해수의 성질과 분포

본문

본문

여름 바다에 들어가면 수면 근처는 따뜻한데, 조금만 잠수해도 갑자기 차가운 물이 다리에 닿는다. 깊은 바다로 내려가면 적도 아래에서도 수온이 4 °C 안팎이다. 햇빛이 데운 열은 왜 바다 깊이 퍼지지 못할까? 그리고 바닷물의 짠 정도는 바다마다 얼마나 다를까?

표층 수온 (°C) 바람 세기

그림 1. 해수는 수온 분포에 따라 혼합층, 수온 약층, 심해층으로 나뉜다. 바람이 셀수록 혼합층이 두꺼워지고, 표층 수온이 높을수록 수온 약층에서 수온이 더 급하게 떨어진다(대략적인 모형).

먼저 알아야 할 것밀도와 뜨고 가라앉음(중학교), 증발과 강수, 질량 백분율.

1.1.1해수의 연직 수온 분포

태양 에너지는 대부분 바다 표면 몇십 m 안에서 흡수된다. 그래서 표층의 물이 데워지는데, 따뜻한 물은 밀도가 작아 위에 머무르고 아래로 잘 섞이지 않는다. 다만 바람이 불면 파도가 표층을 휘저어 일정한 깊이까지는 수온이 고르게 된다. 이 층을 혼합층이라 한다.

정리 1.1.1 해수의 층상 구조

혼합층은 바람의 혼합으로 수온이 깊이에 따라 거의 일정한 층이다. 수온 약층은 깊이에 따라 수온이 급격히 낮아지는 층으로, 위아래 물의 섞임을 막는 덮개 구실을 한다. 심해층은 수온이 낮고 거의 일정한 층으로, 위도와 계절에 따른 차이가 거의 없다.

그림 1에서 표층 수온과 바람 세기를 바꾸어 보자. 바람이 세면 혼합층이 깊어지고, 표층이 따뜻할수록 수온 약층의 위아래 온도 차가 커진다. 수온 약층은 아래가 무겁고 위가 가벼운 안정한 층이므로, 물이 위아래로 잘 섞이지 않는다. 그래서 표층의 열과 산소가 깊은 곳까지 내려가기 어렵다. 고위도 바다는 표층이 차가워 수온 약층이 거의 없고 위아래가 잘 섞인다. 중위도에서는 여름에 수온 약층이 뚜렷하다가 겨울에 약해진다.¹

1.1.2염분

해수 1 kg에 녹아 있는 염류의 총량을 g 수로 나타낸 것을 염분이라 하며, 단위는 psu(실용 염분 단위)를 쓴다. 전 세계 바다의 평균 염분은 약 35 psu이다. 염분은 증발량이 강수량보다 많은 곳에서 높고, 강물이 흘러드는 곳이나 비가 많은 곳, 빙하가 녹는 곳에서 낮다. 그래서 중위도 아열대 바다는 염분이 높고, 비가 많은 적도와 극 근처는 상대적으로 낮다.

염분은 곳마다 다르지만 녹아 있는 염류들 사이의 비율은 어디서나 거의 일정하다. 이를 염분비 일정 법칙이라 한다. 바닷물이 오랜 시간 해류로 섞여 왔기 때문에, 물의 양만 달라질 뿐 녹은 성분의 구성은 같다.

그림 2. 해수에 녹은 염류는 염화 나트륨이 가장 많고, 그 비율은 바다마다 거의 같다.

1.1.3예제 풀이

예제 1.1.2

염분이 35 psu인 해수 2 kg에 녹은 염류의 질량을 구하여라. 이 해수의 일부를 증발시켜 1.4 kg이 되었다면 염분은 얼마인가? 그리고 이 해수에 녹은 염화 나트륨의 질량은 약 몇 g인가?

35 psu는 해수 1 kg에 염류 35 g이 녹아 있다는 뜻이므로, 2 kg에는 \(35 \times 2 = 70\) g이 녹아 있다.

