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- 북극해 15만 년 동안에 두 번 담수로 채워졌다.
- 염 지표로서 토륨 동위원소 분석을 통해 사실 확인

북극해는 한때 짠맛 대신 달콤했다.
북극해는 적어도 두 빙하기에 담수로 완전히 채워졌다.

놀라운 발견 :
북극해는 지난 15만 년 동안(아마도 마지막 빙하기에도) 여러 번 담수로 완전히 채워졌다.
이것은 북해의 퇴적 핵에 대한 동위 원소 분석으로 나타난다. 빙하기에 해수면이 낮아졌기 때문에 이 짠물이 아닌 담수가 가능했다. 그 결과 베링 해협은 건조하고 빙붕이 북대서양의 문턱을 막았다. 연구자들이 전문 저널 "Nature"에 보고한 내용이다. 

▲ 해저 능선에 놓인 육교와 빙붕은 한때 북극해를 다른 바다와 분리했다. © Alfred Wegener Institute / Martin Künsting

북극해는 기후 시스템의 핵심 요소다. 그래서 꾸준히 탐구돼 왔다.
북극 해저의 고정밀지도가 최근 생성되었으며 MOSAiC 원정대는 1년의 표류 기간 처음으로 겨울 북극 지역에서 데이터를 수집했다.

그러나 과거에 북극해가 어떻게 생겼는지에 대해서는 알려진 바가 많지 않다.
해저 융기의 오래된 빙하 긁힌 흔적이 빙하기 동안 북극해가 거대한 빙상으로 덮여 있음을 시사하는 것은 사실이다. 이 빙붕이 얼마나 넓고 북극 해저 전체를 덮었는지 여부는 논쟁의 여지가 있다. 추운 시기에도 해수의 구성에 대해서는 알려진 바가 거의 없다.

염 지표로서의 토륨(Thorium) 동위 원소

북극해와 인접한 바다의 퇴적 시추 코어는 이제 더 많은 정보를 제공하고 있다.
여기에는 지난 15만 년의 퇴적물이 포함돼 있으므로 15만~13만 년 전 Saale 빙하기, 7만~ 6만 년 전 Vistula 빙하기, 약 1만2000 년 전에 끝난 마지막 빙하기가 포함된다.
브레멘에 있는 Alfred Wegener Institute의 발터 가이베르트(Walter Geibert)와 함께 작업하는 연구원은 퇴적물 코어의 동위 원소 분석을 사용해 이 추운 기간 동안 북극해의 얼음 덮개와 염도를 결정했다.

"염분 바닷물에서 천연 우라늄의 붕괴는 항상 동위 원소인 토륨-230을 생성한다"고 Geibert는 설명한다. "그것은 7만5000 년의 반감기로 인해 해저에 퇴적돼 아주 오랫동안 그곳에 있다. "또한 이전 연구에서 바닷물의 우라늄 함량이 토륨-230으로 붕괴되는 것으로 알려져 있다. 염분에 비례하고 소금물의 양이 감소한다.

소금없는 두꺼운 얼음과 물

그러나 놀라운 사실은 분석 결과 두 기간 동안 북극해 유역에 토륨-230이 전혀 퇴적되지 않았다는 것이 밝혀졌다는 것이다. 실제로 바닷물에서 흔히 볼 수 있는 이 신호는 Saale과 Vistula 빙하기 모두에서 누락되었다.

이 데이터와 다른 지구 화학적 데이터로부터 연구자들은 두 가지 결론을 내렸다.
한편으로는 북극해가 이 빙하기 동안 900m 이상의 두께 빙붕으로 덮여 있었거나, 반면에 북극해의 물은 당시 짠 것이 아니었을 것이다. "우리가 아는 한, 유일한 그럴듯한 설명은 북극해가 최근 역사에서 담수로 두 번 채워졌다는 것이다. 얼어붙은 형태다"고 Geibert의 동료인 Jutta Wollenburg는 말했다.

▲ 유일한 그럴듯한 설명은 북극해가 최근 역사에서 담수로 두 번 채워졌다는 것이다.

짠 바다 대신 담수 호수

즉, 오늘날 짠 바다가 북극 주변의 거대한 분지를 덮고 있는 곳에 얼음으로 덮인 거대한 담수 호수가 있었다. 이 달콤함은 Saale과 Vistula 빙하기뿐만 아니라 아마도 약 1만5000년 전의 가장 최근 빙하기의 절정에서도 일어났을 수 있다고 연구원들이 설명했다.

"이러한 결과를 통해 우리는 빙하기 기후에서 북극해의 역사에 대한 이전의 타당한 개념을 뒤집고 있다"고 Geibert는 말한다. "우리가 아는 한, 북극해와 북유럽 바다에 이 기간 때때로 얼음과 담수만 포함돼 있다는 사실은 누구도 생각하지 못했다. 한 번이 아니라 적어도 두 번씩이나"

AWI 팀은 2017년에 북극해가 3천 6백만 년 전에 담수 호수라는 것을 증명했다.
이 원시 상태가 그 이후로 여러 번 발생했다는 사실은 새로운 것이다.

