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Korea Institute of Ocean Science & Technology

Ecological Consequences of Sea-Ice Decline

  • 조회 : 3767
  • 등록일 : 2014-06-03

Ecological Consequences of Sea-Ice Decline

해빙감소의 생태적 결과

 

□ 2013 년 8 월 2  , SCIENCE (REVIEW)

 

Post, E., Bhatt, U.S., Bitz, Brodie, J.F., Fulton, T.L., Hebblewhite, M., Kerby, J., Kutz, S.J., Stirling, I., Walker, D.A., 2014. Ecological Consequences of Sea-Ice Decline. Science 341, 519-524

 

2012 년 북극해빙은 관측사상 최저면적을 기록했으며 지난 10 년 동안 북극 해빙 역대 최저기록이 9 번 기록되면서 해빙 감소에 대한 생태계 반응 연구에도 상당한 진전이 있음 해빙 손실은 생산력 생물종 상호 작용 개체군 혼합 (population mixing), 유전자 흐름 (gene flow), 병원체 / 질병 전이에 영향을 끼치면서 해양 / 육상의 생태 역학을 지배하는 중요한 동인 (driver) 으로 나타남 가까운 미래에 해결해야 할 중요한 연구과제는 육상 시스템에서 생태역학의 일차적 동인으로서 해빙이 기여하는 바를 알아내고 해빙이 감소함에 따라 북극 해안가에서 인간에 의한 압력 (pressure)을 밝히는 것을 포함함 .

 

지구상 주요한 생물권 (biome) 가운데 하나로써 해빙 (sea ice) 은 위 아래에 독특한 생태계가 있으며 인접한 육상 생태계 프로세스에 큰 영향을 줌 해빙은 다양한 미생물을 포함하며 무척추동물을 위한 중요한 서식지를 제공함 저지대 툰드라는 계절에 따라 얼음이 덮힌 바다의 100 km 이내에 위치한 육상 생산력과 생물 다양성에 영향을 줌 해빙 손실에 의한 북극 온난화의 증폭은 계절적 온도 한계가 생산력에 중요한 제한 요인인 이 지역에서 생태 역학의 잠재적 동인임 본 논문에서는 북극해 해빙 감소에 대한 생태 반응 연구의 최근 진전 상황을 종합하고 해양 / 육상 시스템에서 생태 역학의 동인으로서 해빙 손실의 중요성을 조명함 .

 

Record of Recent Sea-Ice Loss( 최근 해빙 손실 기록 )

최근 인간 기원 온난화의 가장 뚜렷한 결과 가운데 하나는 북극 해빙의 최저 범위 (annual minimum extent) 의 감소임특히 러시아 알라스카 캐나다 해안은 해빙 손실의 가속화와 더불어 전지구 속도의 두 배로 따뜻해지고 있음 연간 해빙 최저는 2012 년에 최소로 기록됨 북극 해빙 손실은 대부분 모델 예측을 넘어서고 있으며 지난 천 오백만 동안 손실은 전례없는 수준임 해빙 손실은 북극 온난화의 암시자로 흔히 논의될 뿐 아니라 표면 반사 감소로 인한 되먹임 (feedback) 으로 인해 북극 온난화를 증폭시키는 주요 요인임 .

 

북극 해빙 범위가 역대 두 번째로 작았던 2007 년의 해빙 손실은 북위 50 도 이상 지역의 온난화를 상당히 설명함 나아가 지난 30 년에 걸친 북극해 표층근처의 온난화는 해빙 농도에서 알 수 있음 전지구 기후 모델에서 육상 표면의 온난화는 여름철 해빙 손실과 관련되어 있음 .

 

Direct Effects of sea-ice loss( 해빙 손실의 직접적인 영향 )

전체 해양의 먹이사슬을 지탱하는 일차생산자의 주요 서식지는 해빙임 . 20 세기 말 이래 북극해 해빙 200 만 km 2 손실은 북극해 연간 일차생산의 57% 를 감당하는 해빙 조류 (sea-ice algae) 및 빙저 (subice) 식물플랑크톤 서식지의 손실을 의미함 얇은 얼음을 통한 빛 투과로 유도되는 해빙 조류 번성의 계절적 타이밍은 부유성 요각류의 성공적 생식에 매우 중요함 빙하 가장자리가 후퇴함에 따른 식물플랑크톤 번성 시기의 변화는 요각류 유생의 생존과 성장에 매우 중요함 .