증발로 물만 빠져나가고 염류 70 g은 그대로이므로 염분은 \(\dfrac{70}{1.4} = 50\) psu가 된다. 염분비가 일정하므로 염화 나트륨은 여전히 염류의 약 78%, 곧 \(70 \times 0.78 \approx 55\) g이다. 증발이 심한 홍해나 사해의 염분이 높은 까닭이 이것이다.

수온과 염분은 해수의 밀도를 정하고, 밀도는 다음 절에서 볼 심층 순환을 일으킨다. 아래 탐구 카드에서 수온 약층, 염분비, 용존 산소, 실제 관측 자료를 직접 다루어 보자.

수온 약층 아래는 표층과 섞이지 않아 산소가 공급되기 어렵다. 그래서 수심 수백 m 근처에는 용존 산소가 가장 적은 층이 나타나기도 한다.

마무리

해수는 바람이 섞는 혼합층, 수온이 급히 낮아지는 수온 약층, 차갑고 일정한 심해층으로 나뉘며, 수온 약층이 위아래의 섞임을 막는다. 염분은 증발과 강수에 따라 달라지지만 염류의 비율은 일정하다. 그래서 처음 질문의 따뜻한 물은 밀도가 작아 표층에 머물고, 수온 약층이 덮개가 되어 열이 깊이 퍼지지 못한다.

탐구 1

따뜻한 물은 왜 바다 위쪽에만 있을까?

수온의 연직 분포 · 모식 모형

지금 조건 저위도 연평균 (비교용)

위도 = 10°

계절 = 연평균

바람 = 6 m/s

표층 수온: —
혼합층 두께: —
표층 − 1000 m 수온 차: —

질문한여름 바다에 뛰어들면 물이 따뜻하다. 그런데 수백 m만 내려가도 물은 10 °C 아래로 차갑다. 태양이 데운 열은 왜 깊이 내려가지 못할까?
복원따뜻한 물은 차가운 물보다 밀도가 작아 위에 뜬다. 그래서 가벼운 물이 위, 무거운 물이 아래에 있으면 그대로 안정하고 스스로 뒤섞이지 않는다.
설명햇빛은 대부분 표면 가까이에서 흡수되고, 바람이 물결을 일으켜 그 열을 수십 m 깊이까지 고르게 섞으면 혼합층이 된다. 그 아래에는 깊이에 따라 수온이 빠르게 떨어지는 수온 약층이, 더 아래에는 1년 내내 차갑고 거의 변하지 않는 심해층이 있다.
연결수온 약층은 위아래 물이 섞이지 못하게 막는 칸막이이다. 그래서 표층의 산소는 깊이 내려가기 어렵고, 깊은 곳의 영양 염류도 표층으로 잘 올라오지 못한다.
적용‘저위도’와 ‘고위도’를 번갈아 눌러 수온 약층이 어디서 뚜렷하고 어디서 사라지는지 보자. 이어서 바람을 세게 하면 혼합층 두께가 어떻게 변하는지도 확인해 보자.
판단이 그림은 층의 구조를 보이려는 모식 모형이라 실제 바다의 값과 똑같지 않다. 또 심해층이 차가운 까닭은 햇빛이 닿지 않아서만이 아니라, 고위도에서 식어 가라앉은 물이 바닥을 채우기 때문이기도 하다. 이 이야기는 다음 절(심층 순환)에서 이어진다.

확인조건이 달라지면

중위도의 같은 바다에서 여름과 겨울을 비교했다. 겨울에 나타나는 특징으로 가장 알맞은 것은?

탐구 2

짠 바다와 싱거운 바다, 성분 비율도 다를까?

염분 · 염분비 일정 법칙

염분 35 psu인 해수 1 kg(물 965 g + 염류 35 g)에서 시작합니다.

