개요
침강(영어: Downwelling)은 해양학에서 유체 내의 수괴(水塊)가 염분, 온도, 밀도 등의 특성 변화로 인해 아래쪽으로 이동하는 현상을 가리킨다. 해수의 상향 이동인 용승(Upwelling)과 밀접한 관련이 있으며, 두 현상은 함께 해양의 수직 순환을 구성한다. 해양학에서의 침강은 지질학에서 '땅이 가라앉는 현상'을 의미하는 침강(沈降)과는 구별되는 개념이다.
침강은 해양 순환 및 생물지구화학적 순환에 중요한 영향을 미친다. 표층수는 일반적으로 심층수에 비해 영양소 함량이 낮은 반면, 광합성과 해수면 가스 교환으로 인해 산소 함량이 높다. 물이 아래로 이동하면 산소가 표면 아래로 유입되어 심층의 유기물 분해 과정에 사용된다. 반면, 침강 현상은 아래로부터의 영양소 공급을 차단하여 표층 해양의 일차생산량을 낮추는 원인이 되기도 한다.
발생 원인
침강이 발생하는 주요 원인은 크게 세 가지로 구분된다.
밀도 증가에 의한 침강
표층 해양의 밀도가 증가하면 수괴가 가라앉게 된다. 밀도 변화는 주로 증발, 강수, 가열, 냉각, 해빙·결빙, 강물 유입 등에 의해 발생한다. 특히 냉각, 증발, 해빙 형성에 따른 염분 제거는 밀도를 증가시키는 대표적인 과정이다. 대류를 통한 침강은 전지구적 열염순환(심층 순환)의 원동력으로 작용한다. 그린란드해, 래브라도해, 웨들해, 로스해 등 특정 고위도 지역에서는 수심 1,000m 이상에 이르는 심층 대류가 발생하여 전지구 해양 심층수의 대부분을 산소화하고 열염순환을 구동한다.
에크만 수송에 의한 침강
에크만 수송(Ekman transport)은 바람 응력과 코리올리 효과의 상호작용으로 발생하는 해수의 평균적 수평 이동이다. 바람이 해수면과 평행하게 불면 마찰력이 발생하여 최상층 표층수가 함께 이동하며, 지구 자전의 영향으로 북반구에서는 바람 방향의 오른쪽 90°, 남반구에서는 왼쪽 90° 방향으로 수송된다.
에크만 수송은 아열대 환류의 무역풍과 편서풍 사이에 물을 쌓아 올리거나, 해안에 물을 부딪히게 한다. 해안에 쌓인 물은 더 이상 이동할 공간이 없으므로 아래로 가라앉게 되며, 이를 연안 침강(coastal downwelling)이라 한다.
고기압성 바람에 의한 침강
북반구에서 고기압성 바람이 시계 방향으로 회전하면, 이로 인한 에크만 수송이 해수를 안쪽으로 수렴시킨다. 해수가 수렴하여 해수면이 높아지면 정수압이 증가하고 결국 물이 아래로 침강하게 된다. 기압과 해수면 사이의 관계에 따르면, 기압이 1hPa 감소할 때마다 해수면은 약 1cm 상승하는 것으로 측정된 바 있다. 반대로 저기압성 바람은 해수를 발산시켜 용승을 유발한다.
주요 침강 지역
아열대 환류
아열대 환류는 관측되는 침강 중 가장 큰 규모로 작용한다. 각 해분의 북쪽과 남쪽에서 바람이 서로 반대 방향으로 불어 에크만 수송이 물을 해분 중앙으로 이동시킨다. 이로 인해 환류 중심에 고압 영역이 형성되고 물이 아래로 밀려나 침강이 발생한다. 해양 환류와 관련된 일반적인 하강 속도는 연간 수십 미터 정도로 알려져 있다.
연안 침강
바람이 해안과 평행하게 불 때 에크만 수송이 물을 해안 쪽으로 이동시키면, 해안선이 장벽 역할을 하여 표층수가 육지 쪽에 쌓이게 된다. 쌓인 물은 아래로 밀려 내려가며 따뜻하고 영양소가 부족하며 산소가 풍부한 물을 혼합층 아래로 유입시킨다.
랭뮤어 순환
랭뮤어 순환(Langmuir circulation)은 바람으로부터 발생하며, 에크만 수송을 통해 해양 표면에 수렴과 발산이 번갈아 나타나는 영역을 생성한다. 수렴 영역에서는 표층수를 혼합층 바닥으로 운반하는 일관된 와류가 발생하여 침강이 일어난다.
변동성
침강 경향은 위도에 따라 다르며, 바람 세기의 변화 및 계절 변화와 관련이 있다. 온대 위도에서는 기온 차이와 바람 패턴이 계절적으로 변하여 용승과 침강 조건이 변동한다. 예를 들어 미국 태평양 북서부 연안의 가을과 겨울에는 남풍이 침강에 유리한 조건을 만들어 낮은 수준의 일차생산량에 기여한다. 극지방에서는 열대에서 환류에 의해 운반된 짠물이 차가운 공기에 의해 냉각되어 침강이 비교적 일정하게 발생한다.
엘니뇨 남방진동(ENSO)과도 관련이 있다. 엘니뇨 단계 동안 무역풍의 교란은 남아메리카 서해안에서 해양수가 쌓이게 하여 연안 침강을 강화할 수 있다.
생물지구화학적 영향
침강은 생물지구화학적 순환에서 중요한 역할을 한다. 남극해(웨들해)와 북대서양(그린란드, 래브라도, 노르웨이, 지중해)의 저층 및 심층수 형성은 인위적 이산화탄소, 용존 유기 탄소(DOC), 용존 산소의 제거 및 격리에 크게 기여한다. 차가운 물에서 용존 가스의 용해도가 더 크기 때문에 고위도 지역에서는 가스 농도가 증가한다.
전체적인 순환 모델 시뮬레이션에 따르면 남극해는 산업화 이전 대기 중 이산화탄소 양을 제어하는 가장 중요한 고위도 지역으로 나타난다. 심층수 형성 시 DOC가 혼입될 수 있으며, 이는 생물기원 탄소 배출의 큰 부분을 차지한다. 심해로 유입되는 생물기원 탄소의 최대 30%를 차지하는 것으로 추정된다.
아열대 환류 지역에서는 침강이 영양소를 유광층에서 멀리 운반하여 질소, 인, 철 등의 영양소가 부족한 빈영양성(貧營養性) 환경을 유지하는 데 기여한다. 또한, 지속적인 용승 기간에 발생한 탈산소 현상은 산소를 다시 깊이로 운반하는 침강 사건에 의해 완화될 수 있다.
참고 자료
- Talley, L. D. 외 (2011). 《Descriptive Physical Oceanography: An Introduction》 6판.
- Price, J. (1987). "Wind-Driven Ocean Currents and Ekman Transport." Science 238, 1534–1538.
- NOAA Ocean Explorer. "Downwelling." https://oceanexplorer.noaa.gov
