용존 기체의 분포와 해수 pH

핵심 정리

해수에는 대기와의 기체 교환으로 여러 기체가 녹아 있으며, 해수에 녹아 있는 산소와 이산화 탄소는 생물 활동과 수온에 따라 분포가 달라진다. 수온이 높아질수록 기체의 용해도는 낮아져 해수에 녹는 양이 감소한다. 따라서 수온만 비교한다면 차가운 해수에서 기체가 더 많이 녹을 수 있다. 다만 실제 수심별 농도는 기체가 만들어지거나 소비되는 과정도 함께 고려해야 한다.

산소는 대기와의 교환 및 식물 플랑크톤의 광합성으로 해수에 공급되고, 해양 생물의 호흡과 유기물 분해로 소비된다. 이산화 탄소는 대기와의 기체 교환으로 해수에 용존하며, 동물의 호흡과 유기물 분해에서도 생성된다. 식물 플랑크톤은 광합성에 용존 이산화 탄소를 이용한다. 해수 중 이산화 탄소는 대기보다 훨씬 많은 양이 존재하고, 저온인 심층수에서 용해도가 높아 농도가 높다.

이산화 탄소가 물에 녹으면 해수의 pH와 관련된 평형에 참여한다. 탄산 이온과 중탄산 이온은 pH 변화에 대한 완충 작용을 하며, 해수는 이산화 탄소와 탄산 이온의 평형을 통해 pH 변화를 완화한다. pH 미터는 해수의 수소 이온 농도를 측정한다. 산소의 정량에는 윙클러 방법을 사용하며, 이는 적정을 이용한 용존 산소 측정법이다.윙클러 방법은 해수 중 용존 산소를 적정으로 정량하는 방법이다.

자세히

기체의 용해와 분포를 해석할 때는 두 종류의 원인을 구분한다. 첫째는 기체가 물에 녹을 수 있는 정도를 좌우하는 물리적 조건이고, 둘째는 생물의 광합성·호흡과 유기물 분해처럼 기체를 만들거나 소비하는 과정이다. 수온이 높으면 해수에 녹을 수 있는 기체의 양이 줄어든다. 반대로 낮은 수온에서는 기체의 용해도가 높다. 이 경향은 산소와 이산화 탄소의 농도 해석에 공통으로 활용할 수 있지만, 수심별 실제 농도가 용해도만으로 결정된다는 뜻은 아니다. 생물 활동과 물의 이동이 함께 작용하기 때문이다.

해수와 대기는 해수면에서 기체를 주고받는다. 이산화 탄소는 주로 이 기체 교환을 거쳐 해수에 용존한다. 해수에 녹은 이산화 탄소는 식물 플랑크톤의 광합성에 이용되고, 해양 동물의 호흡으로 이산화 탄소가 배출된다. 광합성은 이산화 탄소를 흡수하는 과정이므로 광합성에 이용된 이산화 탄소가 광합성으로 배출된다고 해석하지 않는다. 빛이 닿지 않는 무광층에서는 광합성이 일어나지 않으며, 유기물이 분해될 때 이산화 탄소가 생성되어 농도가 증가한다. 따라서 표층과 심층의 이산화 탄소 농도를 비교할 때에는 표층의 광합성에 의한 소비와 심층의 유기물 분해에 의한 생성, 그리고 수온에 따른 용해도 차이를 함께 살펴야 한다.

수심이 깊어질수록 이산화 탄소의 해수 용존 농도는 높아진다. 저온의 심층수는 이산화 탄소의 용해도가 높고, 무광층에서는 유기물 분해로 이산화 탄소가 늘어나는 점이 분포를 설명한다. 여기서 ‘차가우므로 용해도가 높다’는 물리적 경향과 ‘분해로 생성되어 농도가 높아진다’는 생물·화학적 원인을 구별해야 한다. 둘은 서로 대체하는 설명이 아니라 함께 작용할 수 있는 요인이다. 실제로 어떤 자료가 수온만 제시하는지, 수심별 농도와 생물 활동까지 제시하는지 확인하고 자료에서 직접 비교할 항목을 정한다.

산소는 해양 생물의 호흡에 필요한 기체이며, 해수 속 산소량은 공급과 소비의 균형을 반영한다. 광합성이 가능한 곳에서는 산소가 만들어지고, 호흡과 유기물 분해에서는 산소가 소비된다. 따라서 용존 산소량의 변화를 물의 수온만으로 단정하지 않는다. 밤이 되면 광합성이 멈추므로 낮과 밤의 산소량 차이를 생각할 수 있지만, 특정 해역의 실제 변화는 자료에 제시된 조건으로 판단해야 한다. 바람에 의한 혼합이나 수온 구조에 관한 자료가 함께 주어지면, 용존 기체 농도와 혼합층 두께를 같은 개념으로 취급하지 않는다. 혼합층 두께는 용존 기체 농도 차이보다 수온 분포와 바람 혼합에 의해 결정된다.