해양 산성화와 생태계 영향

대기 중 이산화탄소 농도 증가는 해양 산성화의 근본적인 원인이다. 산업 혁명 이후 화석 연료 연소와 토지 이용 변화로 인해 대기 중 이산화탄소 농도는 급격히 상승했다. 해양은 이러한 증가된 대기 중 이산화탄소의 주요 저장소 역할을 하며, 매년 인간 활동으로 배출되는 이산화탄소의 약 4분의 1을 흡수한다[2]. 이 과정은 해양 표면에서 일어나는 물리적 용해를 통해 이루어진다.

해수가 이산화탄소를 흡수하면 일련의 화학 반응이 발생한다. 해수에 용해된 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 형성하고, 이 탄산은 다시 수소 이온(H+)과 탄산수소염 이온(HCO3-), 그리고 탄산염 이온(CO32-)으로 해리된다. 이 반응에서 방출되는 수소 이온이 해수의 pH를 낮추어 산성도를 증가시키는 원인이 된다. 즉, 해양의 이산화탄소 흡수량이 증가할수록 수소 이온 농도도 함께 증가하여 해양 산성화가 촉진된다.

해양의 이산화탄소 흡수 능력은 수온과 해류 등 여러 요인의 영향을 받는다. 일반적으로 저수온일수록 기체의 용해도가 높아져 흡수량이 증가한다. 따라서 극지방 해역이 적도 지역보다 상대적으로 더 많은 이산화탄소를 흡수하는 경향을 보인다. 그러나 이로 인해 극지 해역의 산성화 속도는 다른 지역보다 더 빠를 수 있다. 시간이 지남에 따라 해양의 흡수 능력은 포화 상태에 이를 수 있으며, 이는 미래의 기후 변화에도 중요한 영향을 미친다.

해양 산성화의 핵심 화학적 메커니즘은 해수에 용해된 이산화탄소가 탄산 시스템을 통해 일련의 화학 반응을 일으키는 과정에 있다. 대기 중 이산화탄소가 해수 표면에 용해되면, 먼저 탄산(H₂CO₃)을 형성한다. 이 불안정한 탄산은 빠르게 해리되어 수소 이온(H⁺)과 탄산수소염 이온(HCO₃⁻)을 생성한다. 생성된 탄산수소염 이온은 추가로 해리되어 더 많은 수소 이온과 탄산염 이온(CO₃²⁻)을 만들어낸다.

이 반응 체인에서 방출되는 수소 이온의 증가가 해수의 pH를 낮추는 직접적인 원인이다. pH는 수소 이온 농도의 로그 척도로, 수소 이온이 증가하면 pH 값은 감소하며, 이를 산성화라고 부른다. 더 중요한 점은, 이 반응이 해수 내 이용 가능한 탄산염 이온의 농도를 동시에 감소시킨다는 사실이다.

탄산염 이온은 석회화를 통해 탄산칼슘(CaCO₃) 껍질이나 골격을 만드는 많은 해양 생물에게 필수적인 구성 요소이다. 해수의 화학적 상태는 일반적으로 포화 상태로 설명되며, 탄산칼슘이 용해되기 쉬운지 침전되기 쉬운지를 결정한다. 수소 이온 농도가 증가하면, 이들은 탄산염 이온과 결합하여 다시 탄산수소염 이온을 형성하는 방향으로 반응을 촉진한다. 이로 인해 탄산염 이온 농도가 낮아지고, 해수는 탄산칼슘에 대해 불포화 상태에 가까워진다. 불포화 해수에서는 생물이 탄산칼슘 골격을 형성하고 유지하는 것이 훨씬 더 많은 에너지를 소모하게 되며, 경우에 따라 기존 껍질이 용해되기 시작하기도 한다.

탄산칼슘에는 주로 방해석과 아라고나이트라는 두 가지 결정 형태가 존재한다. 아라고나이트는 방해석보다 화학적으로 더 불안정하여, 더 높은 탄산염 이온 농도를 요구한다. 따라서 아라고나이트로 껍질을 구성하는 생물군(예: 산호, 익족류, 요각류의 일부)은 방해석을 사용하는 생물군(예: 유공충, 따개비)보다 해양 산성화에 훨씬 더 취약한 것으로 알려져 있다[4].

