Lifecycle-dependent roles of mesoscale heat transport in marine heatwaves and cold-spells in the East Sea (Japan Sea)

바다는 정적인 물통이 아니라, 열이 끊임없이 이동하며 미세한 플랑크톤부터 거대한 고래에 이르기까지 모든 생명체의 삶을 형성하는 요동치는 살아있는 시스템입니다. 물이 비정상적으로 뜨거운 상태가 오랫동안 지속되는 것을 해양 열파(marine heatwave)라고 하며, 비정상적으로 차가워지는 것을 해양 한파(marine cold spell)라고 합니다. 이러한 현상은 단순히 일시적인 날씨의 변덕이 아닙니다. 이것들은 어업을 황폐화하고, 산호초를 파괴하며, 전체 생태계가 이동하거나 사멸하도록 강요할 수 있습니다. 수년 동안 과학자들은 해수면이 종종 이야기의 일부만을 말해준다는 사실을 알고 있었습니다. 방 안의 공기는 따뜻하게 느껴질 수 있지만 바닥은 차갑게 유지될 수 있는 것처럼, 바다의 표층은 불과 몇 미터 아래에서 일어나고 있는 일과 일치하지 않는 극단적인 온도를 경험할 수 있습니다. 이러한 현상이 왜 시작되고, 얼마나 오래 지속되며, 왜 끝나는지를 진정으로 이해하기 위해서 연구자들은 단순히 표면 온도가 오르내리는 것을 관찰하는 것을 넘어, 해류와 소용돌이를 통해 열이 어떻게 흐르는지 전체 상층부를 추적해야 합니다.

경북대학교의 연구팀은 이 신비로운 문제에 깊이 파고들어 동해(일본해로도 알려짐)에 집중했습니다. 이 해역은 한국, 일본, 러시아로 둘러싸인 역동적인 반폐쇄형 해역으로, 강한 해류와 급격한 온도 경계로 유명합니다. 과학자들은 이 지역에서 해양 열파와 한파를 일으키는 물리적 힘이 무엇인지라는 구체적인 퍼즐을 풀고자 했습니다. 일부 글로벌 연구에서는 작고 소용돌이치는 해수 덩어리인 에디(eddy, 소용돌이)가 이러한 극단적인 현상의 주요 동력이라고 제안했지만, 연구진은 동해와 같이 더 작고 제한된 바다에서는 이야기가 더 복잡할 수 있다고 의심했습니다. 그들은 1993년부터 2022년까지 30년 동안 물속으로 들어오거나 나간 모든 열량을 추적함으로써, 해양 상층 50미터에 대한 상세한 '열 수지(heat budget)'를 구축하고자 했습니다. 해류와 온도를 시뮬레이션하는 고급 컴퓨터 모델을 바람과 햇빛에 대한 실제 데이터와 결합함으로써, 그들은 대규모의 안정적인 해류에 의해 발생하는 열 변화와 더 작고 무질서한 소용돌이에 의해 발생하는 열 변화를 분리해 낼 수 있었습니다.

연구진은 먼저 수천 개의 개별적인 열파와 한파를 식별하였는데, 각 현상을 지도 위의 단순한 뜨겁거나 차가운 픽셀 집합이 아니라 시공간 속에서 움직이는 고유한 객체로 취급했습니다. 그들은 시작 단계에서 중요한 놀라움을 발견했습니다. 해수면에서 감지된 사건들은 해저 아래에서 일어나는 사건들과 부분적으로만 일치했습니다. 표면에 나타난 열파와 한파 중 약 절반은 하층부에서 그에 상응하는 극단적인 사건이 나타나지 않았고, 그 반대의 경우도 마찬가지였습니다. 이는 위성 이미지로 해수면만을 관찰하는 것이 해양의 진정한 열적 상태에 대한 불완전한 그림을 제공한다는 것을 의미합니다. 전체 이야기를 파악하기 위해 연구팀은 50미터 층 전체를 분석하여 해류에 의해 열이 얼마나 이동하고 있는지 계산해야 했습니다.