 

계절적으로 녹아내리는 빙하로부터 나오는 유기물 배출과 식물플랑크톤 번성은 북극해 먹이 사슬에 연료를 공급하는 두가지 연간 생산력 펄스 (pulses of productivity) 로 작용하고 있음 얼음이 얇아지면서 조류 (algae) 및 식물플랑크톤 번식의 계절성 (seasonality) 이 파괴됨 지난 30 년 간 해빙이 녹아있는 기간이 20 일 정도 증가함으로써 상위 포식자에게 영향을 미쳤으며 동물플랑크톤 생산 타이밍의 불일치를 야기함 해빙이 녹는 시기가 빨라지면서 북극 해양 일차생산력이 활발한 기간이 단축되면 식물플랑크톤 번성이 줄어들면서 동물플랑크톤 생산과 그들을 먹고 사는 북극 대구 바다새 (seabird), 해양포유류에 영향을 끼침 .

 

온난화와 관련한 해빙 두께 및 북극해 해빙 위에 쌓인 강설 면적 (snow cover) 감소는 빙저 일차생산 증가와 관련되어 있음 . 2011 년 여름중반 빙저 식물플랑크톤 번성은 일년차 얇은 얼음층을 통해 광투과가 강화되었기 때문임 따라서 ,북극이 따뜻해지면서 두꺼운 얼음층이 얇은 일년차 얼음으로 대체되면 해조류 / 식물플랑크톤 번성의 빈도 및 크기가 증가할 수 있음 하지만 북극 지역 일차생산에서 빛 투과와 영양염 제한 사이의 관계에서 해빙 감소와 해수 담수화 (ocean freshening) 역할은 아직 잘 알려있지 않음 빙하 융해와 관련된 유광층 (euphotic layer) 담수화는 해빙이 후퇴함에 따라 증가된 광투입을 가져오지만 식물플랑크톤의 영양염 이용을 감소시켜 궁극적으로 일차생산력을 낮출 수 있음 얇아진 해빙을 통한 광투과 증가는 요각류의 먹이인 식물플랑크톤의 지질 함량을 감소시킴 나아가 해빙 융해와 연안 하천에서 유입되는 담수에 기인한 북극해 담수화는 해양 먹이사슬의 계절적 에너지 변환 (energy transfer) 효율을 감소시킴 이는 대형 나노 플랑크톤이 소형 피코 플랑크톤으로 대체되는 것과 관련되어 있음 .

 

먹이섭식 (foraging), 생식 (reproduction), 휴식 (resting) 을 위해 해빙에 의지하는 척추동물들 또한 해빙손실에 의해 직접적 영향을 받음 해빙 감소 및 무해빙 기간의 확장으로 인해 피해를 입은 해양 척추동물의 사례가 있음 북극곰의 건강 상태 및 개체수 감소와 고리무늬물범 (ringed seal 의 생식과 새끼 먹이 제공을 위한 필수적 서식지가 감소함 최근 연안역 빙하가 후퇴하면서 태평양 바다코끼리 (Pacific walrus) 가 빙하 가장자리에서 먹이사냥 할 수 있는 장소가 감소함에 따라 태평양 바다코끼리들은 먹이 서식지에 비해 개체수가 감소하고 있으며 집단 휴식하는 바닷가 면적이 점점 넓어지고 있음 미국 알라스카주 축치해 (the Chukchi Sea) 해안에서 관찰된 바다코끼리 대량 사망은 대륙붕 주변을 덮고 있는 해빙 감소에 기인함 .

 

In direct effect of sea-ice loss( 해빙 손실의 간접 영향 )

해빙 손실은 동물 이동 개체군 혼합 병원체 전이에 영향을 주어 간접적으로 생태역학에 영향을 미칠 수 있음 연간 해빙 감소로 여름철 무해빙 계절에 고립된 개체군은 여름철을 제외하면 빙하 간 또는 섬 간 이동이 감소할 것임 따라서 해빙 감소와 무해빙 기간 증가는 이러한 종의 개체군 유전적 고립을 증가 시킨다 해빙은 북극 여우 개체군의 유전적 분화을 예측할 수 있는 가장 강력한 환경요인임 그러나 캐나다령 북극해 군도에서 섬 간 및 섬과 본토 간 이주는 고립된 늑대 개체군을 유전적으로 구할 수 있는 기회임 계절적으로 이들 개체군을 연결시켜주는 해빙 손실은 그러한 유전적 구조기능을 점점 불가능하게 만듬 해빙이 동물 확산의 장벽으로 작용하는 종에게는 해빙 손실과 무해빙 기간의 증가가 개체군 섞임을 증가시켜 유전자 분화를 감소시킬 것임 .