해양의 pH 변화 모니터링은 주로 해수 표층의 pH 값을 정기적으로 측정하고 장기적인 추세를 분석하는 방식으로 이루어진다. 주요 관측 방법으로는 선박을 이용한 현장 측정, 부이 시스템, 그리고 위성 원격 탐사가 있다. 현장 측정은 정확한 pH 값을 제공하지만 공간적·시간적 범위가 제한적이다. 이를 보완하기 위해 ARGO 부이와 같은 자동화 부이 네트워크가 전 세계 해양에 배치되어 실시간 데이터를 수집한다.

장기 모니터링 결과, 산업화 이후 해양 표층수의 평균 pH는 약 8.2에서 8.1로 0.1 단위 하락한 것으로 나타난다. 이는 수소 이온 농도가 약 30% 증가했음을 의미한다[6]. 아래 표는 주요 관측 프로그램과 그 특징을 보여준다.

모니터링 데이터의 정확성과 일관성을 유지하기 위한 표준화 작업이 중요하다. 총 용존 무기 탄소(DIC)와 총 알칼리도(TA)를 정밀 측정하여 pH를 계산하는 방법과, 직접 pH 센서를 사용하는 방법이 병행된다. 최근에는 인공위성을 통해 해수 표면 온도와 엽록소 농도 등의 간접 데이터를 활용하여 pH 분포를 모델링하는 기술도 발전하고 있다. 이러한 모니터링은 해양 산성화의 속도와 공간적 패턴을 이해하고, 미래 변화를 예측하는 데 필수적인 기초 자료를 제공한다.

해양 산성화의 정도는 지역과 수심에 따라 뚜렷한 차이를 보인다. 일반적으로 표층수의 pH 감소율이 가장 크며, 극지방과 같은 차가운 해역에서 산성화가 더 빠르게 진행된다. 이는 저온의 해수가 대기 중 이산화탄소를 더 많이 흡수할 수 있기 때문이다. 또한, 연안 지역은 육지로부터의 담수 유입과 부영양화로 인한 생물 활동의 영향을 추가로 받아, pH 변동성이 크고 산성화가 가속화되는 경향이 있다.

수심에 따른 차이는 해수의 수직 구조와 순환에 의해 결정된다. 표층수는 대기와 직접 접촉하여 CO₂를 흡수하므로 변화가 가장 민감하게 나타난다. 중층과 심층으로 갈수록 해수의 알칼리도가 높아져 완충 능력이 상대적으로 크지만, 표층에서 시작된 산성화는 점차 깊은 곳으로 확산된다. 특히, 북태평양과 같은 해역에서는 이미 산소 최소층 근처의 중층수에서 심각한 산성화가 관측되고 있다[7].

이러한 공간적 불균일성은 생태계에 미치는 영향을 복잡하게 만든다. 일부 지역은 다른 지역보다 훨씬 빠르게 생물의 생존 임계점에 도달할 수 있으며, 이는 생물 다양성과 수산 자원의 분포 변화를 초래할 수 있다. 따라서 전 지구적 모니터링과 함께 지역별 특성을 고려한 세밀한 관측과 예측이 필수적이다.

해양 산성화는 탄산칼슘으로 껍데기나 골격을 만드는 석회화 생물에게 직접적이고 즉각적인 위협이 된다. 이들은 주로 방산충류, 코코리스포라, 유공충과 같은 석회질 플랑크톤과 산호, 이매패류, 복족류, 성게, 불가사리 등의 저서생물을 포함한다. 해수의 pH가 낮아지면 수중의 탄산이온 농도가 감소하는데, 이 이온은 아라고나이트나 방해석 형태의 탄산칼슘을 합성하는 데 필수적인 재료이다. 따라서 이온 농도가 낮아지면 생물은 더 많은 에너지를 소모하여 껍데기를 만들거나, 얇고 약한 껍데기를 생성하게 되며, 경우에 따라 용해되기도 한다.

