제6장 탄소 순환 시스템(해양·화학적 메커니즘 ② )
이산화탄소(CO₂) 해양·화학적 제거 메커니즘
해양 화학적 반응
이산화탄소(CO₂)가 해수에 용해되면 즉각적으로 화학적 반응이 일어난다. 이산화탄소는 물과 결합하여 탄산(H₂CO₃)을 형성하고, 이 탄산은 중탄산염 이온(HCO₃⁻)과 탄산염 이온(CO₃²⁻)으로 해리된다. 이는 해양의 탄산염-중탄산염 완충 시스템을 형성하여 해양의 pH와 CO₂ 흡수 능력에 중요한 역할을 한다.
‘탄산염-중탄산염 완충 시스템(carbonate-bicarbonate buffering system)’은 해양에서 중요한 화학적 완충 시스템으로, 해양의 pH를 안정적으로 유지하는 데 큰 역할을 한다. 이온화 과정에서 탄산염 이온과 중탄산염 이온의 비율이 해양 pH에 중요한 영향을 미친다. 특히, 중탄산염 이온이 해수 중 다량 존재하며, 해양의 pH가 급격하게 변하지 않도록 완충 역할을 한다. 정상적인 조건에서, CO₂가 해수에 용해되면 이온화 과정을 통해 세 가지 형태의 이온, 즉 중탄산염(HCO₃⁻), 탄산염(CO₃²⁻), 그리고 수소 이온(H⁺) 간의 비율은 균형을 이룬다.
그러나 CO₂가 과도하게 흡수되면, 이 이온 간 비율에 변화가 생겨 탄산염 이온 농도가 감소하고 수소 이온 농도가 증가한다. 이는 해양의 pH를 낮추고 해양 산성화를 촉진하여, 동시에 탄소 순환 시스템의 불균형을 초래할 수 있다.
이러한 변화는 특히 석회화 생물(예: 조개, 산호)에게 중요한 영향을 미친다. 탄산염 이온이 줄어들면, 이 생물들의 껍질이나 골격을 형성하는 데 필요한 자원이 부족해져 해양 생태계의 불안정을 초래할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 이온 간 비율이 균형을 이루든 그렇지 않든, 시간이 지나면 석회화 생물들은 죽어서 해저에 침전되고, 그들의 골격과 껍데기는 퇴적물로 고정된다. 이 퇴적물은 수백만 년에 걸쳐 압력과 열을 받아 화석 연료로 변환된다.
이렇게 고정된 탄소는 지구의 장기 탄소 순환 시스템의 일부로서 안정적으로 저장된다. 이후 지질 활동, 예를 들어 해저 화산 활동 등을 통해 다시 CO₂가 대기로 방출되며, 이 과정은 지속적으로 반복되며 탄소 순환은 계속 이어진다.
이온 농도 평형 변화
해양이 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 흡수하여 해수에 용해될 때 일어나는 일련의 화학적 반응은 다음과 같은 단계로 진행된다.
첫째, 대기 중의 CO₂가 해수에 용해된다. 둘째, 용해된 이산화탄소는 물(H₂O)과 결합하여 탄산(H₂CO₃)을 형성하고, 탄산은 불안정하여 빠르게 해리되며, 중탄산염 이온(HCO₃⁻)과 수소 이온(H⁺)을 방출한다. 중탄산염 이온은 추가로 해리되어 탄산염 이온(CO₃²⁻)과 또 다른 수소 이온(H⁺)을 방출한다.
이 과정은 해양이 CO₂를 흡수하고 저장하는 자연적 메커니즘의 핵심이다. 하지만 이 과정에서 중요한 것은 탄산의 해리로 수소이온이 2차에 걸쳐 방출되어 해양의 pH와 이온 농도 비율에 영향을 미치며, 해양 산성화의 주요 원인이 된다는 것이다.
정상적인 해수에서, 탄산염 시스템은 이 3가지 주요 이온 간의 균형으로 이루어진다. 이 과정에서 각각의 이온 간에 농도 비율의 평형이 형성되는데 이것을 화학적 평형 상태라고 한다.