 

영구적 해빙이 바다 코끼리와 일부 고래의 북태평양과 북대서양 개체군의 유전적 분화를 유지시키지 못할 것 임 해빙이 종간 교배의 장애로 작용하는 생물종의 경우는 해빙손실로 인해 밀접히 관련된 생물간의 접촉이 늘어날 수 있음 해빙손실은 최소 일곱 쌍의 북극 / 아북극 (subarctic) 해양포유류의 잦은 교배를 야기할 것임 북극곰과 그리즐리곰 사이의 관측된 교배는 증가한 무해빙 기간의 결과임 해빙 손실이 만일 현재 빙하로 고립된 개체군  속 사이의 교배를 촉진시킨다면 북극 지역 동물다양성이 감소할 수 있음 북극 온난화 및 해빙 손실은 새로운 숙주 병원체 질병 벡터(disease vector) 의 침입을 용이하게 할 것임 캐나다 북극지역에서 예상되는 강설 지역의 감소는 기존에 분리되어 있던 병원체의 교배를 촉진시키며 캐나다 동부와 서부 고유종 사이의 접촉을 증가시킬 것임 현재 북극 동부의 기각류에서 발견되는 고유한 전염성 물개 급성염증 바이러스 (phocine dislemper virus) 가 북극 서부의 물개 개체군에 흘러들어갈지 모른다 생태적으로 진화적으로 분리되어 온 대서양과 태평양 병원체가 섞이게 되면 이전에 노출되지 않았던 포유류 개체군의 건강에 큰 교란이 예상됨 바다코끼리는 감소한 해빙 지역에서는 육지에서 집단서식 (shoreline haul-out) 하는 경우가 증가함 이는 환경적으로 밀도의존성 (density-dependent) 병원체의 전이를 촉진시킴 이에 더하여 해양 생물종이 육상에서 보낸 시간이 증가하면 이들과 육상 생물종 사이의 병원체 전이가 야기될 수 있음 해빙 손실의 결과로 인한 동물 행동 변화로 인해 병원체 전이 패턴이 변할 수 있음 캐나다 북극해에서 동결이 늦게 발생하거나 선박이동량이 증가하게 되면 돌고래와 순록의 연례 이주를 변경시키거나 막을 수 있음 이주는 기생충 감염을 줄이는 잇점이 있음 따라서 이주가 제약을 받게 되면 순록 떼에 기생충량이 증가할 수도 있음 거꾸로 말하면 해빙 손실은 해빙이 병원체 전이의 통로가 되는 곳에서는 섬 생태계로의 전염성 질병과 병원체 유입을 막는데 있어 도움이 될 수 있음 .노르웨이 스발바드 (Svalvard) 지역에서 간헐적으로 발견되는 광견병은 러시아 본토에서 해빙을 건너 온 북극 여우의 유입 때문임 해빙 감소는 이러한 포유류 유입을 최소화하거나 없앨 수도 있음 해빙으로 매개되는 섭식 생태학 (feeding ecology), 특히 기생충이 복잡한 생활사를 갖는 경우 숙주 내 기생충 공동체가 변할 수 있음 가령 허드슨만에 서식하는 큰부리 바다오리는 북극 대구에서 빙어과 작은 어류로 먹이를 변경했으며 이는 잠재적으로 먹이 사슬을 통해 전이될 기생충 출현에 영향을 줌 유사하게 야생 늑대가 환경 독성물질에 노출될 때 해빙감소는 동물의 면역 기능과 새로운 병원체에 대처하는 능력에 중요한 영향을 미침 .

 

Effects on terrestrial systems( 육상 시스템에 미치는 영향 )

