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- 바다가 계속 따뜻해지면 수화물 퇴적물의 위쪽 가장자리만 녹을 것
- 가정 잘못: 전 세계 가스 수화물 저장소의 3.5%, 위만 빠져나갈 것
- 메탄 수화물이 잠재적으로 취약한 수심 구역 아래도 가스 배출할 수 있다는 사실 발견

“Pockmarks 함몰 흔적”: 메탄 배출원이 과소평가되었나?
함몰은 해저에 있는 메탄 수화물의 예상치 못한 높은 취약성을 드러낸다.

위험을 과소평가했을까? 많은 해안의 해저에 저장된 메탄 수화물은 이전에 생각했던 것보다 분명히 더 취약하다. 이 "불타는 얼음"은 가장 따뜻한 상부 지역에서 녹을 수 있을 뿐만 아니라 메탄을 방출할 수도 있다. 모리타니아의 관측 결과에 따르면 낮은 고도에서도 가스 하이드레이트가 동원될 수 있다. 연구원들이 "Nature Geoscience"에서 보고한 바와 같이, 점진적인 온난화는 예측보다 더 많은 수화물 퇴적물에서 기후에 해를 끼치는 메탄을 더 많이 방출할 수 있다. 

▲ 메탄 수화물은 많은 대륙 해안선을 따라 해저에서 발견된다. 얼어붙고 압력을 받는 한 안정적이다. 그러나 가열되면 메탄 가스가 방출된다. © GEOMAR

대륙 가장자리를 따라 있는 해저에는 지구상에서 가장 큰 탄소 함유 온실가스 저장고 중 하나인 메탄 수화물이 있다. 수십억 톤의 메탄이 이 새장 모양의 분자에 저장되어 있으며 추위와 압력에 의해 안정화된다. 그러나 해저가 따뜻해지면 가스 수화물이 녹고 강력한 온실가스가 방출된다. 이는 미국 해안, 일본 앞바다, 심지어 북극해를 포함하여 대륙붕 경사면의 여러 장소에서 이미 발생하고 있다.

가스 하이드레이트로 인한 기후 위험은 얼마나 높은가?

이전에 과학자들은 바다가 계속 따뜻해지면 수화물 퇴적물의 위쪽 가장자리만 녹을 것이라고 가정했다. 이 구역의 깊이는 약 450~700m이다. "그러나 이는 전 세계 가스 수화물 저장소의 3.5%만을 차지한다. 더 깊은 수화물에서 메탄이 빠져나갈 가능성은 미미한 것으로 여겼다"고 뉴캐슬 대학의 리챠드 데이비스Richard Davies와 그의 동료들은 설명했다.

▲ 미래의 기후 온난화 기간으로 인해 발생하는 HDZ가 대륙 가장자리 클린노폼에 의해 횡단되어 메탄이 대륙붕 가장자리로 이동하고 해양 수화물의 육지 한계를 넘어 배출될 수 있음을 보여주는 단면도 (출처: 관련논문 Long-distance migration and venting of methane from the base of the hydrate stability zone / nature geoscience)

이제 이 가정은 잘못된 것으로 판명될 수 있다. Davies와 그의 팀은 메탄 수화물이 잠재적으로 취약한 수심 구역 아래에서도 가스를 배출할 수 있다는 사실을 발견했다. 이에 대한 첫 번째 증거는 모리타니 해안의 대륙 경사면에서 얻은 지진 데이터에서 나왔다. 그들은 아프리카 대륙붕 가장자리에 있는 약 64km 길이의 띠 모양의 해저 구조를 보여주었다. 그곳의 해저 수심은 330m에서 2,100m 깊이까지 내려간다. 이 지역의 메탄 수화물 퇴적물의 위쪽 가장자리는 깊이가 약 640m이다.

메탄 하이드레이트 지대 너머의 “포마크”

이미지에는 해저에 23개의 커다란 분화구 모양의 "함몰 흔적"이 있는 것으로 나타났다. 이러한 분화구는 일반적으로 메탄 수화물이 불안정해지고 다량의 메탄이 해저에서 빠져나가는 장소를 표시한다. “모리타니아에서 발견된 이 분화구들은 폭이 900~1,600m이고 깊이가 20~50m이다”고 연구원들은 보고했다. 일부 "함몰 흔적"은 퇴적물로 덮여 있었지만 다른 것들은 신선한 것처럼 보였다.

이상한 점은 그러한 "함몰 흔적"이 일반적으로 메탄 수화물의 취약한 구역, 즉 수화물의 상부 바퀴가 침전되는 구역에서만 발생한다는 것이다. 그러나 모리타니아 외곽의 연구 지역에서 이러한 분화구는 메탄 누출이나 메탄 수화물이 있을 가능성이 없는 해저 지역인 가스 수화물 구역보다 훨씬 위에 위치했다. 어떤 경우에는 Davies와 그의 팀이 보고한 것처럼 "함몰"이 메탄 수화물 한계에서 내륙으로 최대 40km 떨어진 곳에 있었다.