증발한 물 = 0 g

더해진 빗물·강물 = 0 g

언 물(해빙) = 0 g

염분: —
염화 이온 (g/kg): —
염류 중 염화 이온 비율: —

질문홍해의 바닷물은 대양보다 짜고, 발트해의 바닷물은 훨씬 싱겁다. 그렇다면 짠 바다에는 소금이, 싱거운 바다에는 다른 성분이 더 많이 들어 있을까?
복원염분은 해수 1 kg에 녹아 있는 염류의 질량(g)이다. 단위는 psu나 ‰를 쓰고, 대양의 평균 염분은 약 35 psu이다.
설명증발은 물만 빼 가고 염류는 남기며, 비나 강물은 물만 더한다. 바다가 얼 때도 얼음은 염류를 대부분 밀어내고 물 위주로 얼어서 남은 바닷물이 짜진다. 그래서 세 경우 모두 물의 양이 바뀔 뿐, 녹아 있는 염류끼리의 비율은 그대로이다.
연결그래서 표층 염분은 증발량 − 강수량이 큰 곳(위도 20~30° 부근의 아열대 바다)에서 높고, 비가 많은 적도나 강물이 흘러드는 연안, 빙하가 녹는 고위도에서 낮다.
적용여러 버튼을 눌러 왼쪽 막대(g/kg)의 길이는 변하는데 오른쪽 막대(%)의 칸 비율도 변하는지 보자. 비율이 그대로인 것이 염분비 일정 법칙이고, 덕분에 한 성분만 재도 염분 ≈ 염화 이온 ÷ 0.55로 전체 염분을 알 수 있다.
판단염분비가 일정한 것은 바닷물이 오랜 세월 해류로 충분히 섞였고, 주요 이온은 생물이나 화학 반응으로 거의 빠지지 않기 때문이다. 그러나 규산염, 질산염처럼 생물이 쓰는 미량 성분이나 강 하구 바로 앞의 물에서는 비율이 조금 달라진다. 또 해빙도 실제로는 염류를 조금 품지만 여기서는 0으로 두었다.

확인조건이 달라지면

어느 바다에서 해수 1 kg을 분석했더니 염화 이온이 16.5 g 들어 있었다. 이 해수의 염분은 약 얼마일까? (염류 중 염화 이온의 비율은 약 55 %)

읽기 3

바닷물에 녹은 산소는 어느 깊이에 가장 적을까?

읽기 · 용존 산소량의 연직 분포

물고기는 물에 녹아 있는 산소로 숨을 쉰다. 바다 표면은 공기와 맞닿아 있으니 산소가 많을 것이다. 그렇다면 깊이 내려갈수록 산소는 계속 줄어들기만 할까?

1산소를 넣는 곳과 쓰는 곳

물 1 L에 녹아 있는 산소의 양을 용존 산소량이라고 한다. 바닷물에 산소가 들어오는 길은 표면에서 대기의 산소가 녹아 들어오는 것과, 햇빛이 드는 얕은 곳에서 식물성 플랑크톤이 광합성으로 산소를 내놓는 것 두 가지이다. 반대로 산소는 생물의 호흡과, 가라앉는 사체와 배설물을 세균이 분해하는 과정에서 쓰인다.

기체는 차가운 물에 더 많이 녹는다. 염분이 35 psu인 바닷물이 산소로 포화되었을 때 0 °C에서는 약 11 mg/L, 25 °C에서는 약 7 mg/L가 녹으므로, 같은 표층이라도 고위도의 찬 바다가 저위도의 따뜻한 바다보다 산소가 많다.

2깊이에 따른 분포

수온(붉은 선)은 수온 약층에서 급하게 떨어진 뒤 깊은 곳에서는 거의 일정하다. 반면 용존 산소량(파란 선)은 표층에서 많다가 수백~1000 m 깊이에서 가장 적고, 더 깊은 곳에서 다시 늘어난다.