그린란드 서부 육상에서 이뤄진 식물형태 장기 모니터링은 식물 성장기의 연례 타이밍과 해빙 범위 사이의 밀접한 관계를 암시함 해빙이 축소되는 봄철은 식생의 이른 녹화 (green-up) 로 특징됨 봄철 일차생산 증가의 타이밍이 빨라지면서 해양 먹이 사슬에서 요각류가 그랬던 것처럼 육상생태계의 영양 불균형 (trophic mismatch) 을 가져옴 동일한 내륙 지역에서 키 작은 관목의 양의 증가는 해빙범위와 음의 상관관계를 보임 상관 시계열 (correlated time series)자료로는 인과관계를 유추하는 것이 어렵지만 추정되는 원인이 뒤늦게 반응을 나타내면 인과관계가 성립될 수 있음 .북극에 걸쳐 키 작은 관목의 풍성함과 서식지 증가가 일어나고 있음 연안과 연안에 가까운 지역에서 이러한 증가는 해빙 손실에 의해 유도된 지역적 온난화와 관련된 것으로 보임 북극전체 툰드라 생물권은 엄청나게 긴 해안선 때문에 해양 시스템과 동조하며 인근 해빙의 강한 기후 영향 때문에 해빙에 영향 받기 쉬움 해빙에 특히 민감한 지역은 bio climate sub zone A  북극에서 가장 크고 빠른 온도 변화를 겪고 있으며 꽃이 빈약한 이 지역은 위험에 놓여 있으며 ,특히 향후 수십 년 안에 여름철 해빙의 완전 소실을 겪을 것으로 보임 해빙 감소와 육상 일차 생산력 사이의 관계는 북극을 가로지르는 좀 더 큰 규모에서 명백히 나타남 큰 규모에서 해빙 감소와 육상 일차 생산력 증가 사이의 증거는 주로 위성 자료에서 얻어짐 . 1982 년에서 2011 년 사이에 연안 근처 해빙 지역이 감소함에 따라 북극해 주변 저지대 툰드라의 여름철 온난지수 (summer warmth index, 이하 SWI) 가 증가하고 식생 생산 증가가 NDVI 식생지수 영상으로 관측됨 . SWI 와 해빙 범위의 관계는 온난화가 해빙 손실과 관련함을 암시함 전체 북반구에서 SWI 는 대개 음의 값이지만 유라시아 북아메리카에서는 변하기도 한다 . NDVI 식생지수와 해빙범위의 관계는 북극을 가로지르며 변함 이는 다른 요인이 해빙 손실과 관련된 생물적 동인과 상호작용하여 툰드라 생물권에서 육상 일차생산 변동에 영향을 끼칠 수 있음을 시사함 해빙 감소와 관련한 육상 일차생산력 증가와 이로 인한 육지 표면온도 증가는 생태계 탄소 플럭스를 변경시킬 수 있는 잠재력이 있음 그린란드 서부에서 얻은 이산화탄소 플럭스의 모델 추정값은 2003 년에서 2010 년 사이 키 작은 관목 증가와 일치하며 약 두 배의 탄소 흡수가 있었음을 암시함 또한 생태계 과정 모델링은 1976 년에서 2006 년 사이 해빙 변동 추세와 북극 툰드라 지대에서 메탄 발생 증가가 일치함을 예측함 하지만 미래 해빙 감소로 육상 시스템 내 탄소 역학을 예측하는 것은 온난화로 인해 증가할 수 있는 호흡률의 정도를 고려하지 못하기 때문에 확실하지 않음 최근 알래스카 지역에서 관찰된 해빙 감소와 연간 툰드라 범위의 관계는 빙하 손실이 육상 탄소 배출의 주기적인 변화에 상당히 기여할 수 있음을 시사함 .

 

Future challenge( 향후 과제 )

감소하는 해빙이 개체군 동역학 풍부도 생물종 간 상호작용에 영향을 미치는 많은 사례에도 불구하고 향후 지속될 해빙 손실의 생태적 결과를 예측하는 것은 여전히 어려운 문제임 해빙을 생태 역학의 동인으로 돌리는 것은 여전히 쉽지 않음 지금까지 관찰된 상관관계는 해빙 역학과 생태 역학 사이의 공변 패턴 (pattern of covariance) 에 의존하는 것이며 인과관계를 보여주는 것은 아님 지역적 온난화에 기여하는 요소로서 해빙 손실의 중요성이 증가하고 있으며 이는 생태 역학의 동인으로서 해빙 감소의 잠재성을 말해 줌 기후 변화에 대한 생태 반응 연구에서 합작 귀속 (joint attribution) 접근법은 상당히 유익할 수 있음 합작 귀속이란 인간에 의한 온난화 원인과 생태역학에서 관찰되는 온난화 원인을 할당하는 통계적 기법임 이 방법을 적용하면 해빙 감소로 인한 생태 반응을 탐지하는 능력을 향상 시킬 수 있음두 번째 과제는 해빙 감소로 인한 산업 발전 및 물류수송 증가가 가져오는 인간의 영향을 예측하고 기대하는 것임 북극에서 해빙 손실과 얇아짐은 21 세기 중반까지 북극해에 인접한 8 개 국가의 해양 접근성을 28% 까지 증대시키리라 예상됨 북극의 기존 오지 지역에 접근하는 횟수가 많아지면서 남획된 생물종을 포함하여 많은 생물종과 서식지가 피해를 입을 수 있음 북극 고래 (bowhead whale), 태평양 바다코끼리 같은 해양 생물에게도 큰 위협이 될 것임 육상 /해양 시스템을 대상으로 북극 광물 및 석유 탐사 속도가 가속화 될 것임 해빙을 기후 온난화의 중요한 지시자로 보고 북극 생태 역학의 통합적 동인으로 여기게 되면 북극 시스템 기능에 대한 이해를 한층 높일 수 있으며 미래 변화를 예측하고 대응하는 우리의 기반을 공고히 할 수 있음 .


2014-06-03

 

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2018-11-05