- 산업화 이전 이후 해양 표면 pH는 0.1 단위 감소했습니다. 이는 인간 활동으로 인한 CO₂ 흡수로 인한 산성도 26% 증가를 의미합니다.
- 아라고나이트 포화도(Ωarag)는 산호초 건강의 핵심 지표입니다. 열대 표층수에서 약 3.5에서 약 2.8로 감소했으며, 고배출 시나리오에서는 2.0 미만으로 떨어질 것으로 예상됩니다.
- IPCC AR6는 2100년까지 pH가 추가로 0.2~0.4 단위 감소할 것으로 예측하며, 이는 대부분의 열대 지역에서 산호초 성장에 불리한 조건을 만들 것입니다.
매년 전 세계 해양은 인간이 배출하는 이산화탄소의 약 25~30%인 연간 약 100억 톤의 CO₂를 흡수합니다. 이는 대기 온난화를 조절하는 역할을 하지만, 화학적인 대가를 치르게 됩니다. CO₂가 해수에 용해되면 탄산(H₂CO₃)이 형성되고, 이는 해수 pH를 낮추는 수소 이온을 방출하기 위해 해리됩니다 [1]. 산업화 이전 시대 이후로 평균 표층 해양 pH는 약 8.2에서 8.1로 감소했습니다. pH가 로그 스케일이라는 점을 기억하면 이 변화는 작아 보이지만, 이는 수소 이온 농도가 26% 증가했음을 의미합니다 [2]. 해양이 절대적으로 산성이 되는 것은 아니지만, 측정 가능하게 알칼리성이 감소하고 있으며, 이는 탄산칼슘으로 껍데기, 골격 또는 판을 만드는 모든 생물에게 영향을 미칩니다. 스쿠버 다이버들에게 미치는 영향은 그들이 다이빙하는 암초에 새겨져 있습니다. 산호초를 형성하는 산호가 사용하는 탄산칼슘의 형태인 아라고나이트는 많은 열대 지역에서 대체되는 속도보다 더 빠르게 녹고 있습니다 [1]. Hoegh-Guldberg 등 [3]은 이미 2007년에 대기 중 CO₂ 농도가 450-500ppm을 초과할 경우(현재 수십 년 내에 이 수치를 넘어설 것으로 예상됨) 대부분의 전 세계 열대 산호초 시스템에서 암초 침식이 축적을 앞지를 것이라고 경고했습니다. IPCC 제6차 평가 보고서는 이러한 예측을 확인했으며 [5], 해양 산성화를 열적 백화 현상과 함께 다가오는 암초 위기의 공동 유발 요인으로 중요하게 다루고 있습니다. 이 글에서는 화학적 측면, 위협받는 석회화 생물, 그리고 다이버들이 관찰하고 할 수 있는 일에 대해 살펴봅니다.
표면 아래의 화학 작용
CO₂, 탄산 및 pH 감소
대기 중 CO₂가 해수에 용해되면, 물 분자와 반응하여 탄산(H₂CO₃)을 형성합니다. 탄산은 빠르게 중탄산염(HCO₃⁻)과 수소 이온(H⁺)으로 해리된 다음, 다시 탄산염(CO₃²⁻)과 추가 H⁺로 분리됩니다. 높은 대기 중 CO₂의 순 효과는 두 가지입니다. 수소 이온 농도가 증가(pH 감소)하고 탄산 이온 농도가 감소합니다. Feely 등 [1]은 세계 해양 순환 실험의 해양 조사 데이터를 사용하여 이 과정을 전 세계적으로 매핑했으며, 아라고나이트 포화 수심(이 수심 아래에서는 해수가 아라고나이트를 부식시키는 수심)이 산업화 이전 이후 대서양과 태평양 모두에서 측정 가능하게 낮아졌음을 발견했습니다.
아라고나이트 포화: 산호초 다이버를 위한 핵심 지표
아라고나이트 포화 상태(Ωarag)는 해수 내 이온 곱 [Ca²⁺][CO₃²⁻]과 아라고나이트의 용해도 곱의 비율로 정의됩니다. Ωarag > 1일 때 해수는 과포화 상태이며 산호는 골격을 만들 수 있습니다. Ωarag < 1일 때 아라고나이트는 자연적으로 용해됩니다. 산업화 이전 열대 표층수는 약 3.5의 Ωarag 값을 가졌습니다. 현재 열대 산호초 지역의 평균 값은 약 2.8이며, 현재 배출량 경로에서 10년당 약 0.1–0.2 단위 감소하고 있습니다 [2]. Ricke 등 [4]은 지구 시스템 모델 예측을 사용하여 미래 아라고나이트 포화 상태를 모델링했으며, RCP8.5 시나리오에서 대부분의 산호초 지역이 21세기 중반 이전에 Ωarag < 2를 경험할 것이라고 예측했습니다. 이 임계값에서는 많은 산호 종의 석회화 속도가 급격히 감소합니다.