표층(혼합층)은 대기와 맞닿아 있고 광합성이 일어나 산소가 많으며, 파도와 바람이 물을 섞어 깊이에 따라 거의 일정하다. 그 아래 약 500~1000 m의 산소 최소층은 햇빛이 닿지 않아 광합성이 없고 공기와도 떨어져 있는데, 위에서 가라앉는 유기물이 이 깊이에서 가장 많이 분해되면서 산소를 써 버린다.

그런데 심층에서는 다시 산소가 늘어난다. 심층의 물은 극지방 바다의 표면에서 차갑게 식어 산소를 가득 품은 채 가라앉은 물이고, 깊은 곳에는 생물도 적어 산소를 천천히 쓰기 때문이다. 또 가라앉은 뒤 오래 흐른 물일수록 산소가 줄어 있어서, 산소량은 심층수의 ‘나이’를 가늠하는 단서도 된다.

3실측 자료로 확인하기

이 모양은 실제 관측으로 확인된 것이다. 우리나라 국립수산과학원은 1961년부터 정해진 해상 관측선(정선)을 따라 두 달에 한 번씩 수온, 염분, 용존 산소량을 재고 있으며, 자료는 한국해양자료센터(KODC)에서 누구나 내려받을 수 있다. 전 세계 자료는 미국 해양대기청(NOAA)의 세계 해양 자료집(World Ocean Atlas)에 모여 있다. 그래서 한 관측점의 깊이별 값을 그래프로 그려 보면, 수온과 염분으로 해수층을 나누고 그 층마다 산소가 어떻게 다른지 직접 확인할 수 있다.

판단“깊을수록 산소가 적다”는 절반만 맞는다. 산소가 가장 적은 곳은 바닥이 아니라 중층이기 때문이다. 또 여름철 연안에서는 표층이 데워져 물이 위아래로 잘 섞이지 않고, 바닥에서 유기물이 분해되며 산소가 거의 없는 빈산소 수괴가 생겨 양식장 피해를 일으키기도 한다.

확인조건이 달라지면

지구 온난화로 표층 수온이 오르면서 표층과 심층의 밀도 차가 커졌다. 다른 조건이 같다면 표층 아래 바다의 용존 산소량은 어떻게 될까?

탐구 4

바다마다 깊이에 따라 수온과 염분은 어떻게 다를까?

실험 · 실제 자료 · 연직 분포 · 수온–염분도

보기

해역

달 다른 달 점선 층 구분 위 500 m 확대

플로트가 잴 깊이 150 m

염분 센서 표류 (+0.03 psu)기준 해역: —

혼합층 두께: —
수온 약층: —
표층 σt: —
1000 m σt: —

해역 단추를 누르면 그 해역을 켜고 기준(굵은 선)으로 삼고, 기준 해역을 한 번 더 누르면 끈다. 자료는 NOAA 세계 해양 지도(WOA23)의 2015~2022년 기후값으로, 1° 격자 한 칸의 값이다(대부분 Argo 플로트 관측, 퍼블릭 도메인). 2월과 8월 값은 1500 m까지이고 그 아래는 연평균이다. σt는 UNESCO(1980) 해수 상태 방정식의 대기압 식으로 계산했고, 혼합층은 10 m보다 σt가 0.03 커지는 깊이, 수온 약층은 1 m에 0.02 °C 넘게 식는 구간으로 정했다. 측정값에는 내부파로 물이 ±10 m쯤 출렁이는 효과와 센서 오차(수온 ±0.002 °C, 염분 ±0.005)를 섞었다.

