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[이론강좌 10] 다이빙 환경/바닷물의 성분
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물은 많은 종류의 물질을 녹일 수 있는 능력을 가진 액체이다. 그래서 바닷물 속에는 양의 많고 적음에 차이가 있지만 지구상에 있는 모든 원소가 다 녹아있다고 보아도 좋다. 100ppm이상 녹아있는 원소를 주요 원소라 하는데 염소, 나트륨 등 11개의 원소들이 이에 속하며 이들의 총량은 전 용존물질의 99.58%를 차지한다.
1∼100ppm사이의 양으로 녹아있는 원소들을 미량원소라 하고 1ppm이하의 양으로 녹아있는 원소들을 흔적원소라고 분류한다.바닷물 속에는 약 3.5% 또는 35ppm(part per thousand, 천분율)의 염분이 녹아 있다.
그리고 바닷물 속에 녹아 있는 물질 중에는 영양염이나 공기도 포함되는데 이들은 수중생물의 생태조건에 중요한 요소가 된다.
바닷물은 물에 약간의 염분이 녹아들어 있는 용액이므로 그 물리적 성질은 순수한 물과 큰 차이는 없다. 물은 열을 받으면 가열되어 온도가 상승하고 또 수증기로 증발한다. 다른 물질 특히 육지를 구성하고 있는 물질과 비교할 때 비열이 약 2배나 크다. 이것은 같은 태양열을 받아서 가열될 때 바닷물의 온도상승은 육지의 그것에 절반밖에 안 된다는 것을 의미한다. 거기다가 바다에서는 다량의 물이 증발하는데 증발의 잠열이 많이 소요되기 때문에 태양열 가열에 의한 온도상승이 억제된다. 이와 같은 물의 온도변화 억제기능이 지구기후에 미치는 영향은 지구생태계 유지에 필수불가결한 요소이다.
증발해서 대기 속으로 들어간 수증기의 역할 또한 중요한 것으로 첫째로 바다에서 증발하여 대기 속으로 들어온 증기를 바람이 육지로 운반하여 강수하고 이것이 흘러서 다시 바다로 들어가는 물의 대순환이 없으면 지구의 생태계는 유지될 수 없다.
또 대기 속의 수증기는 들어오는 태양광은 투명하게 통과시키지만 가열된 지표가 복사하는 열선은 차단 흡수함으로 온실효과를 발휘해 밤과 낮 사이의 기온차이를 완화한다. 이와 같은 물의 역할 때문에 물이 있는 행성, 지구만이 생물이 생존하는 생태계를 유지할 수 있는 것이다.
바닷물의 온도 변화차이는 훨씬 작다. 열대해역의 표면수온이 30℃ 정도이고 양극지방의 수온은 바닷물의 결빙온도인 -1.9℃이하로 냉각되지 않는다.
수온의 연직분포는 대체로 표면에서 아래로 내려갈수록 온도가 내려가는 모습을 나타내고 있는데 저위도에서는 표층과 심층의 수온차이가 심하지만 고위도에서는 그 차이가 매우 작다. 저층의 물은 극지방에서 생성되어서 가라앉은 물이기 때문에 그 수온이 -2℃정도까지에 이른다.
바닷물은 다양한 종류의 무기질과 유기질염류가 녹아있는 수용액이며, 바닷물 중의 물질들은 태초에 지구가 생성될 때 태고의 대기와 지구의 암석, 가스 및 우주먼지에 의해 생성되었다고 한다. 바닷물 중에 용해되어 원소들은 약 60여종이 있으며, 이중 11개의 주요성분이 약 99.9%로 구성되고, 나머지는 기타 미량의 성분으로 되어있다.
주요성분은 대부분 이온상태로 존재하지만 일부는 황산염, 중탄산염, 바륨산염의 형태로 되어있다. ------------------------------------------------------------------ 이온 기호 자유이온 전체 주요성분에 대한 중량비 ------------------------------------------------------------------ 나트륨 Sodium Na+ 99 30.62 마그네슘 Magneshim Mg2+ 87 3.68 칼슘 Calcium Ca2+ 91 1.18 칼륨 Potassium K+ 99 1.10 스트론튬 Strontium Sr2+ 90 0.02 -이온 Anions 염소 Chloride Cl- 100 55.07 황산염 Sulfate SO42- 50 7.72 중탄산염 Bicarbonate HCO2- 67 0.40 부로마이드 Bromide Br- 100* 0.19 바륨산 Brate H2BO3- 10* 0.01 불소 Fluoride F- 100* 0.01
바닷물 중에는 1ppm 이하의 적은 미량의 성분 들이 녹아있다. 자유이온, 쌍이온 상태로 있는것도 있지만 대부분이 유기화합물로 존재하며, 일부는 수산화물, 염화물 또는 불화복합물로 되어있다.
