 - 사고의가능성증대 ; 유해물질의운송과배출, 핵무기및핵추진선박등 - 급격한인구증가와선진국경제성장 ; negative developments 초래 - Science-based technology의가속화 ; 새로운해양이용의가능성 -해양범죄의빈발 ; 국가해양관할능력의훼손. 해양환경이직면한문제점 : (Costanza et al., Science, 1998) - 남획 - 폐기물의유출과해양배출 - 연안생태계의파괴 - 육상기원오염 - 기후변화 지구공유지 (global commons) 해양 해양은어느개인, 어느국가에귀속되지않는인류의공동유산이다. 그러나누구나자유롭게이용할수있는공유지의종말은파멸이다. Garrett Hardin (1968), The Tragedy of the Commons. 유엔해양법 (UNCLOS III) 체제하의해양 달라진해양의개념 : 유한한자원, 제한된환경용량 새로워진국제해양질서 : 분할된바다, 관리되는바다 지구환경의조절자해양 바다 : 공유지 지구의기후는바다에의해조절된다. 지구환경변화에대처하기위한해양지식의확충이시급하다. 7 8
지구, 바다, 공유지의비극 바다의과학해양학 해양학이란? The application of all science to the phenomena of the ocean. 즉바다의자연현상에모든영역의과학을적용하는학문이다. 해양학의분야 - 물리해양학 : 해수의물리적성질, 해류, 파랑, 조석 - 지질해양학 : 해저분지의구조와진화, 해저퇴적물, 과거해양환경 - 화학해양학 : 해수의화학특성, 해수성분의분포와순환 - 생물해양학 : 해양생물의생태, 분포, 특성 - 새로운해양연구분야 : 해양공학, 해양약학, 해저고고학, 해양정책등 오늘날의해양연구 - 위성 (satellite) 등첨단장비와기술을이용한연구 - 지구환경전체속에서해양과대기, 육지, 생물권등과의상호작용연구 - 심해환경연구 - 환경자원의이용과보전사이의조화를추구하는연구 9 10 바다의과학해양학의분야 우주속의지구와해양 공간적고찰 : 해양 < 지구 < 태양계 < 은하계 < 우주 (71%) (9 개행성 ) ( 백억개별 ) ( 백억개소우주 ) 시간적고찰 : 우주탄생 > 태양계와지구의형성 > 바다의형성 > 생명진화 (150 억년 ) (46 억년전 ) (40 억년전 ) (35 억년 ) 11 12
태양계와지구의기원 바다와대기의기원 태양은우주가탄생한후약백억년이지난후우주공간의가스와먼지들이중력의힘으로뭉쳐형성되었다고믿어진다. 태양을형성한우주의가스와먼지일부는새로형성된태양주위에 nebular disk 형태를이루다가지역적으로다시뭉쳐서행성 (planets), 위성 (moons), 소행성 (asteroids), 혜성 (comets) 등이되었다. 이렇게형성된행성등의성분조성은태양의그것과매우다르며, 이차이는태양계형성과정초기에진행된대규모화학적분리작용의결과이다. 지구는미행성 (planetesimal) 이라불리는차가운고체조각들이뭉쳐서형성된것으로믿어지며, 뭉쳐지는과정에서행성내부에축적된열로인하여구성물질의용융과이에따른물질의분화와재분포가일어났다. 지구는태양계형성당시에보유했던초기대기성분들을잃어버린것으로판단된다 ( 지구대기의 krypton, xenon 등희유가스의함량이태양계평균함량에비해극히적다 ). 태양이형성된후약 1 천만년경의소위 T Tauri stage 동안에강한태양풍에의해초기대기가우주공간으로날려갔다. 현재의바다와대기를구성하는물질들은본래고체물질 ( 암석 ) 속에갇혀존재하던휘발성가스성분들 (volatiles) 이화산활동등으로방출되어만들어진것으로믿어진다. 하와이화산에서분출되는가스들은수증기 (H 2 O), 이산화탄소 (CO 2 ), 아황산가스 (SO 2 ), 질소 (N 2 ) 등과함께소량의수소 (H 2 ), 일산화탄소 (CO), 황 (S 2 ), 염소 (Cl 2 ), 알곤 (Ar) 등으로구성된다. 