영향은 생물의 종류와 생성하는 탄산칼슘의 결정 형태에 따라 다르게 나타난다. 일반적으로 아라고나이트를 사용하는 생물이 방해석을 사용하는 생물보다 더 취약하다. 대표적인 예가 산호이다. 산호는 아라고나이트로 골격을 구성하며, 해수 산성화는 골격 형성 속도를 늦추고 용해를 촉진하여 산호초의 구조적 무결성을 약화시킨다. 이는 전체 산호초 생태계의 쇠퇴로 이어진다. 패류 중에서는 굴이나 가리비 같은 이매패류의 유생기 영향이 특히 심각하게 보고된다. 낮은 pH 환경에서 유생은 변태에 실패하거나 정상적인 껍데기 발달을 이루지 못해 생존률이 급격히 떨어진다.

해양 생태계 기초를 이루는 석회질 플랑크톤의 변화는 광범위한 영향을 미친다. 표층에서 풍부한 코코리스포라 같은 식물성 플랑크톤의 껍데기 형성이 저해되면, 이들의 군집 구조와 분포가 바뀌며, 이들을 먹이로 하는 동물성 플랑크톤과 어류의 먹이 공급에 차질을 빚는다. 또한, 이 플랑크톤들이 죽어 해저로 가라앉는 탄소 순환 과정에도 변화가 생겨, 지구의 탄소 격리 능력이 저하될 수 있다. 아래 표는 주요 석회화 생물 그룹별 취약성을 요약한 것이다.

해양 산성화는 어류의 생리와 행동에 직접적이고 간접적인 영향을 미친다. 직접적인 영향으로는 혈액 내 이산화탄소 농도 증가로 인한 산-염기 균형 조절 장애가 있다. 이는 신진대사와 성장에 에너지를 더 많이 소모하게 만들어 결과적으로 생존률과 생식 성공률을 낮출 수 있다. 특히, 어류의 알과 유생 단계는 pH 변화에 매우 민감하여 부화율이 감소하고 기형 발생률이 증가하는 것으로 보고된다[10]. 또한, 일부 연구는 해수 pH가 낮아지면 어류의 후각 능력이 저하되어 포식자를 회피하거나 먹이를 찾는 능력이 떨어질 수 있음을 시사한다.

해양 포유류인 고래와 돌고래 등은 직접적으로 해수 화학 성분의 영향을 받지는 않지만, 먹이 사슬을 통해 간접적인 영향을 받는다. 이들이 주로 섭취하는 오징어나 특정 어류의 개체군이 산성화로 인해 감소하거나 분포가 변하면, 포유류의 먹이 확보에 어려움이 생길 수 있다. 더불어, 해양 산성화는 해수 내 음파 전달 속도를 변화시켜 수중 청각에 의존하는 이들 동물의 의사소통과 탐색 능력을 방해할 가능성도 제기된다.

장기적으로 볼 때, 해양 산성화는 어류 군집의 구성과 분포를 바꿀 것으로 예상된다. 내산성 종이 경쟁에서 우위를 점하게 되고, 특정 생태적 지위를 차지하던 종이 쇠퇴하면 전체 먹이망의 구조가 변하게 된다. 이는 결국 고래와 같은 최상위 포식자의 먹이원 가용성과 영양 상태에 영향을 미쳐 개체군 동태를 변화시킬 수 있는 잠재적 위협 요인이다.

해조류와 식물성 플랑크톤은 해양 생태계의 1차 생산자로서 중요한 역할을 한다. 이들은 해양 산성화로 인한 해수 pH 저하에 직접적으로 노출되며, 그 반응은 종에 따라 크게 다르다. 일부 규조류와 남조류는 높은 이산화탄소 농도에서 광합성 효율이 증가하여 성장이 촉진될 수 있다[11]. 반면, 석회조류와 같이 탄산칼슘으로 구성된 세포벽이나 골격을 가진 종들은 pH 저하로 인해 석회화 과정에 어려움을 겪어 생존과 번식에 부정적인 영향을 받을 수 있다.

