해양 폭염: 과학, 영향 및 다이빙 사이트에 미치는 영향

현상 정의: 홉데이 프레임워크

해양 폭염이란 무엇일까?

2016년 이전에는 해양 폭염에 대한 합의된 과학적 정의가 없었어. 다양한 연구자들이 서로 다른 측정 기준을 사용하여 현상을 정성적으로 설명했지. 홉데이 등(Hobday et al.) [1]은 엄격하고 임계값 기반의 정의를 제안하여 이 문제를 해결했는데, 이는 대기 폭염 정의와 유사해. MHW는 해수면 온도가 최소 5일 연속으로 기후 기준 90분위수를 초과하는 기간을 의미해 (표준 30년 기준 기간 동안 계산). 2일 미만으로 분리된 인접한 이벤트는 연속적인 것으로 간주돼. 이 정의는 기후학적 상대성을 띠고 있어. 즉, 특정 지역의 유기체가 역사적으로 경험했던 것과 비교하여 이상적인 따뜻함을 포착한다는 의미야. 아극지 북대서양에서 '뜨거운' 온도는 열대 지역에서는 평범할 수 있다는 점을 인정한 거지. 90분위수 임계값은 의도적인 것인데, 이는 계절 주기의 일상적인 변동을 걸러내면서 진정한 생태학적 중요성을 가진 현상을 포착하기 위함이야.

범주 I–IV: 강도 분류

홉데이 등(Hobday et al.) [2]은 2018년에 허리케인 등급을 모델로 한 4가지 범주의 강도 분류 시스템을 통해 원래 정의를 확장했고, 이는 대중과의 소통과 역사적 비교를 용이하게 해. 범주 I (보통) 이벤트는 90분위수 임계값을 초과하지만, 해당 임계값과 기후학적 평균 간의 차이의 두 배는 넘지 않아. 범주 II (강함) 이벤트는 이 이상 현상의 두 배이고, 범주 III (심각)은 세 배, 범주 IV (극심)은 네 배 이상이야. 서호주 해안을 덮친 2011년 닝갈루 MHW는 산호 대량 백화를 일으키고 샤크 베이 해초 목장의 22%를 죽였는데, 범주 III로 분류되었어. 2023년 북대서양 MHW의 일부는 범주 IV에 도달했는데, 이는 해당 해역에서는 전례 없는 분류였어.

주요 해양 폭염 현상

태평양 블롭 (2013~2015년)

블롭은 2013년 말 알래스카만에서 형성되었는데, 이상 고기압 차단으로 인해 바람에 의한 혼합과 표면 열 손실이 줄어들면서 태양 복사열이 두꺼워지고 따뜻한 혼합층에 축적되었어. 2014년 봄에는 알류샨 열도에서 바하 캘리포니아까지 온난화 이상 현상이 확산되었고, 이는 미국 본토보다 더 넓은 지역을 덮었어. 생태학적 결과는 연쇄적이었어. 신경독인 도모산(domoic acid)을 생성하는 슈도니츠키아(Pseudo-nitzschia) 규조류 번성은 캘리포니아에서 알래스카까지 확산되어 조개, 바닷새, 해양 포유류를 오염시켰어. 따뜻하고 생산성이 낮은 물과 질병이라는 이중 압력 속에서 태평양 정어리와 멸치 개체 수가 붕괴되었어. 수백 마리의 영양실조에 걸린 캘리포니아 바다사자 새끼들이 어미가 먹이를 찾지 못해 해변에 좌초되었어. 스트라우브 등(Straub et al.) [5]은 다양한 해조류의 치명적인 반응을 기록했는데, 수십 년 동안 자랐던 북동 태평양 일부 지역의 다시마가 국지적으로 멸종하기도 했어. 블롭은 이후 2015-16년 엘니뇨와 합쳐져 전 세계적으로 열 스트레스를 가중시켰지.

2023-24년 전 세계 해양 열 이상 현상

2023년 4월부터 전 세계 평균 해수면 온도는 거의 매일 위성 고도계 기록에서 벗어나 1982-2011년 평균보다 +0.9°C 높은 이상 수치를 기록했어. 이는 어느 한 해역에서라도 이례적인 수치였겠지만, 전 세계적으로 동시 발생했지. 이러한 이상 현상의 원인으로는 엘니뇨 발달, 2022년 훙가-통가 화산 폭발 이후 에어로졸 부하량 감소(일시적으로 표면 반사를 억제했음), 그리고 이미 대서양 해수면 온도 상승을 모델링했던 사하라 사막 먼지 감소 등이 있었어. 열대 산호초에 미치는 영향은 관측 기록에서 전례가 없었어. NOAA 산호초 감시 센터는 2024년 2월 네 번째 전 세계적인 백화 현상을 선언했고, 그레이트 배리어 리프(2016년 이후 다섯 번째), 카리브해, 홍해, 인도양, 태평양 전역에서 백화 현상이 기록되었어. 올리버 등(Oliver et al.) [3]은 MHW 발생 일수의 장기적인 증가 추세를 기록했는데, 2023년은 그 추세를 단일하고 가속화된 시연으로 압축한 해였어.