이온 간 농도 비율의 평형은 해양 화학에서 매우 중요한 개념이다. 이 평형 상태는 해양이 CO₂를 흡수하고, pH를 안정적으로 유지하며, 탄소 순환을 조절하는 데 핵심적인 역할을 한다. 특히, 중탄산염(HCO₃⁻), 탄산염(CO₃²⁻), 그리고 수소 이온(H⁺) 사이의 농도 비율은 해양의 완충 시스템과 산성화 과정에 밀접한 관련이 있다.
첫째, 해양에서 중탄산염과 탄산염의 농도 비율은 수소 이온 농도를 조절하는 데 중요한 역할을 한다. 탄산염-중탄산염 완충 시스템은 이온 간의 평형을 유지함으로써 해양의 pH를 안정시킨다. 이 평형이 깨질 경우, 해양의 pH는 급격하게 낮아질 수 있으며, 이로 인해 해양 산성화가 가속화된다.
둘째, 이온 간 농도 비율은 해양이 CO₂를 얼마나 효율적으로 흡수할 수 있는지에 영향을 미친다. 탄산염 이온(CO₃²⁻)이 충분히 존재하면, 해양은 더 많은 CO₂를 흡수하고 이를 안정적으로 저장할 수 있다. 그러나 수소 이온(H⁺)이 증가하면 탄산염 이온이 감소하게 되어, 해양이 CO₂를 흡수할 수 있는 능력이 줄어들게 된다.
셋째, 석회화 생물에 미치는 영향이다. 해양에서 탄산염 이온의 농도가 충분해야, 산호, 조개류와 같은 석회화 생물들이 골격이나 껍질을 형성할 수 있다. 이 평형이 깨져서 탄산염 이온이 부족해지면, 이러한 생물들은 껍질을 형성하기 어려워지고, 이는 생태계의 건강과 다양성에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
넷째, 해양 완충 시스템의 붕괴와 관련이 있다. 이온 간 농도 비율이 평형을 잃으면, 해양의 완충 시스템이 붕괴될 수 있다. 이 완충 시스템은 해양이 외부로부터 받는 산성 물질을 중화하는 역할을 하며, 탄소 순환 시스템의 일부로서 이산화탄소를 안정적으로 처리한다. 이 평형이 깨질 경우, 해양은 더 이상 이산화탄소를 충분히 흡수하지 못하게 되고, 탄소 순환 시스템의 불균형을 초래할 수 있다.정상적인 해수에서는 위 3가지 형태의 탄산 계열 이온들이 다음과 같이 특정 비율을 이루며 존재한다.즉, 이온간 농도 비율이 평형을 이룬다.
· 중탄산염 이온(HCO₃⁻): 약 91%
· 탄산(H₂CO₃): 매우 적은 양 (약 1% 미만)
즉, 정상 상태에서는 중탄산염 이온(HCO₃⁻)이 압도적으로 많고, 탄산염 이온(CO₃²⁻)이 약간 있으며, 탄산은 매우 소량 존재한다. 정상 상태에서는 이 3가지 이온의 농도는 해양 pH 8.1~8.3 정도의 약알칼리성 범위에서 균형을 유지한다.
그러나 대기 중 CO₂ 농도 증가로 인해 CO₂가 대기에서 해양으로 더 많이 흡수되면서, 해양 내 이온 평형은 깨지게 된다. 중요한 점은 탄산염 이온(CO₃²⁻)의 농도가 감소한다는 것이다.
이것은 탄산염 이온(CO₃²⁻)이 해수에 존재하는 칼슘(Ca²⁺), 마그네슘(Mg²⁺) 등의 금속 이온과 결합하여 탄산염 광물, 특히 칼슘탄산염(CaCO₃)을 형성하여 조개, 산호, 석회조류와 같은 석회화 생물의 골격이나 껍데기를 만드는 데 사용되기 때문이다. 탄산염 이온의 농도 감소는 해양 탄소 순환 시스템에 많은 영향을 미친다.
이온 간 농도 비율의 불균형 메커니즘은 다음과 같다.
