용존산소(DO) 포화도 변화와 해역별 특징: 해양 산소역학의 구조와 최신 해석

ㅎ■ 1. 해수 내 용존산소 포화도의 물리·화학적 의미

용존산소(Dissolved Oxygen, DO) 포화도는 해수 속에 녹아 있는 산소의 실제 농도를 해당 수온과 염분 조건에서 용해될 수 있는 최대 농도와 비교해 상대적 비율로 나타낸 값이다. DO 포화도는 해양 생태계의 호흡·광합성·화학적 산화반응에 직결되는 핵심 요소이며, 물리·화학·생물학적 요인이 복합적으로 작용해 시공간적으로 크게 변한다. 산소의 용해도는 수온이 낮을수록 높고 염분이 낮을수록 증가한다. 즉 고위도의 차가운 표층수는 산소 용해도가 높아 포화도가 증가하는 경향을 보이며, 반대로 열대 및 아열대의 고수온 해역은 용해도가 낮아 동일한 산소 농도에서도 포화도가 더 낮게 계산된다. 또한 대기-해양 간 산소 교환은 표면 난류, 파도, 풍속에 의해 조절되며, 생물학적 산소 생성(광합성)과 소비(호흡·분해)에 따라 포화도는 실시간으로 변한다. 이러한 DO 포화도는 단순한 산소 농도 지표가 아니라 ‘물리적 환기’, ‘생물학적 산소 펌프’, ‘수온 기반 용해도 함수’가 결합된 통합 매개변수이며, 해양 환기 상태와 생태계 건강성을 판단하는 중요한 생지구화학적 지표다.

■ 2. 수심·수괴 구조에 따른 DO 분포의 층상 패턴

용존산소의 세로 분포(vertical profile)는 대부분의 해역에서 특유의 층상 구조를 보인다. 표층 혼합층은 대기와의 교환이 활발해 포화도 90~110% 범위의 높은 값을 유지하는 경우가 많다. 그러나 수심이 증가함에 따라 광합성이 줄어들고 유기물 분해에 의해 산소 소비가 증가해 DO가 감소하는 경향을 보인다. 특히 전 세계 중층(약 300~1200 m)에는 산소최소층(OMZ: Oxygen Minimum Zone)이 형성되는 해역이 많다. 이는 유기물의 미생물 분해가 활발하나 환기가 거의 이루어지지 않는 수심대에서 발생하며, DO 농도는 때때로 수 μmol/kg 이하까지 감소한다. OMZ는 아열대 및 동태평양, 북인도양 등에 대표적으로 존재하며, 수괴 이동·성층·해양 내부파에 의해 그 두께와 강도가 변동한다. 더 깊은 심층수(>2000 m)로 내려가면 오히려 DO가 약간 증가하는데, 이는 남극에서 형성되는 AABW(남극저층수)와 북대서양에서 형성되는 NADW(북대서양심층수)가 대륙붕에서 고농도의 산소로 포화된 상태로 침강해 심해로 확장되기 때문이다. 이 구조는 해역별 환기 효율, 내부 혼합, 물질 재분배의 강도를 반영하며 전지구 해양 산소분포의 기초적 형태를 형성한다.

■ 3. 지역별 DO 포화도의 변동성과 해양 환기 패턴

DO 포화도는 지역별로 매우 이질적인 양상을 보인다. 고위도 북대서양과 남극 대륙 주변은 차가운 수온과 활발한 대기-해양 교환, 그리고 심층수 형성 과정이 결합되어 세계에서 가장 높은 DO 포화도를 유지하는 해역이다. 특히 북대서양 침강 지역은 해수의 환기(Ventilation)가 지속되어 심층 DO 농도가 높아지는 특징을 갖는다. 반면 열대·아열대 해역은 고수온·강한 성층·제한된 혼합 때문에 DO 포화도가 상대적으로 낮다. 동태평양 적도 해역은 강한 용승으로 인해 심층의 저산소수가 표층으로 올라와 포화도가 낮아지고 대기와의 산소 교환을 통해 빠르게 변동한다. 인도양 북부(아라비아해·벵골만)는 유기물 부하량이 많아 미생물 호흡이 강하며, 수심 수백 미터에서 광범위한 OMZ가 형성된다. 지역별 환기 패턴도 중요한데, 남빙양에서는 서풍대에 의해 표층수가 지속적으로 혼합·발산되며 대규모 환기창(window for ventilation)을 제공해 심층수가 대기로 교환되는 주요 경로로 작용한다. 이러한 지역적 특징은 해역 고유의 기후·계절·해류 구조와 결합하여 DO 포화도의 시공간적 변동을 만들어낸다.

■ 4. DO 장기 감소(Ocean Deoxygenation)의 원인과 미래 전망

최근 수십 년 동안 다수의 관측 자료는 전 세계 해양에서 DO가 점진적으로 감소하는 장기 경향이 나타나고 있음을 보고하고 있으며, 이를 ‘해양 탈산소화(Ocean Deoxygenation)’라 부른다. 그 원인은 크게 두 가지로 구분된다. 첫째, 기후 변화로 표층 수온이 상승하면 산소 용해도가 감소하고, 성층이 강화되어 표층과 심층 간 혼합이 약화된다. 이는 산소가 심층으로 전달되는 효율을 떨어뜨려 중층 저산소대의 확장으로 이어진다. 둘째, 표층 생산성 증가 또는 육상 유입물 증가로 인해 유기물 유입량이 증가하면 미생물 호흡이 강화되어 산소 소비가 늘어난다. 이러한 탈산소화는 생태계에 중대한 영향을 미치며, 저산소 상태는 어류·갑각류·연체류의 회피 행동, 성장 저하, 번식 실패를 유발해 해역별 어장 생산성을 변화시킨다. 또한 저산소 환경은 질산염 환원·탈질과 같은 미생물 대사를 촉진해 질소순환 구조를 변화시키며, N₂O 등의 온실가스 생산을 증가시킬 수 있다. 미래 전망에서 CMIP6 기반 모델들은 21세기 동안 OMZ의 확장, 고위도 DO 감소, 난류 혼합 변화 등이 지속될 것으로 예측하며, 이는 기후 시스템 피드백과 해양 탄소순환 안정성에도 중대한 영향을 미칠 것으로 평가된다.