이성분들이바로오늘날대기와해양을구성하는성분들이다. < 과잉휘발성물질 > 13 14 세계바다의물분포 생명의기원과진화 지구상최초의생명체는원시적박테리아였을것으로추정된다. ( 주변의무기적으로생성된유기물을이용 ) 구분 면적 (10 6 km 2 ) 평균깊이 (m) 체적 (10 6 km 3 ) 태평양 ( 주변해제외 ) 165.2 4,282 707.6 대서양 ( 주변해제외 ) 82.4 3,926 323.6 인도양 ( 주변해제외 ) 73.4 3,963 291 북극해 (Arctic) 14.1 1,205 17 지중해 (Mediterranean) 2.9 1,429 4.2 동해 (East Sea/Japan Sea) 1 1,350 1.4 동중국해 ( 황해포함 ) 1.2 188 0.2 All Oceans 361.1 3,790 1,370.30 무기물로부터직접유기물을생산하는자영양형박테리아의진화. 예 : methane bacteria (CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O + energy) 태양광선을이용하는광합성박테리아의진화. ( 수소, 이산화탄소및유기물을이용했을것으로추정 ) 청록조류 (bleu-green algae) 의등장 : 산소의생성. 약 35 억년전의암석에서처음등장 (stromatolite) 진핵생물 (eukaryotes) 의등장 : 약 15 억년전에최초등장 단단한껍질을지닌생물들의등장 : 화석이풍부해짐, 지질시대시작. 15 16
생명의기원과진화 남세균 35 억년전에퇴적된호주와라우나층의스트로마톨라이트와그속의생명의흔적 물과생명그리고환경 지구의가장큰특징은그표면에분포하는방대한양의물이다. 물은생명체가존재하기위한필수조건이다. 외계행성탐사시물의존재여부가첫번째관심사항이다. 물로인해지표면의기후가온난하게유지된다. 지표면물질순환의대부분은물을매개로하여이루어진다. 세계식량생산의가장큰제한요인은물부족이다. 인간은물을마시지않으면며칠이상을생존할수없다. 도대체물의어떠한특성이지구표면의가장풍부한자원의하나인물을지구의생태계와환경에있어유일하고다른무엇으로대체할수없는물질이되게하는것일까? 17 18 물의중요한물리 화학적특성 해수특성의조사 : CTD 와 Rosette Sampler 밀도 : 4 에서최대, 얼게되면부피가팽창 호수와바다가얼어붙는것을방지 융점과비등점 : 비정상적으로높음 지표면에서물이액체로존재할수있음 열용량 : 암모니아를제외하고모든액체중가장높음 수권이열의저장고로작용 ; 지표면온도를조절하여극한을방지 기화열 : 알려진물질중가장높음 대기와해양에서중요한열전달수단 ; 지표면온도를조절 표면장력 : 매우높음 구름과강우의입자형성조절 ; 모세관현상으로생물체내의물질이동 빛의흡수 : 적외선과자외선이크고가시광선은적음 해양생물의활동 ( 광합성 ) 조절 용해력 : 이온염과극성화합물의용해력이큼 지표물순환계와생물계에서의물질이동과순환에중요 19 20
바닷물의특성 : 수온, 염분, 밀도 깊이에따른수온, 염분, 밀도의변화 수온 (temperature): - 바다는표층으로부터덥혀진다. - 바닷물은전반적으로차다. ( 열대와온대표층만따뜻함 ) - 압력의영향으로수심 1km 증가에약 0.1 의수온증가. 따라서수온을비교할때에는표층에서의수온, 즉온위를이용. 염분 (salinity): - 1 kg 해수에존재하는용존물질의총량을천분율 (g/kg) 로표시 ( ). - 세계해양의염분값은대체로 34-36 사이에분포. ( 연안해역제외 ) - 해수염분의변화는강우, 증발, 결빙등물리적현상에기인. 어느해수수괴의염분값은보존적성질 (conservative property) 이다. 밀도 (density): - 해수의밀도는수온, 염분및압력에의해결정됨. ( 동일수심에서는무시 ) - 해수밀도의비교에는압력의영향이제거된대기압하의밀도를사용. 