첫째, 대기 중 CO₂ 농도 증가로 인해 더 많은 CO₂가 흡수되고 용해된다. 이것이 해수와 반응하여 탄산(H₂CO₃)을 형성한다.
둘째, 탄산(H₂CO₃)의 이온화로 인해 중탄산염 이온(HCO₃⁻)과 수소 이온(H⁺)이 생성된다. 이때 수소 이온 농도가 증가하면서 해수의 pH가 낮아지고, 해양이 산성화된다.
셋째, 수소 이온(H⁺) 농도의 증가로 인해 탄산염 이온(CO₃²⁻)은 중탄산염 이온(HCO₃⁻)으로 더 많이 변환되기 때문에, 탄산염 이온의 농도는 감소하게 된다.
넷째, 해양 내 이온 평형이 깨지고 탄산염 이온(CO₃²⁻)의 농도가 감소하면서 정상 상태의 이온 농도 비율이 변화하게 된다.
다섯째, 산업화 이전 대비 150년 만에 이산화탄소 농도는 280ppm에서 420ppm으로 증가하면서 CO₂가 해양으로 더 많이 흡수되면서 탄산염 이온(CO₃²⁻)의 비율은 감소하고, 대신 중탄산염 이온(HCO₃⁻)의 비율이 증가하게 된다. 탄산(H₂CO₃)은 여전히 적은 양을 차지하지만, 해양의 산성화가 진행되면서 수소 이온(H⁺) 농도가 증가하게 되어 전체적으로 해양 pH가 낮아진다. 그 결과 다음과 같이 이온 농도 비율이 변하고 말았다.
· 중탄산염 이온(HCO₃⁻): 증가 (약 95% 이상)
· 탄산(H₂CO₃): 소폭 증가 (1% 이하)
산업화 이전에 정상 상태에서는 탄산염 이온(CO₃²⁻) 농도가 상대적으로 높고, 중탄산염 이온(HCO₃⁻)과 수소 이온(H⁺) 농도가 균형을 이루고 해양 pH는 약알칼리성(pH 8.1~8.3)을 유지했다.
하지만 CO₂ 흡수 증가로 탄산염 이온(CO₃²⁻) 농도는 감소하고, 중탄산염 이온(HCO₃⁻) 농도는 증가하여 수소 이온(H⁺) 농도가 급증해 해양 pH는 그동안 0.1단위 감소하여 현재 약 8.1이다.
이 변화는 작아 보이지만, 앞서 말한 것처럼 pH 척도가 로그 스케일이기 때문에, 이는 해양 산성도가 약 26% 증가했다는 것을 의미한다.1)
2024년 기준으로, 해양의 pH 수준은 평균 8.1로 유지되고 있지만, 만약 현재의 탄소 배출 추세가 계속된다면, 이 수치는 세기 말까지 7.8로 하락(산성도 100% 증가)할 것으로 예상된다.
산업화 이후 이온 간 농도 비율 변화
CO₂의 흡수로 인해 해양의 이온 평형이 변화하면,
첫째, 수소 이온의 농도 증가로 인해 해수의 pH가 낮아지고, 이는 해양의 산성화를 가속화한다.
둘째, 탄산염 이온(CO₃²⁻)의 농도가 감소하여, 석회화 생물이 탄산염을 사용하여 껍데기나 골격을 형성하는 데 어려움을 겪는다.
셋째, 석회화 생물들의 감소는 해양 생물 다양성에 직접적인 영향을 미치며, 해양 먹이사슬이 붕괴될 수 있다.
넷째, 해양 산성화와 이온 평형의 변화로 인해 해양의 탄소 흡수 능력이 한계에 도달할 수 있으며, 이는 대기 중 CO₂ 농도를 더욱 증가시킨다.
해양의 탄소 흡수 능력이 약화된다는 이유에 대하여 앞서 지구온난화 시리즈 14-제5장 지구온난화 효과(해양산성화) 편에서 설명한 것에 추가하여 화학적 반응의 결과로 다음과 같이 주로 4가지로 다시 구분할 수 있다.