탐구 문제바닷물의 수온과 염분은 깊이에 따라 어떻게 변할까? 적도, 아열대, 동해, 극 가까운 바다에서 그 모양이 같을까? 여름과 겨울에는 어디가 달라지고 어디가 그대로일까?
복원해수는 깊이에 따라 혼합층(바람이 섞어 수온이 고른 층), 수온 약층(깊이에 따라 수온이 급히 떨어지는 층), 심해층(차갑고 거의 변하지 않는 층)으로 나눈다. 그리고 해수의 밀도는 수온이 낮을수록, 염분이 높을수록 크며, 밀도 1025 kg/m³를 σt = 25.0처럼 1000을 뺀 값으로 줄여 쓴다.
설계지금 바다에는 Argo 플로트 약 4,000대가 떠 있다. 플로트는 1000 m 깊이에서 떠다니다가 열흘마다 2000 m까지 내려간 뒤 떠오르며 수온, 염분, 압력을 재고, 위성으로 자료를 보낸다. 이 카드에서는 해역(장소)과 달(계절)이 조작 변인, 깊이별 수온과 염분이 종속 변인이다. 그런데 한 번 잰 값은 그날의 물결과 소용돌이에 따라 흔들리므로, 여러 해의 관측을 평균한 기후값을 함께 본다.
분석적도 태평양과 북태평양 아열대는 표층이 25 °C를 넘고, 표층에서 수백 m 사이에 10 °C 넘게 떨어지는 뚜렷한 수온 약층이 있다. 반면 래브라도해와 남극해는 표층부터 차가워 수온 약층이 거의 없다. 동해는 8월 표층이 약 25 °C지만 300 m 아래는 1 °C 안팎의 차가운 물(동해 고유수)로 채워져 있다. 또 밀도 곡선은 모양이 수온 곡선을 거꾸로 한 것과 비슷한데, 대양에서는 수온이 밀도를 주로 정한다는 뜻이다. 수온-염분도에서는 해역마다 곡선이 다른 자리에 놓여 물 덩어리를 구별할 수 있다.
측정동해를 기준으로 두고 2월과 8월을 바꿔 혼합층 두께가 몇 m에서 몇 m로 바뀌는지 보자. 150 m와 800 m에서 플로트로 세 번씩 재어 기록하며 어느 깊이에서 측정값이 더 흔들리는지 비교하고, 남극해를 고르면 아래 판정 문장이 어떻게 바뀌는지, 지중해 유출수는 1000 m 부근 염분이 어떤지도 확인해 보자.
오차·안전수온 약층에서는 물이 조금만 위아래로 움직여도 그 깊이의 수온이 크게 바뀌므로 한 번의 측정값이 많이 흔들린다(우연 오차). 반대로 염분 센서가 오염되어 값이 일정하게 치우치면(표류) 여러 번 재어 평균을 내도 사라지지 않는다. 그래서 Argo 자료는 배에서 잰 정밀 자료와 비교해 나중에 보정한다. 또 σt는 압력 효과를 뺀 밀도라 깊은 물끼리의 비교에는 한계가 있고, 이 자료는 1° 격자 한 칸의 평균이라 연안이나 한 번의 관측과는 다를 수 있다. 실제 바다에서 해양 관측을 할 때는 구명조끼를 입고, 장비를 내리는 줄 가까이에 서지 않는다.

확인조건이 달라지면

남극해의 겨울(8월) 자료에서 표층 수온은 −1.5 °C이고, 200~500 m의 물은 약 1.5 °C로 더 따뜻하다. 이 물기둥에 대한 설명으로 알맞은 것은?

탐구 5

차가운 바다에 산소가 더 많이 녹는 까닭은?

기체의 용해도 · 산소 최소층 · 생물 펌프 · 해양 산성화

기체

표층 수온 20 °C

염분 35 psu

대기 CO₂ 420 ppm

플랑크톤 생산 100%

O₂ 포화량: —
녹은 CO₂: —
표층 pH: —
탄산 이온: —

산소 최소층의 산소: —
산소 최소층 깊이: —
1000 m에서 늘어난 CO₂: —

위 그래프는 실제 경험식이다. 산소는 Weiss(1970), 이산화 탄소 용해도는 Weiss(1974)를 썼고, pH와 탄산 이온은 총알칼리도 2300 µmol/kg(35 psu 기준)인 바닷물이 대기와 평형을 이룰 때의 값이다(Lueker 등 2000의 해리 상수). 아래 그림은 수온이 표층에서 3 °C까지 낮아지는 바다에 생산과 분해를 얹은 모식 모형이라 깊이와 값은 대략적이고, 갈색 점은 가라앉는 유기물(죽은 플랑크톤, 배설물)이다.