해양 폭염을 유발하는 메커니즘

MHW는 일반적으로 바람 혼합 감소(그렇지 않으면 더 차가운 심층수가 표면으로 올라올 것임), 구름 덮개 억제(표면에 도달하는 태양 복사열 증가), 그리고 차단 고기압 시스템과 같은 이상 대기 순환 패턴의 조합을 통해 발생해. 열대 지역에서는 MHW가 ENSO 단계, 마든-줄리안 진동, 그리고 지역 순환 이상 현상과 자주 연관되어 있어. 열대 외 지역에서는 제트 기류의 굴곡이 지속적인 고기압 차단을 형성하여 몇 주에서 몇 달 동안 따뜻한 표층 해양 조건을 유지할 수 있어. 해양-대기 피드백은 MHW를 강화할 수 있는데, 따뜻한 해수면 온도는 대기 대류와 증발 냉각을 억제하여 일단 형성된 이상 현상을 유지하는 데 도움을 줘.

기후 변화가 증폭제 역할을 하는 이유

프뢸리허 등(Frölicher et al.) [4]은 대규모 CMIP5 기후 모델 시뮬레이션을 사용하여 지구 온난화가 MHW 통계를 어떻게 변화시킬지 예측했어. 그들의 결과는 놀라워. 산업 혁명 이전 기준과 비교하여 RCP8.5 시나리오에서 2100년까지 전 세계 평균 MHW는 112일 동안 지속되고 2,100만 km²를 덮을 것이야. 2°C 온난화 시, MHW 발생 일수는 산업 혁명 이전 기준 대비 41배 증가할 거야. 올리버 등(Oliver et al.) [3]은 역사적 추세를 확인했어. MHW 빈도는 1925년과 2016년 사이에 약 54% 증가했으며, 평균 지속 기간은 17% 증가했어. 결정적으로, 해양이 따뜻해지고 있기 때문에 90분위수 임계값 자체도 상승하고 있지만, 관측된 해수면 온도는 훨씬 더 빠르게 상승하고 있어. 이는 임계값을 넘는 이벤트의 빈도가 비선형적으로 가속화된다는 것을 의미해.

다이버들에게 미치는 생태학적 결과

산호 백화 및 군락 고사

산호 백화는 높은 해수면 온도(일반적으로 여름 최고 기온보다 1~2°C 높고 몇 주 이상 지속될 때)가 산호와 세포 내 조류(Symbiodiniaceae) 간의 공생 관계를 파괴할 때 발생해. 백화된 산호는 조류를 배출하고 주요 에너지원을 잃으며, 열 이상 현상이 지속되면 죽게 돼. 휴즈 등(Hughes et al.) [6]은 2016년 그레이트 배리어 리프의 백화 현상이 북부 지역 얕은 산호의 약 50%를 죽였음을 기록했는데, 이는 산호초의 기록된 역사에서 전례 없는 대량 고사 현상이었어. 그들의 분석에 따르면, 산호는 이전 사건에서 회복이 완료되기 전에 노출되기 때문에 이제 1990년대보다 약 1°C 낮은 온도에서도 백화 현상이 발생하고 있어. MHW는 천천히 따뜻해지는 기저선 위에 급격한 열 스트레스를 가하여 대부분의 백화 현상을 촉발하는 직접적인 원인이 되고 있어.

다시마 숲과 해초 초원

다시마 숲은 지구상에서 가장 생산적이고 생물 다양성이 풍부한 생태계 중 하나이며, 온도에 극도로 민감해. 차가운 온대 다시마 숲의 대부분의 대형 조류 종은 18-22°C의 상한 온도 내성을 가지고 있으며, MHW 온도는 이 임계값을 몇 도 초과할 수 있어. 스트라우브 등(Straub et al.) [5]은 MHW에 대한 해초의 다양한 반응(저항에서 부분적 사망, 국지적 멸종까지)을 검토하고, 서호주(2011년), 남부 캘리포니아(2014-15년), 태즈메이니아(진행 중)에서 지역 다시마 숲이 붕괴된 사실을 기록했어. 산호초 물고기의 중요한 서식지를 제공하는 해초 초원은 2011년 닝갈루 MHW 동안 샤크 베이에서 대량 고사했으며, 사건 이전의 면적으로 회복되지 못했어. 이러한 기초 서식지의 손실은 먹이 사슬을 통해 온대 및 아열대 목적지로 다이버들을 끌어들이는 고래상어, 만타 가오리, 바다거북과 같은 대형 동물들에게 영향을 미치고 있어.