첫째, 탄산염 이온의 농도가 감소하면, 해수는 더 이상 효율적으로 CO₂를 흡수하고 저장하는 능력을 상실하게 된다. 이는 CO₂가 더 많이 용해될수록 탄산염 이온은 줄어들고, 중탄산염 이온이 더 많이 형성되어 탄소를 해저 퇴적물로 장기적으로 고정할 수 있는 기회가 감소하기 때문이다.
둘째, CO₂가 해양에 흡수되면, 수소 이온(H⁺)이 증가하여 해양의 pH가 낮아지게 된다, 이는 해양 산성화라고 불리며, pH 감소는 해양의 화학적 특성에 중요한 영향을 미치고, pH가 낮아짐에 따라 수소 이온(H⁺)이 증가하고, 이는 더 많은 중탄산염 이온(HCO₃⁻)이 형성되지만, 탄산염 이온(CO₃²⁻)이 감소, 즉 이온 평형이 변화하기 때문에 해양이 대기에서 CO₂를 지속적으로 흡수하는 능력이 줄어든다. 이것은 해양 pH를 낮추어 해양의 CO₂ 흡수에 필요한 탄산염 이온의 공급을 줄이고, 전체적인 탄소 흡수 메커니즘을 악화시킨다.
셋째, 해양 내에서 탄산염 이온(CO₃²⁻)은 칼슘(Ca²⁺)과 결합하여 칼슘탄산염(CaCO₃)을 형성한다. 이 반응은 해양 생물이 석회화(껍데기, 골격 형성)에 필수적이며, 해양에서 CO₂를 장기적으로 고정하는 중요한 과정 중 하나다. 하지만 CO₂ 농도가 증가하고 해양 산성화가 진행됨에 따라, 탄산염 이온의 농도가 줄어들어 탄산 칼슘(CaCO₃) 형성 능력이 약화된다. 석회화 생물들이 껍데기나 골격을 제대로 형성할 수 없게 되면, CO₂를 생물학적으로 고정하는 과정이 방해받게 되고, 이는 해양 생물의 석회화 능력을 저하시키고, 이로 인해 해양의 탄소 흡수 및 저장 능력이 악화된다.
넷째, 탄산염 이온(CO₃²⁻), 중탄산염 이온(HCO₃⁻), 탄산(H₂CO₃)의 비율 변화는 해양의 화학적 평형을 깨뜨리며, CO₂의 흡수 및 저장 능력에 악영향을 미친다. 이는 이온 평형 변화로 인해 탄산염 이온이 줄어들고, 해양의 pH가 낮아져 더 이상 CO₂를 효과적으로 흡수할 수 없게 되고, 해양의 전체적인 탄소 흡수 능력을 감소시키기 때문이다.
이온 농도 변화의 결과
해양 산성화로 인한 이온 농도 비율의 변화는 해양의 이산화탄소(CO₂) 흡수 능력을 감소시키고, 석회화 생물들의 생존과 번식에 큰 영향을 미치며, 해양 생태계 전반에 악영향을 미친다.해양이 CO₂를 효과적으로 흡수하기 위해서는 중탄산염 이온(HCO₃⁻), 탄산염 이온(CO₃²⁻), 탄산(H₂CO₃) 3가지 형태의 탄산 계열 이온 비율이 적절히 유지되어야 하지만, CO₂ 과다로 인해 이 비율이 깨지면서 생태계 균형이 위협받고 있다.
따라서, 해양 생태계의 건강을 유지하고 지구 온난화를 막기 위해서는 CO₂ 배출을 줄여 해양의 pH와 이온 비율을 정상 상태로 유지하는 것이 매우 중요하다.
탄소의 침전과 고정
해양 화학적 메커니즘으로서 탄산염 '침전'과 해양 석회화 생물에 의한 칼슘 껍데기 '고정'은 해양의 탄소 순환 시스템에서 중요한 역할을 한다. 이것은 해양에서 대기 중 이산화탄소 제거의 마지막 단계라고 할 수 있다.