▲ 유사한 특성을 지닌 대륙 가장자리에 위치한 수화물 지역42의 예를 포함하여 전 세계 이론적 가스 수화물 안정대41의 계산된 두께. 녹색 점 – 단순 등급 마진의 존재에 대한 지진 증거32,43,44,45,46; 빨간색 점 – BHSZ의 딥 > 지층의 딥4,15,20,30,32,43,45,47,48,49인 해양 수화물의 육지 한계에 대한 지진 증거; 파란색 점 – BHSZ는 대륙 경사면의 지층과 거의 일치합니다4,20,30,32,43,44,45,46,48,50; 검은 점 – 해양 수화물의 육지 한계를 훨씬 넘어서는 자국(최대 10km).

지하 메탄 수송

그런데 이러한 가스 누출은 어떻게 발생하게 되었을까? 지진 데이터를 면밀히 분석한 결과, 분화구에서 새어 나오는 메탄은 현지 소스에서 나오는 것이 아니라 훨씬 더 깊은 수화물 퇴적물에서 나오는 것으로 나타났다. "이러한 '함몰 흔적'은 대륙 경사면의 가장 깊은 부분에서 나오는 수화물에서 빠져나가는 메탄에 의해 형성되었다"고 Davies는 설명한다. 따라서 가스는 메탄 수화물 퇴적물의 가장자리에서 나온 것이 아니라 퇴적물의 투과성 층을 통해 더 아래 지역에서 위쪽으로 운반되었다.

▲ 가스 하이드레이트는 내부에 메탄을 가두는 케이지 모양으로 배열된 얼어붙은 물 분자로 구성된다. 1. 가스분자 2. 물분자 © Jens Greinert/GEOMAR

이 가정은 다른 대륙 해안에 있는 많은 양의 "함몰"에 의해 뒷받침된다. “예를 들어 미국 대서양 연안의 바깥 대륙붕과 대륙 상부 경사면에서 수천 개의 마마 무늬가 발견되었다”고 Davies와 그의 동료들은 보고했다. 캘리포니아주 태평양 연안의 해저에서도 수천 개의 함몰이 발견됐다. 그러나 지금까지는 메탄 수화물 구역 외부에 있는 것으로 추정되기 때문에 그 원인이 무엇인지 대부분 불분명했다.

예상보다 큰 제상 잠재력

공동저자인 킬 소재 GEOMAR 헬름홀츠 해양 연구 센터의 크리스티안 베른트(Christian Berndt)는 “이것은 중요한 발견이다”고 강조했다. "지금까지 연구는 수화물 안정 구역의 가장 얕은 부분에 초점을 맞추었다. 왜냐하면 이 부분만이 기후 변동에 반응한다고 생각했기 때문이다." 그러나 새로운 데이터에 따르면 수화물 퇴적물의 더 깊은 부분도 분명히 취약하고 메탄을 방출한다는 것을 시사한다.

이는 대륙 해안을 따라 있는 메탄 수화물이 이전에 생각했던 것보다 더 많은 메탄을 방출할 수 있음을 의미한다. “지금까지 수화물 매장지 중 약 3.5%만이 잠재적인 기후 동인으로 간주되었다”고 Davies와 그의 팀은 썼다. "그러나 이제 밝혀진 바와 같이, 이러한 가스 수화물의 더 깊은 96.5% 중 일부는 따뜻한 바다에서 메탄 방출에 기여할 수도 있다." 따라서 이 확장된 저장소는 향후 기후 관련 메탄 누출 추정치에 포함되어야 한다.

<더 깊은 가스 수화물도 메탄을 방출할 수 있다.© 뉴캐슬 대학교>

대기까지의 더 짧은 경로

또한, 해저의 메탄이 수화물 구역에서 더 얕은 지역으로 이동하면 더 많은 메탄이 대기로 유입될 수 있다. 가스 배출구 위의 물 층이 얇을수록 해수가 흡수하고 차단하는 가스의 양이 줄어든다. 또한 기후 변화가 계속 진행되면 이전에 추정했던 것보다 더 많은 메탄이 대기에 유입될 수 있다.
Berndt는 “기후 시스템에서 수화물의 역할을 더 잘 이해하려면 이 문제의 근본 원인을 확실히 파악해야 한다”고 말했다.
(Nature Geoscience, 2023; doi: 10.1038/s41561-023-01333-w)
출처: Newcastle University, GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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