해양 산성화는 해조류 군집의 종 구성 변화를 초래할 수 있다. 석회화 생물인 산호말과 같은 해조류는 쇠퇴할 가능성이 높으며, 이를 대신하여 비석회화 해조류가 우점하게 될 수 있다. 이러한 군집 변화는 서식처 구조와 연안 생태계의 기능에 광범위한 영향을 미친다. 예를 들어, 산호말이 형성하는 구조물은 많은 해양 생물들에게 중요한 서식처를 제공하는데, 이들의 감소는 생물 다양성에 타격을 줄 수 있다.

식물성 플랑크톤의 경우, 종별 반응 차이는 해양 탄소 순환과 먹이망에 중요한 의미를 지닌다. 일부 플랑크톤의 증가는 이산화탄소 흡수량을 일시적으로 늘릴 수 있지만, 이는 종 구성의 균형을 깨뜨린다. 변화된 플랑크톤 군집은 영양 가치가 낮아질 수 있으며, 이를 먹이로 하는 동물성 플랑크톤이나 어류 유생의 성장과 생존율에 영향을 줄 수 있다. 결국, 해양 산성화는 해조류와 식물성 플랑크톤을 통해 해양 생태계의 기초 생산 구조를 변화시키고, 이는 상위 포식자에 이르기까지 전체 먹이사슬에 파급 효과를 일으킨다.

산호초 생태계는 해양 생물 다양성의 핵심이자 연안 지역의 중요한 생태적, 경제적 자원으로, 해양 산성화에 특히 취약한 것으로 평가된다. 산호초를 구성하는 산호충은 해수에서 탄산칼슘을 석출하여 단단한 외골격을 만드는데, 이 과정인 석회화는 수소 이온 농도(pH)에 매우 민감하다. 해수 산성화는 탄산 이온의 농도를 감소시켜 산호의 골격 형성 속도를 늦추거나, 심한 경우 용해를 초래한다[12]. 이로 인해 산호의 성장이 억제되고 구조적 약점이 생겨 폭풍이나 백화 현상 같은 추가 스트레스에 대한 저항력이 크게 떨어진다.

산호초 생태계의 취약성은 단순한 골격 약화를 넘어 전체 군집 구조를 변화시킨다. 산호초는 다양한 어류와 무척추동물에게 서식처와 은신처를 제공하는 복잡한 3차원 구조를 형성한다. 산호의 건강이 악화되거나 구조가 붕괴되면 이에 의존하는 수많은 생물 종의 서식지가 사라지게 되어 생물 다양성이 급격히 감소한다. 또한, 산호와 공생하는 조류인 공생충모조류는 높은 수온과 산성화의 복합 스트레스에 민감하여, 이들이 산호 조직에서 배출되는 백화 현상이 더 빈번하고 심각하게 발생할 수 있다.

지역적 차이도 존재하지만, 전반적으로 열대 및 아열대 지역의 산호초가 가장 큰 위협에 직면해 있다. 다음 표는 해양 산성화가 산호초 생태계에 미치는 주요 영향과 그 결과를 요약한다.

이러한 변화는 단일 종의 문제를 넘어 산호초를 중심으로 한 전체 먹이망의 재편을 초래하며, 궁극적으로는 어업 자원과 연안 보호 기능을 포함한 생태계 서비스의 상실로 이어진다. 따라서 해양 산성화는 산호초 생태계의 장기적인 지속가능성에 대한 심각한 도전으로 인식된다.

해양 산성화는 해양 생태계의 먹이사슬 구조를 변화시킨다. 가장 직접적인 영향은 석회화를 통해 껍데기나 골격을 만드는 생물들, 즉 코코리스포라나 익족류 같은 석회화 플랑크톤, 그리고 이매패류 유생 등 기초 생산자나 초기 먹이망 구성원에게 나타난다. 이들의 개체수 감소 또는 분포 변화는 이를 먹이로 하는 소형 어류나 동물성 플랑크톤의 먹이 공급원을 위협한다. 결과적으로 먹이사슬의 하위 단계가 불안정해지면, 상위 포식자인 대형 어류나 해양 포유류까지 그 영향이 전달되는 영양계단 효과가 발생할 수 있다.