해양 생물, 특히 조개류나 산호와 같은 생물들은 해양에서 탄산염 이온(CO₃²⁻)을 이용해 탄산칼슘(CaCO₃) 껍질과 골격을 형성한다. 이러한 과정은 이산화탄소(CO₂)를 고정하여 해양 내부에서 안정적인 형태로 저장하는 데 기여한다. 해양 생물들이 형성하는 탄산칼슘은 시간이 지나면서 해저에 침전되어 장기적인 탄소 저장 역할을 한다.
탄산염 이온(CO₃²⁻)은 조개류나 산호 같은 해양 석회화 생물들의 골격이나 껍데기 형성에 사용되며, 이들이 죽은 후 그들의 유해는 유기물 형태로 해저에 퇴적된다. 이러한 침전 과정은 ‘생물학적 펌프’2)의 중요한 부분으로, 탄소는 대기에서 해저로 이동한다. 이는 CO₂ 제거 과정의 최종적인 단계라고 볼 수 있다.
탄소의 침전과 고정 단계를 요약하면 다음과 같다.
우선, 해양에서 이산화탄소(CO₂)가 물과 결합하여 탄산(H₂CO₃)을 형성하고, 이는 중탄산염(HCO₃⁻)과 탄산염 이온(CO₃²⁻)으로 해리된다. 탄산염 이온은 해수에서 다양한 해양 생물들(예: 조개, 산호, 석회조류)의 껍데기나 골격을 형성하는 데 사용된다.
다음으로 석회화 생물(소라, 전복, 산호, 조개, 홍합, 굴,성게, 불가사리 등) 은 탄산염 이온(CO₃²⁻)을 이용해 탄산칼슘(CaCO₃)으로 구성된 껍질과 골격을 만든다. 이 생물들이 죽으면, 이들이 형성한 탄산칼슘은 해저로 가라앉아 퇴적물로 고정된다.
마지막으로 퇴적된 탄산염은 해저에 축적되며, 시간이 지나면서 압력과 열에 의해 점차 퇴적암이 된다. 이 탄산염 퇴적물은 지구의 장기 탄소 저장고로 작용하여, 수백만 년 동안 탄소를 안정적으로 저장하는 역할을 한다.
이산화탄소(CO₂)의 해양·화학반응 메커니즘을 단계별로 정리하고 넘어가자.
① 대기 중에 있는 이산화탄소(CO₂)는 자연적으로 대기 순환에 의해 해수면으로 이동한다. ➠ ② 기류 순환을 통해 대기 중의 CO₂는 해수면과 접촉하며 해양으로 이동한다. ➠ ③ CO₂는 해수에 용해된다. ➠ ④ 용해된 CO₂는 물과 반응하여 약산성 물질인 탄산(H₂CO₃)을 형성한다. ➠ ⑤ 탄산(H₂CO₃)은 약산성으로 물속에서 쉽게 이온화되어 중탄산염 이온(HCO₃⁻)과 수소 이온(H⁺)으로 형성한다.(1차 이온화) ➠ ⑥ 중탄산염 이온(HCO₃⁻)은 다시 이온화되어 탄산염 이온(CO₃²⁻)과 수소 이온(H⁺)으로 형성된다.(2차 이온화) 이때 수소 이온(H⁺)이 방출되어 이온 농도 비율 평형 변화로 해수의 pH를 낮춰 해양 산성화를 유발할 수 있다. ➠ ⑦ 탄산염 이온(CO₃²⁻)은 해수에 존재하는 칼슘(Ca²⁺), 마그네슘(Mg²⁺) 같은 금속 이온과 결합하여 탄산염 광물, 예를 들어 탄산 칼슘(CaCO₃)을 형성한다. 이 반응에서 생성된 탄산 칼슘(CaCO₃)은 조개, 산호, 석회조류와 같은 석회화 생물의 골격이나 껍데기를 만드는 데 사용되고, 조개류, 산호 등 석회화 생물들은 죽으면 해양 바닥에 퇴적되며, 시간이 지나면서 퇴적물로 고정된다. 이후 퇴적된 유기물과 탄산염 퇴적물은 수백만 년에 걸쳐 압력과 열에 의해 석탄, 석유와 같은 화석 연료로 변환되며, 지구의 탄소 순환 시스템에 장기적으로 고정된다.🧭
하지만 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 흡수하고 제거하며 해저에 장기 고정되는 과정에서 해양은 여러 과정을 통해 CO₂를 다시 대기로 방출한다.
