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Particulate Organic Carbon Cycling on the Amundsen Shelf, Antarctic : Insights from Radiocarbon Analysis

방사성탄소를 이용한 남극 아문젠 해역의 입자유기탄소 순환 연구

초록/요약

Various particulate organic carbon (POC) samples were collected including sinking POC, suspended POC in surface water, and sediment on the Amundsen shelf, Antarctica, during the 2012 cruise on the IBRV Araon, and by an instrument mooring. Sinking particles were intercepted at 425m depth by a sediment trap from January 2011 for a year, near the periphery of the Amundsen Sea polynya. Based on the radiocarbon values (as in 14C) and organic carbon contents, sinking POC in the Amundsen sea ice zone were divided into three different patterns. The 14C values were close to the values obtained for suspended POC at the surface during the cruise in summer and remained so for a few months after sea ice was recovered indicating the continued supply of fresh POC. In October, November, and December the 14C values decreased, in close association with increasing content of non-biogenic component in the sinking particles. POC accumulation rate in the sediment was estimated from the 14C values of sediment layers at 4 locations (near the shelf break, polynya near the boundary with the sea ice zone, inside the polynya, near the ice shelf) on the Amundsen Shelf. POC accumulation rate in the polynya was about 20 times higher than near the shelf break. Compared to consistent with the highest primary production in surface water, inside the polynya showed the highest POC accumulation rate in sediment. The age of the source POC supplied to the sediment was close to modern near the shelf break while that to the sediment inside the polynya was old. Sinking POC flux and accumulation in the sediments appear to show spatial variability. The cause of this spatial variability in association with the biological production and physical conditions at surface need further investigation

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초록/요약

서남극 아문젠 해는 빙상과 빙붕의 급격한 감소를 보이며 지구 온난화의 영향을 크게 받고 있는 해역 중 한 곳이다. 기후 변화로 인한 해빙의 감퇴는 해양 일차생산자인 식물 플랑크톤에 의한 일차생산을 비롯한 탄소순환 양상에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 본 연구에서는 나이와 기원에 대한 정보를 제공할 수 있는 방사성탄소동위원소를 이용하여 아문젠해 유기탄소 순환을 이해하려 하였다. 아문젠 해빙역에 퇴적물 트랩을 계류하여 연간 시계열 침강입자 시료를 획득하였으며, 대륙붕단, 개구부, 빙붕 주변부를 대표하는 정점들에서 표층수 입자유기물과 퇴적물을 채취하여 탄소동위원소분석을 실시하는 등 다각적 접근을 시도하였다. 해빙역에서의 침강입자유기물은 계절에 따라 세 가지 다른 경향을 나타냈다. 1월과 2월, 해빙 농도가 최저인 시기에 침강입자플럭스가 가장 높았으며 새롭게 만들어진 유기탄소가 침강입자유기탄소의 주를 이루었다. 3월에서 10월, 표층 얼음의 농도가 증가하면서 침강입자플럭스가 급격히 감소한 뒤에도 새롭게 생산된 유기탄소가 침강입자유기탄소의 대부분을 구성하였다. 10월 이후에는 퇴적물의 재부유에 기인한 것으로 유추되는 오래된 연령의 유기물의 기여도가 증가하였다. 동위원소와 탄산염, 규산염 농도의 시간적 변화 양상으로 볼 때 일차생산이 높은 여름에는 규조류가 우점하였고, 3월에서 10월 시기에는 부드러운 조직을 가진 생물종이 우점한 것으로 보인다. 퇴적속도와 퇴적물 내 유기탄소 함량 등을 이용하여 계산한 유기탄소 퇴적률은 개구부에서 대륙붕단보다 20배 가량 높았다. 높은 유기탄소 퇴적률은 개구부의 높은 일차생산과 일치한다. 퇴적되는 유기물의 기원을 추정해본 결과, 대륙붕단에 퇴적되는 유기탄소는 비교적 최근에 생산된 탄소인데 반해 개구부에는 일차생산에 의한 유기탄소 외에도 오래된 연령을 가진 다른 기원의 유기탄소가 상당 부분 퇴적되었다. 해빙 앞에서 채취한 퇴적물의 경우, 10cm 가량의 표층 균질층이 관측되어 사태(砂汰)나 빙붕의 융해에 기인하는 퇴적물 기원의 입자들이 빠르게 퇴적된 것으로 보인다. 본 연구에서는 아문젠 해역의 수층에 공급되는 침강입자유기물의 기원과 플럭스, 나아가 해저면에 퇴적되는 유기물의 기원과 퇴적속도, 퇴적률 등을 바탕으로 이 해역에서의 유기탄소 순환 양상을 연구해 보았다. 추후 해빙역 뿐만 아니라 개구부 내부와 빙붕 앞에서 침강입자유기물 시료를 획득하여 침강유기탄소의 연간 플럭스와 기원을 유추해 보고, 표층 상태에 따른 유기탄소 침강 양상의 차이를 살펴 볼 생각이다. 나아가 닷슨 트러프 바깥쪽과 아문젠 대륙붕 외해에서 깊이에 따른 퇴적물을 추가 획득, 분석하여 이 해역 탄소순환에 대한 이해의 폯을 넓히려 한다.

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목차

Contents

1. Introduction --------------------------------------------------------------------------- 1
1.1. Biological carbon pump in the Southern Ocean --------------------------- 1
1.2. Physical settings of the Amundsen Sea, Antarctica ----------------- 2
1.3. Research objectives--------------------------------------------------------- 7

2. Methods -------------------------------------------------------------------------------- 9
2.1. Methodology ----------------------------------------------------------------- 9
2.2. Sample collection ----------------------------------------------------------- 10
2.3. Sample analyses ------------------------------------------------------------- 11
2.3.1. Elemental analyses ------------------------------------------------------ 11
2.3.2. Carbon isotope analyses --------------------------------------------- 12
2.3.3. Salt correction for sediment analysis ----------------------------- 13

3. Results -------------------------------------------------------------------------------- 18
3.1. Sinking Particle flux ------------------------------------------------------- 18
3.2. Carbon isotope ratios of sinking POC --------------------------------- 20
3.3. Suspended particles in surface water ----------------------------------- 21
3.4. Surface sediment ------------------------------------------------------------ 24
3.5. OC content and isotope ratios of sedimentary organic matter --- 24
3.6. Sediment and OC accumulation rate ----------------------------------- 27

4. Discussion ---------------------------------------------------------------------------- 30
4.1. Sources of sinking POC --------------------------------------------------- 30
4.2. Contribution of aged POC to sinking POC --------------------------- 32
4.3. Production of POC and preservation in sediment ------------------- 36
4.4. Alteration of stable carbon isotopes during vertical transit in
the water column ----------------------------------------------------------- 42

5. Summary and Future Studies ---------------------------------------------------- 45

Summary in Korean ------------------------------------------------------------------- 47
References -------------------------------------------------------------------------------- 49
Acknowledgements -------------------------------------------------------------------- 62
CV ----------------------------------------------------------------------------------------- 63

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