이러한 극단적인 사건들이 어떻게 성장하는지 살펴보았을 때, 결과는 동해가 단 하나의 단순한 규칙을 따르지 않는다는 것을 보여주었습니다. 해양 열파의 경우, 온난화는 안정적인 대규모 해류와 더 작은 소용돌이(eddy)라는 두 가지 힘의 조합에 의해 주도되었습니다. 두 힘 모두 물을 데우는 데 중요한 역할을 했습니다. 그러나 해양 한파의 경우 이야기는 달랐습니다. 냉각은 거의 전적으로 대규모의 안정적인 해류에 의해 지배되었으며, 작은 소용돌이는 훨씬 적은 역할을 했습니다. 이는 열파를 시작하는 메커니즘이 한파를 시작하는 메커니즘의 단순한 거울 이미지가 아님을 시사합니다. 위치 또한 엄청나게 중요했습니다. 어떤 지역에서는 소용돌이가 물을 데우는 데 도움을 주었지만, 인근의 다른 지역에서는 오히려 온난화에 반하여 물을 차갑게 만들기도 했습니다. 이러한 지역적 복잡성은 이 특정 해역을 위한 단일한 글로벌 설명이 작동하지 않을 것임을 보여주었습니다.

하지만 가장 놀라운 발견은 연구진이 이러한 사건들이 정점에 도달한 후에 어떤 일이 일어나는지 살펴보았을 때 나왔습니다. 물이 극도로 뜨겁든 극도로 차갑든, 혹은 바다의 어느 부분에서 발생했든 상관없이, 작은 소용돌이들은 일관되게 이 사건들을 끝내는 '브레이크' 역할을 했습니다. 열파나 한파가 최대 강도에 도달하면, 해양의 소용돌이치는 움직임은 열을 밀어내는 방식으로 작동하여 물을 빠르게 정상 상태로 되돌리기 시작했습니다. 실제로 이 소용돌이에 의해 이동하는 열은 종종 사건을 종료하는 데 필요한 온도 변화의 100퍼센트 이상을 설명할 수 있을 만큼 강력했는데, 이는 수직 혼합이나 대기로의 열 손실과 같은 다른 과정들이 이 냉각 또는 가열 효과에 저항하며 작동하고 있었음을 의미합니다. 이 패턴은 매우 일관적이었습니다. 소용돌이는 반드시 극단적인 사건을 시작하는 것은 아니었지만, 온도 편차를 완화하고 해양의 균형을 회복시키는 신뢰할 수 있는 힘이었습니다.

연구는 또한 해양의 서로 다른 층과 서로 다른 크기의 소용돌이가 이러한 결과에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 연구진이 분석 깊이를 50미터에서 30미터로 변경하거나 추적하는 소용돌이의 크기를 조정하더라도 주요 발견은 동일하게 유지되었습니다. 소용돌이치는 움직임은 사건을 끝내는 지배적인 힘이었던 반면, 사건을 시작하는 힘은 위치와 온도의 상승 또는 하강 여부에 따라 달라지는 더 복잡한 혼합물이었다는 점입니다. 사건의 시작과 끝 사이의 이러한 구분은 해양에 대한 우리의 이해를 정교하게 만드는 중요한 진전입니다. 이는 대규모 기후 패턴과 안정적인 해류가 극단적인 사건의 무대를 설정할 수는 있지만, 결국 시스템을 다시 평형 상태로 되돌리는 것은 해양 자체의 무질서하고 소용돌이치는 본성이라는 점을 시사합니다.

이 연구는 해양이 극단적인 온도를 어떻게 처리하는지에 대해 더 명확하고 미묘한 관점을 제공합니다. 이는 소용돌이와 같은 단 하나의 힘이 모든 것을 책임진다는 아이디어를 넘어섭니다. 대신, 이 연구는 서로 다른 힘이 서로 다른 시기에 주도권을 잡는 역동적인 시스템을 드러냅니다. 대규모의 안정적인 해류는 종종 한파의 설계자 역할을 하며, 해류와 소용돌이의 파트너십은 열파를 만들어냅니다. 하지만 드라마를 끝낼 시간이 되면, 소용돌이는 보편적인 리셋 버튼으로서 쉼 없이 작동하여 극단적인 상태를 지우고 바다를 정상 상태로 되돌립니다. 이러한 뚜렷한 역할을 이해함으로써, 과학자들은 이러한 사건들이 미래에 어떻게 변화할지, 그리고 안정적인 열 환경에 의존하는 해양 생물에 어떤 영향을 미칠지를 더 잘 예측할 수 있습니다. 이러한 소용돌이를 통해 스스로 교정하는 해양의 능력은 동해가 극단적인 온도의 상태에 너무 오래 머물지 않도록 유지하는 숨겨진 메커니즘이자, 그 회복력의 근본적인 부분입니다.