질문탄산음료는 차가울 때 김이 덜 빠지고, 미지근해지면 거품이 쏟아진다. 바다도 마찬가지일까? 차가운 극지 바다와 따뜻한 열대 바다 가운데 어디에 산소와 이산화 탄소가 더 많이 녹아 있을까?
복원기체는 수온이 낮을수록 물에 잘 녹는다. 따뜻한 물에서는 기체 분자의 운동 에너지가 커서 물 분자 사이에 붙잡혀 있지 못하고 빠져나가기 쉽기 때문이다. 또 녹은 이온(염류)이 많을수록 기체가 들어갈 자리가 줄어 덜 녹는다(염석 효과).
설명담수 0 °C에서는 산소가 약 14.6 mg/L, 30 °C에서는 약 7.5 mg/L 녹고, 같은 수온에서 바닷물(35 psu)은 담수보다 20%쯤 적게 녹는다. 이산화 탄소는 수온에 더 민감해서 0 °C에서 30 °C로 가면 녹는 양이 절반 아래로 줄어든다. 그래서 차가운 고위도 바다는 대기의 CO₂를 빨아들이고, 따뜻한 적도 바다는 내놓는 쪽이 된다.
연결그런데 깊이에 따라 보면 용해도만으로는 설명되지 않는다. 빛이 드는 표층에서는 식물성 플랑크톤의 광합성으로 산소가 포화량보다 많아지기도 한다(산소 극대). 플랑크톤이 죽거나 배설물이 되어 가라앉으면 수백 m 깊이에서 세균이 이를 분해하며 산소를 쓰고 CO₂를 내놓는다. 그래서 수온 약층 아래에 산소 최소층이 생기고, 탄소는 표층에서 깊은 바다로 옮겨지는데, 이것이 생물 펌프이다. 찬 물이 CO₂를 녹여 가라앉으며 운반하는 것은 용해도 펌프라고 한다.
적용‘열대 표층’과 ‘극지 표층’을 번갈아 눌러 산소 포화량을 비교하고, CO₂로 바꾸어 0 °C와 30 °C의 녹는 양이 몇 배 차이 나는지 재어 보자. 플랑크톤 생산을 0%로 내리면 산소 최소층이 어떻게 되는지, 대기 CO₂를 280 ppm에서 850 ppm으로 올리면 pH와 탄산 이온이 얼마나 줄어드는지도 확인해 보자.
판단“바다가 CO₂를 많이 흡수하니 좋은 일”이라고만 볼 수 없다. 녹은 CO₂는 물과 만나 탄산이 되고 수소 이온을 내놓아 pH를 낮추기 때문이다(해양 산성화). 산업화 이전 이후 표층 pH는 약 0.1 낮아졌고, 이때 탄산 이온이 줄어 조개, 산호, 플랑크톤이 탄산 칼슘 껍데기를 만들기 어려워진다. 산성화라고 해도 바다가 산성(pH < 7)이 되는 것은 아니고, 염기성이 약해진다는 뜻이다. 또 아래 깊이 그림은 모식이며 실제 산소 최소층의 깊이와 세기는 해역마다 크게 다르다(동태평양과 아라비아해에서 특히 강함).

확인조건이 달라지면

지구 온난화로 표층 수온이 오르고, 위아래 바닷물의 밀도 차가 커져 섞임이 약해졌다. 바닷속 산소에 대한 예상으로 알맞은 것은?