생물 다양성 측면에서는 종 간 경쟁 구도가 바뀌며 생태적 지위가 재편된다. 산성화에 취약한 종의 쇠퇴는 상대적으로 내성이 있는 종에게 기회를 제공한다. 예를 들어, 일부 해조류나 비석회화 식물성 플랑크톤은 증가된 이산화탄소 농도를 이용해 광합성을 촉진할 수 있어 우점종이 될 가능성이 있다[13]. 이로 인해 생태계의 종 구성이 단순화되고, 기능적 다양성이 감소할 수 있다. 특정 종에 의존하는 생태계 서비스, 예를 들어 산호초가 제공하는 서식지 기능이나 패류의 여과 기능 등이 약화된다.

지역 생태계의 회복 탄력성도 저하된다. 산성화는 종종 해수 온도 상승이나 빈산소 수괴 등 다른 환경 스트레스와 동시에 발생한다. 이러한 복합 스트레스는 생물이 적응할 수 있는 한계를 넘어서게 만들며, 생태계가 교란(예: 폭풍, 질병)을 견디고 원래 상태로 돌아가는 능력을 현저히 낮춘다. 결국, 해양 산성화는 생물 종의 분포, 개체군 동력, 종 간 상호작용을 근본적으로 변화시켜 해양 생태계의 구조와 기능을 장기적으로 변형시키는 주요 요인으로 작용한다.

해양 산성화는 수산업과 양식업에 직접적이고 심각한 경제적 피해를 초래할 수 있다. 주요 어획 대상인 조개, 굴, 가리비 등의 이매패류와 게, 바닷가재 같은 갑각류는 석회화를 통해 껍데기나 외골격을 형성하는데, 해수의 pH 저하는 이 과정을 어렵게 만든다. 이로 인해 유생의 생존율이 떨어지고, 성체의 껍데기도 약해져 성장이 둔화되거나 폐사율이 증가한다. 예를 들어, 미국 태평양 연안의 굴 양식장에서는 이미 산성화된 해수가 유입되어 유생 폐사가 빈번히 발생하는 사례가 보고되었다[15]. 이는 곧 생산량 감소와 수익 하락으로 이어진다.

어류에 대한 영향은 더 복잡하지만 간접적 피해가 우려된다. 먹이 사슬의 기초를 이루는 석회화 플랑크톤인 코코리스포라나 익조충류의 감소는 어류의 먹이 공급원을 위협할 수 있다. 또한, 일부 연구에 따르면 산성화된 해수는 대구, 넙치 같은 어류의 후각과 청각을 방해하여 포식자를 피하거나 먹이를 찾는 능력을 저하시킬 수 있다. 이는 장기적으로 어획량 변동을 초래할 수 있다.

이러한 생물학적 영향은 지역 경제와 국제 무역에까지 파급된다. 많은 연안 지역 사회는 수산업에 의존하고 있으며, 주요 수출 품목인 홍합이나 가리비의 생산 위기는 고용과 수입원을 위협한다. 또한, 해양 산성화는 지구 온난화 및 해수면 상승과 함께 작용하여 어장 환경을 추가로 악화시키므로, 복합적인 위험에 대한 대비가 시급한 상황이다.

해양 산성화는 산호초와 같은 해양 경관을 훼손하여 연안 관광 산업에 직접적인 타격을 준다. 많은 관광객이 모이는 지역의 산호는 백화 현상과 구조적 약화로 인해 그 매력을 상실한다. 이는 다이빙, 스노클링 등 해양 레저 활동을 중심으로 한 지역 경제에 심각한 영향을 미친다. 특히 관광 수입에 크게 의존하는 열대 및 아열대 지역의 섬나라들과 연안 공동체들은 경제적 기반이 위협받는 상황에 직면한다.

연안 지역은 해양 산성화와 다른 환경 스트레스 요인이 결합하여 더 큰 피해를 입는다. 예를 들어, 해수면 상승과 더 빈번해지는 폭풍 해일은 이미 산성화로 약화된 석호나 자연 방파제 역할을 하는 생물 구조물(예: 산호초, 패류 군집)의 보호 기능을 감소시킨다. 이로 인해 연안 침식이 가속화되고, 호텔, 리조트, 주택 등 연안 기반 시설이 피해를 입을 위험이 높아진다.

