해양 저층수 생성 과정과 열염 순환(THC)의 구조적 메커니즘

1. 열염 순환의 기본 개념과 밀도 구동 흐름의 형성

열염 순환(thermohaline circulation, THC)은 해수의 밀도 차이에 의해 구동되는 대규모 3차원 순환체계로, 지구 기후 시스템의 열·탄소·영양염 재분배에 핵심적 역할을 한다. 해수의 밀도는 온도(thermo-)와 염분(haline)의 함수로 결정되며, 차가운 고염도의 물일수록 밀도가 크다. 고위도 해역에서 차갑고 짠 해수가 표층에서 침강하면 심층으로 향하는 강력한 밀도구동 흐름이 형성된다. 이러한 침강은 단순한 수직 운동이 아니라 심층으로 이어지는 전지구적 “컨베이어 벨트”를 형성하며, 이 흐름은 남극–대서양–인도양–태평양을 연결하는 거대한 환류를 통해 지구 전체의 열을 조절한다. 열염 순환은 표층에서 바람에 의해 구동되는 순환과 달리, 수천 년 규모의 시간 스케일을 가지며 장기적 기후 변동과 안정성을 좌우한다. 특히 북대서양 심층수(North Atlantic Deep Water, NADW)와 남극 저층수(Antarctic Bottom Water, AABW)는 전지구 심층 순환을 유지하는 데 핵심적인 두 가지 밀도구동 수괴로, 이들의 형성 강도 변화는 기후의 급격한 전환을 초래할 잠재력을 지닌다. 따라서 열염 순환은 단순한 해류의 한 종류가 아니라, 지구 시스템 전체를 지배하는 대규모 열·물질 운반 엔진이다.

■ 2. 북대서양 심층수(NADW) 생성 과정과 침강 메커니즘

NADW는 열염 순환의 상부 구간을 구성하는 핵심 수괴로, 북대서양 고위도(그린란드–아이슬란드–노르웨이해, 이른바 GIN Sea)에서 형성된다. 겨울철 강력한 냉각과 대기–해양 열교환은 표층 해수를 빠르게 냉각시키며, 해빙 형성 시 염분이 농축되는 브라인 배출(brine rejection)이 이루어져 표층수의 밀도가 급격히 증가한다. 이 고밀도 해수는 대규모 침강을 일으키며, 침강한 물은 약 1500~3000 m 깊이의 북대서양 심층수로 전환된다. NADW는 상대적으로 따뜻하고 염분이 높아, 남반구에서 생성되는 AABW보다 약간 가볍지만, 전지구 심층 흐름의 상류 역할을 한다. NADW가 남쪽으로 흐르면서 대서양을 관통해 남극 해역으로 이동하면, AABW와 혼합되거나 구조적 층화 패턴을 형성해 열염 순환의 ‘중간층–심층–저층’ 조합을 강화한다. NADW 형성 강도는 편서풍·해류 경로·해빙 형성률·대서양 다중연대 진동(AMO)과 밀접하게 연결되어 있다. 최근 연구에서는 북극 해빙 감소·그린란드 담수 유입 증가가 NADW의 침강 효율을 약화시키고 있으며, 이는 장기적으로 AMOC(Atlantic Meridional Overturning Circulation) 감속을 초래할 수 있다는 경고가 제기되고 있다. NADW 형성은 전지구 열운반의 약 25%를 담당하며, 이 경로가 약화하면 북대서양·유럽 지역의 기후 냉각 및 강수 재배치를 유발할 가능성이 있다.

■ 3. 남극 저층수(AABW)의 생성과 전지구 저층 흐름의 구성

AABW는 지구에서 가장 차갑고 밀도가 높은 수괴로, 심해저층을 채우는 핵심 수괴이다. 생성은 남극 연안 대륙사면에서 집중적으로 이루어지는데, 해빙 형성 과정에서 발생하는 고염도의 차가운 물이 급격히 가라앉으면서 시작된다. 특히 로스해(Ross Sea)와 웨델해(Weddell Sea)는 AABW 생산의 중심지로, 극한 저온(–1.9°C 근접)과 높은 염분, 강한 바람과 냉각이 결합해 최대 밀도의 해수가 만들어진다. AABW는 생성 후 남극 인근의 심해 분지에 쌓였다가, 대륙사면을 따라 북쪽으로 천천히 확장되며 전 세계 심해바닥(4000 m 이하)을 채운다. 이 흐름은 태평양–대서양–인도양 저층을 모두 관통하며 심해의 산소 공급, 탄소 저장, 영양염 재분배에 핵심적이다. AABW는 매우 무겁기 때문에 다른 수괴를 밀어내며 저층을 채워나가며, 밀도 경계층을 따라 장거리 이동할 수 있다. 최근 관측에서는 서남극 주변의 빙저호 배출, 빙붕 붕괴로 인한 담수 유입 증가가 AABW의 염분·밀도 감소를 유도하여 생산량 약화 신호가 나타나고 있다. 이는 전지구 저층 환기의 감속 및 산소 공급 감소로 이어져 장기적인 해양 탈산소화 위험을 높일 수 있는 잠재적 요소다.

■ 4. 열염 순환의 장기 변화와 기후 시스템에 대한 영향

열염 순환은 지구 기후 변동의 핵심 조절자로, 장기적 불안정성이 기후 급변 사건의 원인으로 종종 지목된다. 빙하기–간빙기 변동에서 AMOC 강도 변화는 북반구의 온도·강수 패턴을 재배치하고, 해수면 온도 교환을 통해 대기 순환을 변화시켰다. 예를 들어, 과거 Heinrich 이벤트나 Dansgaard–Oeschger 주기에는 담수 유입 증가가 NADW 몰락을 유발했고, 이는 북대서양 온도 급락과 남반구 온난화의 양극적 패턴을 형성했다. 오늘날에도 그린란드 빙하 융해가 가속되면서 대서양 표층 염분 감소가 관측되고 있으며, 이는 향후 수십~수백 년 내 AMOC 감속 또는 재조정 가능성을 시사한다. 열염 순환이 약화되면 북반구 온도 하강, 해양 탄소 저장 감소, 열대 우모선(ITCZ) 이동, 몬순 변화 등 복합적인 기후 재편이 발생할 수 있다. 반대로 AABW 생산 감소는 저층 산소 공급 약화·심해 탄소 저장 변화·해양 탈산소화 확대를 야기한다. 최신 기후모델과 해양관측 자료는 열염 순환의 민감도가 과거 생각보다 더 높으며, 담수 플럭스 변화·해빙 감소·성층 강화 등 현대 기후 변화 요인에 의해 구조적 변화를 겪고 있음을 보여준다. 향후 연구는 고해상도 순환모델·동위원소 추적기법·자율해양플랫폼을 결합해 열염 순환의 미래 변화를 정밀하게 예측하려는 방향으로 확장될 전망이다.