시그마티 (σ t ) = (density 1) x 1000 ( 밀도 1.0264 인해수 σ t = 26.4) 해수층의수직분포 수온약층 (thermocline): 염분약층 (halocline): 밀도약층 (pycnocline): 수온이급격하게감소하는층수심에따라염분이급변하는불연속층밀도의수직변화율이매우높은층 21 22 바닷물의용존성분 지구표면에서물의분포와순환 주성분 (100 ppm 이상 ): Chloride (Cl - ); 전체염분의 55.04% Sodium (Na + ); 30.61% Sulfate (SO 4 2- ); 7.68% Magnesium (Mg 2+ ); 3.69% Calcium (Ca 2+ ); 1.16% Potassium (K + ); 1.10% 부성분 (1-100 ppm): Bromine (Br), Carbon (C), Strontium (Sr), Boron (B), Silicon (Si), Fluorine (F) 미량성분 (1 ppm 이하 ): N, P, I, Fe, Li, Rb, Zn, Mo 등 염분 (salinity): Salinity( ) = 1.80655 x Chlorinity( ) 23 24
바다의생물과생태계 생태계의에너지흐름 : 광합성과호흡 바다는지구상의생물이최초로발생하여진화해온환경으로서생명의온상이라할수있음. 바다속에서식하는생물들은아직다밝혀지지않고있는상태이며, 심해저의생물상은최근에이르러서야그모습이조금씩드러나고있음. 모든생물체는여러생명의기능을수행하는데필요한에너지를근원적으로태양으로부터공급받음 식물들은광합성 (photosynthesis) 이라는과정을통하여태양에너지를생물이사용할수있는화학적에너지로변환시킬수있으며, 이에너지는광합성의산물인유기물내에축적됨 유기물은생물의호흡 (respiration) 과정에서산화되며, 이때유기물내축적된에너지는방출되어생물의신진대사에필요한에너지로쓰임 사진은 EPR black smoker에서채취한 Pyrococcus endeavorii 로서 100 이상수온에사는미생물. 25 26 해양생태계의구성요소 생태계의구성 해양생물은생물들상호간이나주변의물과끊임없이물질과에너지를교환하며, 이렇게상호작용하는생물들과주위환경은함께생태계 (ecosystem) 를구성한다. 생물의생활방식에따른구분 생물은생존에필요한유기물을무기물로부터스스로합성할수있는지여부에따라자영양생물 (autotroph) 과타영양생물 (heterotroph) 로크게구분. 한편, 타영양생물중박테리아포함일부미생물들은생물사체를분해시키는과정에서필요한에너지를얻음. 분해자 (decomposer) 에해당. 자영양생물 ( 생산자 ): 식물, 일부박테리아 ( 화학합성 ) 타영양생물 ( 소비자 ): 동물 ( 초식동물, 육식동물 ) 분해자 : 박테리아 해양생물의생활양식 해양생물의생활양식에따른구분 : - 부유생물 (plankton): 물에떠서사는생물 ; 식물플랑크톤, 동물플랑크톤, 박테리아 - 유영생물 (nekton): 헤엄치며사는생물 ; 어류, 연체동물 ( 오징어 ), 해양포유류 ( 고래 ) - 저서생물 (benthos): 바닥에서사는생물 ; 조개, 게, 갯지렁이, 갯망둥어, 규조류, 저서성어류 해양생물의분포에영향을미치는환경요인 : - 해수의물리적특성 : 빛, 수온, 압력, 밀도 - 해수의유동특성 : 파랑, 조석, 해류 - 해수의화학적요인 : 영얌염, 염분, 용존산소 - 생물적요인 : 먹이, 포식자 27 28
해양생물의환경적응 해양생물의환경적응 해수의밀도 : 해수의밀도 (1.025) 가공기 (0.0012) 에비해크다. - 몸체를지지할무거운골격을가질필요가없다 해수의수온 : 수온의변화가크지않다. - 체온을일정하게유지할필요가적다 ; 냉혈동물이대부분이다. - 해양생물들은종별로고유의적응할수있는온도범위를갖는다. 해수의물과염분 : - 식물이물을흡수할발달된뿌리를가지고있지않다. - 생물체액의염분농도가주변해수와같아체내수분보호장치가필요없다. 해수의투명도 : 포식자로부터스스로보호하기위한적응이필요 - 몸체의투명함, 작은몸체와빠른번식속도, 군집의형성, 주야수직운동 해양의 3차원서식공간 : 가라앉지않고떠있을수있는적응필요 - 작은몸체와돌기물보유, 체내지방축적, 어류의부레, 해저질의다양함 : 바닥물질의특성 ( 암반, 모래, 뻘 ) 에따른분포 29 30