인공적인 해양수족관에 사용할 인공의 바닷물을 만들 때 주요성분과 영영염의 농도를 정확하게 맞출수는 있지만, 혼합물인 이 미량성분 이온농도를 정확하게 조절하기가 어려워 해양생물이 생존하기가 매우 어럽다.
이와같이 비록 미량이지만 미량성분들이 해양환경을 적절하게 유지하기 위해 매우 중요함을 알 수 있다.
영양염류는 질산염(NO3--), 인산염(PO4--) 및 규산염(SiO3--)으로 존재한다. 이 영양염이온들은 바다의 비료로서 역할을 하게되며, 식물의 성장에 필요하다. 소량으로 존재하는 유기화합물은 용해된 분자 및 콜로이드 상태로 나타나며, 이 유기화합물은 탄수화물, 단백질, 분해생성물, 지방물질, 비타민, 식물성장호르몬 및 분해생성물 등 복잡한 반응에 의해 형성된 대사물질들이다.
특히 지방산은 해저의 저질(뻘)과 상호작용에 의해 신속하게 Kerogen을 형성하며, 이 Kerogen은 비교적 비활성적인 복합물로서 서서히 원유를 내포하는 화합물을 생산한다.
다음의 표는 바닷물에 용해된 영양염이온의 평균농도를 나타낸다. 바닷물에 녹아있는 영양염 중 실리콘과 탄소의 농도가 매우 높다. 그리고 생물체중, 침전물, 유기물에서의 영양염성분비를 보면 오래된 침전물에 탄소와 질소의 성분비가 높다. 따라서 저질에 영양염류가 많이 있으므로 연안양식에서 저질이 매우 중요한 작용을 할 수 있다.
바닷물 1Kg 중에 녹아있는 총염류의 양을 g수로 나타낸 것(0/00: Permilli(퍼밀리); 천분율)을 말한다. 즉 바닷물 중의 모든 탄산염(Carbonate)을 산화물(Oxide)로 바뀌고, 취소(Bromine)와 옥소(Iodine)가 염소(Chlorine)으로 취환되거나 또 모든 유기물(Organic matter)이 완전히 산화(Oxidize)될려고 할 때 바닷물 1kg 속에 녹아있는 고체물질들의 총량을 말한다.
바닷물의 34.698g/kg를 34.6980/00로 표시한다. 홍해의 염분은 400/00, 북해 330/00 이고 전 바닷물의 평균염분은 350/00정도 이다. 해양의 75% 범위에서 염분도 범위가 34.500/00 - 35.000/00에 있다. 태평양에서는 바닷물의 반이 34.60/00 - 34.70/00에 있고, 깊은 태평양에서는 300S에서 34.700/00, 400N에서 34.670/00`인 0.030/00 정도 차이로 작지만, 수괴(Water mass)가 고염에서 저염해역인 북쪽으로 이동하여 바닷물순환을 일으킨다.
따라서 강하구가 있는 연안에서 바닷물의 염분도의 차이에 의한 바닷물순환이 생기므로, 염분도의 정확한 측정이 매우 중요하다.
외양수의 화학적 조성은 일정하기 때문에 바닷물의 주요염류는 항시 일정한 비를 갖는다. 따라서 바닷물의 염분을 알기 위해서는 주요성분 중 하나의 농도만을 측정하면 된다(질산은측정법에 의한 염소량측정). 염소량(Cl; Chlorinity)은 취소, 옥소 등 할로겐 원소를 염소로 바꾸었을 때 바닷물 1kg 중에 존재하는 염소의 전량을 gr수로 표시한 것이다.
(참고: 영국군함 Challenger호(1872-1876)가 전대양의 77곳에서 채집한 바닷물표본을 분석한 결과 바닷물 중의 각 염류의 조성비율이 해양 어디에서나 일정함을 발견)
해양은 대기와 직접 접촉하고 있으므로 대기 중의 기체가 자유롭게 해양으로 용해되어 들어갈 수 있고, 바닷물에 녹아있는 용존기체들이 바닷물의 증발에 의해 대기로 들어 갈 수 있다. 이때 수압의 증가, 염분의 감소, 수온의 하강은 해면에 들어온 기체의 용해를 증가시킨다. 또한 바닷물 중에 있는 식물, 플랑크톤과 박테리아에 의해 용존기체 들의 농도가 크게 좌우된다.
대기의 주요구성원소는 질소(78%), 산소(21%), 아르곤(0.9%), 이산화탄소(0.03%), 수증기와 소량의 기체(Neon, Kryton, Helium, Radon, Xenon) 들이다.
바닷물 중에 녹아 있는 기체는 산소(O2), 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 등이며, 대기 이외에서 기인한 용존기체량는 매우 적은 양인데, 해저로부터 용존질소이온에 박테리아가 작용하여 약간의 질소가 형성되고, 아르곤, 칼륨, 라듐, 우라늄 등의 원소들은 방사능감쇄의 생성물이다.