화학적 위협 속의 석회화 생물
산호초 형성 산호
조류 공생 산호(hermatypic corals)는 열대 산호초의 건축가이며, 모든 해양 석회화 생물 중 가장 pH에 민감한 생물 중 하나입니다. 실험실 및 메조코즘 연구는 종과 열 이력에 따라 pH가 0.1 감소할 때마다 산호 석회화 속도가 10~40% 감소함을 일관되게 보여주었습니다. Hoegh-Guldberg 등 [3]은 여러 증거 라인을 종합하여 대기 중 CO₂ 농도가 500ppm을 초과할 경우 대부분의 열대 지역에서 산호초 침식 속도가 축적을 넘어설 것이며, 산호초가 순 탄산칼슘 생산자에서 순 손실자로 근본적으로 전환될 것이라고 결론지었습니다. 다이버들에게 이는 지형적 복잡성이 감소하고, 돌출 구조가 적어지며, 산호 덮개가 감소한 산호초로 나타납니다. 이는 산호초 다이빙을 시각적으로 특별하게 만드는 건축학적 특징의 저하를 의미합니다.
극피동물, 연체동물 및 익족류
해양 산성화는 산호뿐만 아니라 훨씬 더 많은 것에 영향을 미칩니다. (조류 과성장을 조절하는 중요한 암초 초식 동물인)성게는 수십 년 내에 예상되는 pH 값에서 골격 변형과 뒤집힘 반응 감소를 보입니다. 익족류(Pteropods)— 연어, 청어, 고래, 바닷새가 잡아먹는 밀집된 무리를 형성하는 자유롭게 헤엄치는 바다 달팽이 —는 남극해 일부와 미국 태평양 연안의 용승 지역에서 계절적으로 이미 관찰되는 pH 값에서 껍데기 용해를 보입니다 [2]. Orr 등 [2]은 현재와 같은 배출량으로는 2050년까지 남극해 표층수가 아라고나이트 과포화 상태가 될 수 있으며, 이는 극지 및 아극지 먹이 사슬의 기반이 되는 익족류 개체군을 직접적으로 위협할 것이라고 예측했습니다. 온대 및 냉수 지역 다이버들에게는 이는 재편된 먹이 사슬을 예고합니다. 즉, 원양 대형 동물을 유인하는 중간 수준 종이 줄어들 것입니다.
냉수 및 심해 산호
냉수 산호는 200m에서 2,000m 깊이에서 화려한 3차원 암초 구조를 형성하며, 심해 종의 불균형적인 다양성에 필수적인 서식지를 제공합니다. 냉수는 더 많은 CO₂를 함유하고 있기 때문에, 냉수 산호 서식지는 열대 산호 서식지보다 더 빠르게 산성화되고 있습니다. Orr 등 [2]은 북대서양의 많은 Lophelia pertusa 암초 깊이에서 아라고나이트를 부식시키는 물이 이미 존재하며, 21세기 중반까지 이러한 용해수가 냉수 산호 프레임워크가 현재 번성하는 깊이 구역으로 높아질 것이라고 보여주었습니다. Sweetman 등 [6]은 높은 배출 시나리오에서 전 세계 심층 냉수 산호 서식지의 최대 70%가 2100년까지 부식성 조건에 노출될 수 있다고 계산했습니다.
대기 중 CO₂가 500ppm으로 안정화되면 산호초는 한계점에 놓일 것이며, 600ppm에서는 대부분의 산호초 형성 산호에게 치명적인 조건이 될 것이다.— Hoegh-Guldberg et al., Science, 2007 [3]
IPCC AR6: 다이버들이 무시할 수 없는 예측
IPCC 제6차 평가 보고서 실무그룹 I(2021)은 18개 CMIP6 지구 시스템 모델의 예측을 종합했습니다 [5]. 중간 SSP2-4.5 시나리오에서 표층 해양 pH는 2100년까지 약 0.2 단위 감소하여 약 300만 년 전 플라이오세 시대에 마지막으로 관찰된 값에 도달할 것으로 예상됩니다. 고배출 SSP5-8.5 경로에서는 0.3-0.4 단위의 pH 감소가 예상됩니다. 이는 현대 산호초 형성 산호 진화 역사에 유례없는 해양 조건입니다. Kwiatkowski 등 [7]은 CMIP6 모델을 사용하여 SSP5-8.5 시나리오에서 열대 표층 pH가 7.95 이하로 떨어질 것이며, 이 수준에서는 대부분의 열대 산호초 시스템이 순 석회화를 중단할 것이라고 입증했습니다. 중요한 것은 이러한 예측은 해양 온난화와의 시너지 효과를 고려하지 않는다는 것입니다. 열적 백화 현상과 산성화는 동일한 유기체에 동시에 작용하며, 이들의 결합된 효과는 두 스트레스 요인 단독보다 더 파괴적입니다 [3].