봉쇄로서의 육교 및 얼음 장벽

하지만 그때 북극해가 어떻게 담수호가 될 수 있었을까?
결국 북극 분지는 여러 수로를 통해 북대서양과 태평양과 연결되어 있기 때문에 실제로 충분한 물 교환이 이루어진다. 브레멘에 있는 MARUM 해양 환경 과학 센터의 공동 저자 뤼디거 슈타인(Rüdiger Stein)은 "빙해기에 지구 해수면이 현재보다 최대 130미터 낮았다고 가정하면 이러한 시나리오를 상상할 수 있다"고 설명했다.

그 결과 베링 해협이 육교로 막혔고 그린란드와 캐나다 사이의 지역도 말라 붙었다.
또 다른 장벽으로 인해 유럽 북극해로의 물 교환이 더 어려워졌다. 그린란드와 스코틀랜드 사이의 해저 능선은 아마도 수면 바로 아래에 도달했을 것이다. 북극의 빙붕이 그곳에서 좌초되어 흐름의 대부분을 막았다.

▲ 일련의 사건 : 먼저 북극해가 달콤 해졌고 (1), 담수가 장벽 위로 흘러 내렸다 (2). 마지막으로 얼음 장벽이 완전히 해동되고 (3) 물 교환이 정상화되었다. © Alfred Wegener Institute / Martin Künsting

단 8천 년 만에 담수

또한 매년 최소 1,200 입방 킬로미터의 담수가 흐르는 빙하, 여름철 얼음이 녹고 북쪽으로 흐르는 강을 통해 북극해로 유입되었다. 그 결과 북극 분지가 점점 더 많이 채워졌다.
그린란드-스코틀랜드 능선에 남아있는 몇 안되는 열린 지점에서 이 잉여 담수는 높은 압력으로 유럽 북해와 대서양으로 흘러나왔다.

"이 격렬한 역류는 이 지점에서 대서양의 염수가 북극해로 유입되는 것을 막을 수 있었다"고 연구원들은 설명했다. 녹은 물과 강물이 북극해로 유입되는 것과 결합된 이 물 교환의 봉쇄는 아마도 8천 년 이내에 전체 바다를 완전히 달게 할 정도로 충분했을 것이다.

기후 효과가 있는 담수 홍수

북극해의 담수 단계는 얼음이 녹고 그린란드-스코틀랜드 능선의 얼음 장벽이 다시 침투할 수있게 되었을 때만 다시 끝났다. "이 얼음 장벽 메커니즘이 실패하자마자 무거운 염수가 다시 북극해를 통과 할 수 있다"고 Geibert는 설명했다. 이 무거운 소금물은 가라앉았고, 더 가볍고 밀도가 낮은 담수를 표면으로 밀어냈다.

북대서양의 장벽이 마침내 무너졌을 때, 이 담수는 특히 그린란드-스코틀랜드 능선의 가장자리 위로 쏟아졌다. 그 결과, 빙하기가 끝날 무렵 대서양에 엄청난 담수 급증이 있었을 것이다. 그에 상응하는 기후에 영향을 미쳤다. 그린란드에서는 온도가 몇 년 안에 8~10도까지 몇 차례 상승했다.

Geibert와 그의 팀은 “북극 담수의 갑작스런 유출은 어린 드라이어스(Dryas;기원전 1만0730-9700년)의 냉각과 관련이 있다. 일부 과학자들은 약 1만2900 년 전 이 추위에 대한 설명으로 운석 충돌을 가정했다. 그러나 이 가설에 대해서는 논란이 많다.

북극해와 그 역사 재평가

Geibert와 그의 팀에 따르면, 그들의 결과는 무엇보다도 북극해가 오랫동안 생각했던 것보다 훨씬 더 사건이 많고 영향력 있는 역사를 가졌음을 보여준다. Geibert는 "우리는 여기에서 최근 지질학적 역사에서 북극 주변의 지구 시스템에 결정적인 전환점이 있음을 알 수 있다"고 말한다. 이것은 기후 변화 과정에서 아는 것도 중요하다.

미국의 고 해양 학자 샤론 호프만(Sharon Hoffman)도 이와 비슷한 관점을 갖고 있다.
"Nature"에 뒤따른 논평에서 그녀는 "Geibert와 그의 동료들이 토륨-230을 혁신적으로 사용함으로써 이제 북극해에서 가능한 것과 이 지역이 얼마나 극적으로 변할 수 있는지에 대한 재평가를 촉발시킬 수 있다"고 썼다.
(Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03186-y)

출처: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)

[더사이언스플러스=문광주 기자] "Green Soul, Clean Earth"

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