원양 생태계 교란

MHW는 상부 해양을 성층화시켜 영양분 용승을 억제하고 먹이 사슬의 기반인 식물 플랑크톤 생산성을 감소시켜. 동물 플랑크톤 생물량이 감소하면 작은 떼를 이루는 물고기의 먹이 가용성이 줄어들고, 이는 다시 더 큰 포식자의 먹이 감소로 이어져. 생산성이 높은 외해 다이빙 장소(갈라파고스, 아조레스, 코코스 섬, 몰디브 외곽 환초)의 다이버들에게 MHW 조건은 고래상어와 해양 만타 가오리에서부터 돌고래와 청어를 유인하는 베이트볼 물고기 떼에 이르기까지 모든 것의 풍부함이 감소한다는 신호가 돼. 원양 대형 동물들은 지속적인 MHW 동안 분포를 극지방 또는 더 깊고 차가운 물로 이동시켜, 기존 핫스팟에서의 다이빙 조우율을 직접적으로 감소시켜.

• 고래상어: 생산적인 용승 지대에 모이지만, MHW 동안 이 지역이 붕괴돼.
• 해양 만타 가오리: 동물 플랑크톤 떼를 따라 이동하지만, 생산성 감소는 공간 분포를 변화시켜.
• 개복치(mola mola): 심해 잠수 후 체온 조절을 위해 따뜻한 표층수로 올라오는데, MHW는 수직 이동 패턴을 방해해.
• 떼를 이루는 원양 물고기(참치, 전갱이, 잿방어): 얇은 산소 농도와 열적으로 견딜 수 있는 층으로 압축되어, 때로는 따뜻한 해수면 위로 장관을 이루는 떼를 만들지만, 이는 아래의 스트레스 받은 생태계를 나타내.

MHW 예측: 다이빙 여행 계획 도구

NOAA 산호초 감시 센터는 전 세계적으로 5km 해상도로 거의 실시간으로 강온주(DHW, Degree Heating Weeks) 제품을 발행하고 있어. DHW는 12주 동안의 누적 열 이상 현상을 통합한 거야. 1 DHW는 해수면 온도가 월별 최대 기후 한계치를 1°C 초과하여 지속된 1주일을 의미해. 백화 현상은 일반적으로 4 DHW에서 시작되며, 8 DHW 이상에서는 광범위한 사망이 예상돼. 호주 기상청 및 CSIRO는 호주 지역의 MHW 추적 제품을 발행하고 있어. NOAA 및 유럽 중기 예보 센터(ECMWF)의 계절별 해수면 온도 전망은 정상보다 높은 해수면 온도에 대한 1~6개월 확률 예측을 제공하여 여행 계획에 미리 경고를 줄 수 있어.

전망: 앞으로 더 뜨거워질 바다

그 궤적은 명확해. 올리버 등(Oliver et al.) [3]은 1.5°C의 온난화(파리협정의 목표)가 달성된다면 MHW 빈도가 산업 혁명 이전보다 약 5배 높아질 것이며, 2°C에서는 41배, 3.5°C에서는 90배 높아질 것이라고 보여줬어. 실질적으로 이는 고탄소 배출 시나리오에서 이번 세기 후반에는 대부분의 열대 산호초 지역의 해수면이 'MHW' 조건에서 대부분의 시간을 보낼 것이라는 의미야. 그 시점에서는 홉데이(Hobday) [1]의 임계값 기반 정의가 역설적이게 될 거야. 즉, 해양 폭염 자체가 기준이 되는 상황에서 어떤 이벤트가 이상적으로 따뜻하다고 할 수 없게 돼. 프뢸리허 등(Frölicher et al.) [4]은 이를 '영구적인 해양 폭염' 상태라고 불렀어.

2100년까지 고탄소 배출 시나리오에서, 전 세계 해양은 20세기 후반 기준 대비 영구적인 해양 폭염 상태가 될 거야. 오늘날 우리가 극심하다고 부르는 것이 표준이 되는 거지.

— Frölicher, Fischer & Gruber, Nature, 2018 [4]