해면에서 대기와의 접촉에 의한 산소의 진입과 식물의 광합성작용을 통한 산소의 방출에 의해 용존산소량(DO; Dissolved Oxygen)이 포화상태가 되며, 광합성작용이 최대일 때 바닷물 중의 산소가 과포화상태가 된다. 바닷물면에서는 표준기압(1000mb; 1기압)하에서 바닷물 중의 용존산소량의 포화치는 염소량과 수온에 따라 달라진다.
바닷물면에서의 용존산소량은 표면수와 기포의 혼합, 광합성생성물 (예, 식물성플랑크톤 수의 증가)에 의해 유지되며, 수심이 깊을수록 동물(고기, 동물성플랑크톤 등)의 호흡, 유기물의 분해가 산소를 소모시켜 용존산소량이 감소한다. 용존산소는 수심에 따라 감소하며, 약 700m 수심에서는 최소치를 나타낸다.
그러나 800m 이하 수심의 저층수의 용존산소량이 중층수 보다 약간 증가하는데 이것은 최근까지의 표층수가 저층으로 이동하여 저층수를 형성하게 되었기 때문이다. 바닷물 중의 유기물질의 분해작용은 산소의 농도에 좌우되므로, 용존산소량이 많으면 바닷물의 청정도가 높다(예; 7ml(약 7ppm)상태는 매우 청청한 바닷물이며, 1ml(약 1ppm)은 매우 부패된 바닷물다).
바닷물 중의 용존질소의 분포는 온도, 염분, 해류의 혼합에 의해 좌우된다. 질소는 비교적 불활성 기체로서 바닷물 중의 농도는 8ml/l - 15ml/l 정도 인데, 바닷물이 대기 중의 질소에 의해 포화된 상태에서 있을 수 있는 농도이다. 바닷물의 질소순환은 유기체와도 관련이 있는데 특히 해조가 대기 중의 질소를 결합하는 능력이 있기 때문이다.
식물과 동물은 호흡시에 이산화탄소를 방출하고, 식물은 광합성작용시에 이를 흡수한다. 바닷물 중에 용해된 이산화탄소는 이산화탄소, 수소이온, 탄산염이온, 중탄산염이온, 퇴적물 중의 고체탄산칼슘 사이에 평형상태가 성립한다.
생물학작용은 바닷물 중의 이산화탄소 양을 변화시키지 못한다. 과잉이 생기면 탄산칼슘이 용해되고, 부족하면 탄산칼슘이 침전하는 반응(탄산원형계통)을 하며, 바닷물에 용해된 이탄화탄소의 양을 일정하게 45 - 54ml/l을 유지하게 한다.
대기 중의 이산화탄소는 대양수(Ocean)에 용해된다. 이것은 수온과 염분에 의해 용해력에 차이가 있다. 바닷물에는 막대한 양의 용해CO2, 탄산염이온, 원형질, 고형의 탄산염을 내포하고 있어, 대기중의 이산화탄소 양이 이로 인해 조절된다.
대기 중의 이산화탄소는 태양의 복사에너지를 통과시키고, 지구로부터 나오는 장파복사에너지를 흡수하여 지구의 지표 부근의 기온을 일정하게 높혀주는 온실효과를 유발하는 중요한 기체이므로 기온의 상승에 매우 중요하다.
대기의 이산화탄소에 흡수된 열이 대부분은 대양에 저장된다. 따라서 대기와 바닷물 중의 이산화탄소량의 균형이 이루워지게 되고, 평균온도도 년중 어느 정도 일정하게 유지된다. 이 균형은 대기의 온도를 조절하게 되고, 대기 중의 수증기의 양을 조절되므로, 결국 바닷물의 증발량과 대기로 부터의 강수량를 조절하게 된다.
이산화탄소는 대류와 확산에 의해 분포되며, 또한 바닷물표면과 해저를 통한 교환 및 생화학적 반응에 좌우된다.
산소의 안정상동위원소 O16은 일반동위원소 O16보다 큰 질량을 갖이며, 보다 불활성이다. 이것은 생화학반응시에 분리되어 유기체는 바닷물 중에서보다 적은 O18/O16의 비를 갖는다. 온도가 높고 무거운 동위원소는 더 불활성이므로 O18/O16 비는 온도에 따라 증가한다. 고대 해양유기체에서 O18/O16 비를 시험하여 바닷물의 고대온도를 탐지하는데 이용하기도 한다.
기타 기체는 비활성인 기체들이며, He, Ne, Ar, Krypton, Xenon, Ra는 대기로부터 바닷물로 용해된다. 한번 용해되면 해면으로부터 혼합되어 멀리 이동하게 된다. 이 기체들은 확산과 대류에 의해서만 분포하는데 비교적 비활성이므로 생화학적 반응에 개입하지 않기 때문이다.
NAUI Course Director NAUI Nitrox diving Instructor ASHI CPR Instructor 김승규
팀 드레이크/team DRAKE
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바닷물 중의 용존기체
산소