산성화에 따른 생물학적 승자와 패자
- 패자 — 아라고나이트 건설자: Acropora, Porites, Orbicella 산호; 익족류; 성게; 이매패류 유충; 이석(귀돌) 교란이 있는 어린 물고기.
- 패자 — 방해석 건설자 (보통 수준으로 영향받음): 산호 조류, 부착성 태형동물 — 여전히 영향을 받지만 아라고나이트 건설자보다 강함.
- 명백한 승자 — 비석회화 생물: 일부 살이 많은 대형 조류 및 시아노박테리아는 산호 덮개가 감소함에 따라 확장될 수 있으며, 조류 지배 암초로의 상 변화를 가속화할 수 있습니다.
- 상황에 따라 다름: 일부 어종은 21세기 말에 예상되는 높은 CO₂ 농도에서 행동 교란(포식자 회피 감소, 후각 변화)을 보입니다.
다이버들이 관찰하는 것: 느린 움직임의 산호초 붕괴
해양 산성화는 대규모 백화 현상처럼 극적인 하룻밤의 광경을 연출하지 않습니다. 그 특징은 더 미묘하고 누적적입니다. 즉, 탄산염 골격이 보충되는 속도보다 더 빠르게 용해되면서 구조적 복잡성이 감소합니다. 한때 거대한 산호 봉오리가 서 있던 자갈밭, 산호 유생이 정착하지 못하거나 골격을 형성할 만큼 충분히 커지기 전에 정착 후 용해되는 채용 격차 등입니다. 수십 년 동안 같은 산호초에서 경험이 있는 다이버들은 이러한 변화를 생생하게 보고합니다. 즉, 산호초 상단부가 점진적으로 낮아지고, 한때 상어와 그루퍼를 보호했던 돌출 구조물이 사라지며, 맨 바닥 지역에 잔디 조류가 침범하는 현상입니다. Hughes 등 [8]은 지난 50년 동안 산호 덮개가 범열대적으로 약 50% 감소했다고 보고했으며, 산성화와 열적 백화 현상이 공동으로 작용한 결과입니다.
산성화 모니터링: 다이빙 커뮤니티를 위한 도구
글로벌 해양 산성화 관측 네트워크(GOA-ON)는 pH 및 pCO₂ 센서의 글로벌 배열을 유지하고 있습니다. NOAA의 해양 산성화 프로그램은 대중에게 공개된 연간 데이터를 게시합니다. CoralWatch 및 Reef Life Survey를 포함한 여러 시민 과학 프로그램은 다이버들이 원격 모니터링을 보완하는 백화 및 산호 덮개 데이터를 제공할 수 있도록 합니다. 다이버들은 다이빙 중 pH를 직접 측정할 수는 없지만, 산호 삼각지대 이니셔티브의 모니터링 프로토콜과 NOAA의 국립 산호초 모니터링 프로그램은 주요 다이빙 목적지의 감시 스테이션에서 탄산염 화학 측정을 포함합니다.
참고문헌
- [1] Feely, R.A., Sabine, C.L., Lee, K. et al. (2004). Impact of anthropogenic CO₂ on the CaCO₃ system in the oceans. Science. doi:10.1126/science.1097329
- [2] Orr, J.C., Fabry, V.J., Aumont, O. et al. (2005). Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying organisms. Nature. doi:10.1038/nature04095
- [3] Hoegh-Guldberg, O., Mumby, P.J., Hooten, A.J. et al. (2007). Coral reefs under rapid climate change and ocean acidification. Science. doi:10.1126/science.1152509
- [4] Ricke, K.L., Orr, J.C., Schneider, K., Caldeira, K. (2013). Risks to coral reefs from ocean carbonate chemistry changes in recent Earth system model projections. Environmental Research Letters. doi:10.1088/1748-9326/8/3/034003
- [5] IPCC (2021). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the IPCC. Cambridge University Press.
- [6] Sweetman, A.K., Thurber, A.R., Smith, C.R. et al. (2017). Major impacts of climate change on deep-sea benthic ecosystems. Elementa: Science of the Anthropocene. doi:10.1525/elementa.203
- [7] Kwiatkowski, L., Torres, O., Bopp, L. et al. (2020). Twenty-first century ocean warming, acidification, deoxygenation, and upper-ocean nutrient and primary production decline from CMIP6 model projections. Biogeosciences. doi:10.5194/bg-17-3439-2020
- [8] Hughes, T.P., Kerry, J.T., Álvarez-Noriega, M. et al. (2017). Global warming and recurrent mass bleaching of corals. Nature. doi:10.1038/nature21707