해양에서 이산화탄소 방출은 주로 해양 표층과 심층 해수의 상호작용에 의해 발생하며, 이는 주로 해수 온도와 기상 현상에 의해 좌우된다. 해양에서 CO₂ 방출이 주로 이루어지는 영역은 다음과 같다.
우선, 해양 표층이다. 가장 많은 CO₂ 방출은 해양 표층에서 발생한다. 대기와 해수 간의 이산화탄소 교환은 해양 표면에서 주로 일어나며, 해수면의 온도가 높을수록 CO₂는 더 많이 대기로 방출된다. 적도 태평양과 같은 따뜻한 해역에서는 해수의 온도가 높아 CO₂의 용해도가 낮기 때문에, CO₂가 대기로 쉽게 방출된다. 이 지역에서는 특히 엘니뇨 같은 기상 현상으로 인해 CO₂ 방출이 크게 증가한다. 전체 해양 CO₂ 방출의 80% 이상이 해양 표층에서 발생한다고 추정된다.
두 번째, 심층 해수에서 CO₂ 가 방출되는 경우는 주로 용승(upwelling) 과정에 의해 이루어진다. 용승은 깊은 해양의 차갑고 CO₂가 풍부한 해수가 표층으로 올라오는 현상으로, 이 과정에서 심층에 저장된 CO₂가 표층으로 이동하여 대기로 방출된다. 이는 특히 남극해나 북태평양 등에서 발생한다. 심층 해수는 일반적으로 차갑고 CO₂ 를 많이 함유하고 있으므로, 표층으로 올라오면 방출되는 CO₂의 양이 많다. 심층 해수에서의 CO₂ 방출은 전체 방출의 10~15% 정도로 추정된다.
그 다음으로 해저 퇴적층이다. 해저 퇴적층에서는 CO₂가 유기물의 분해 과정을 통해 발생할 수 있다. 유기물이 퇴적층에서 분해되면, 그 결과로 CO₂ 가 생성되며, 일부는 다시 해수로 이동하여 대기로 방출될 수 있다. 이러한 방출은 주로 해양 생태계와 관련된 생물학적 활동에 의해 일어난다. 해저 퇴적층에서 CO₂ 방출 비율은 1% 미만으로 추정된다.
해저 화산과 같은 지질학적 활동도 CO₂ 방출에 기여할 수 있다. 해저에서 화산 분출이 일어나면, CO₂ 가 대기로 방출되며, 이는 해양을 통해 CO₂ 가 자연적으로 방출되는 또 다른 경로다. 이러한 과정은 대기 중 CO₂ 농도에 장기적으로 영향을 미칠 수 있다. 해저 화산은 주로 중앙 해령과 같은 지질학적으로 활발한 지역에서 발생한다. 하지만 해저 화산 활동에 의해 방출되는 CO₂ 는 비교적 작은 비율을 차지한다. 1~2% 정도로 추정된다.
마지막으로 해양의 암반과 퇴적층이 침식되면서 CO₂ 가 방출될 수 있다. 예를 들어, 해안가의 탄산염 암석이 해수에 의해 침식될 때, 이 과정에서 CO₂ 가 방출된다. 이는 대기 중 CO₂ 농도와 해양의 산성도에 영향을 미치는 요인 중 하나다. 암반과 퇴적층의 침식으로 인해 발생하는 CO₂ 방출 비율은 지구 전체 탄소 순환에서 1% 미만으로 추정된다.(끝)
각주
1)"지구온난화 시리즈 14-제5장 지구온난화 효과(해양산성화)" 편 참조.
https://www.noaa.gov/education/resource-collections/ocean-coasts/ocean-acidification
ttps://www.ucsusa.org/resources/co2-and-ocean-acidification ↩
2) 지구온난화 메커니즘 16-제6장 탄소순환 시스템(생물학적 메커니즘) 편 참조 ↩
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