장기적으로는 해양 생태계의 변화가 관광 상품의 지속 가능성을 위협한다. 지역 사회와 정부는 관광 산업을 보호하기 위해 해양 보호구역 확대, 지속 가능한 관광 모델 개발, 그리고 기후 변화 완화를 위한 광범위한 정책에의 참여 등 적응 전략을 모색해야 한다.

기후 변화 완화 정책은 해양 산성화의 근본 원인인 대기 중 이산화탄소 농도 증가를 억제하는 것을 핵심 목표로 한다. 가장 중요한 국제적 협약은 파리 협정이다. 이 협정은 산업화 이전 대비 지구 평균 온도 상승을 2°C, 가능하면 1.5°C 이하로 제한하는 목표를 설정하며, 이를 위해 당사국들이 자발적으로 설정한 국가 온실가스 감축 목표를 제출하고 이행하도록 요구한다. 이산화탄소 배출을 줄이는 것은 대기 중 농도를 안정화시키고, 결과적으로 해양으로 유입되는 이산화탄소의 양을 줄여 장기적으로 해양 산성화 속도를 늦추는 데 기여한다.

주요 정책 수단은 에너지, 산업, 수송 부문의 화석 연료 사용을 줄이고 재생 에너지로 전환하는 것이다. 구체적인 조치로는 탄소 배출권 거래제나 탄소세와 같은 탄소 가격 책정 제도, 화력 발전소 규제 강화, 에너지 효율 기준 도입, 전기차 보급 확대 등이 포함된다. 또한, 블루 카본 생태계인 맹그로브, 염습지, 해초밭의 보전과 복원은 대기 중 이산화탄소를 직접 흡수·저장하여 해양 산성화 완화에 간접적으로 기여할 수 있다.

해양 산성화에 직접적으로 초점을 맞춘 정책은 아직 초기 단계에 있지만, 점차 주목받고 있다. 일부 국가와 지역에서는 해양 산성화 모니터링 네트워크를 강화하고, 연구 결과를 어업 관리에 반영하기 시작했다. 예를 들어, 패류 양식장의 위치 선정이나 관리 방법을 조정하여 산성화 영향을 최소화하는 적응 전략을 모색한다. 국제적으로는 유엔 지속가능발전목표의 목표 14.3이 "모든 수준에서 협력을 통해 해양 산성화의 영향을 최소화하고 대처한다"는 내용을 명시하고 있다.

해양 산성화에 직면한 생태계의 적응 잠재력을 평가하고 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행된다. 주요 초점은 생물 종의 진화적 적응 능력, 즉 유전적 변화를 통해 환경 변화에 대응할 수 있는 속도와 한계를 규명하는 데 있다. 실험실 연구와 현장 관찰을 통해, 일부 석회화 생물이 세대를 거듭하며 다소 높은 이산화탄소 농도에 내성을 발달시킬 가능성이 탐구된다. 그러나 이러한 적응은 종에 따라 크게 다르며, 특히 성장과 번식 주기가 긴 종의 경우 빠른 환경 변화 속도를 따라잡기 어려울 수 있다.

생태계 차원의 적응력 연구는 단일 종이 아닌 생물 군집과 먹이망 전체의 회복 탄력성을 조사한다. 예를 들어, 산호초에서 산호 자체의 쇠퇴는 다른 유형의 해조류나 해면동물 등 '승자' 종의 번성으로 이어질 수 있으며, 이로 인해 생태계의 기능과 서비스가 근본적으로 변모할 수 있다[17]. 연구자들은 이러한 군집 구조 변화가 생태계의 전체적인 생산성과 안정성에 미치는 영향을 모델링하고 예측하려고 한다.

적응력 향상을 위한 실용적인 연구도 이루어진다. 이에는 내산성 품종의 양식 및 재도입, 산호의 집단 유전학적 다양성 보존, 또는 해양 탄소 포집 및 저장 기술의 생태적 영향 평가 등이 포함된다. 이러한 연구는 기후 변화 완화 정책과 병행되어, 해양 생태계가 직면한 위협을 관리하고 회복력을 유지하기 위한 과학적 근거를 제공하는 것을 목표로 한다.