▲ 대기 중 이산화탄소 현재 농도(왼쪽) 및 4배증(오른쪽) 조건에서의 북극해 3월 중규모 수평 교란 비교. 중규모 수평 교란은 유한 크기 리아프코프 지수(FSLE)를 이용해 정량화하였다. FSLE가 높은 값을 가질수록(밝을수록) 수평 교란이 더 강하게 나타남을 의미한다./부산대   © 배종태 기자

 

[브레이크뉴스=배종태 기자] 지구온난화의 가속화로 극지방의 해빙이 전례 없는 속도로 빠르게 녹고 있다. 이에 따라 해류의 흐름이 불안정해지며 앞으로 극지 바다가 더욱 거세게 요동치고, 불안정해질 것이라는 분석이 제기됐다. 

 

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 기후물리 연구단 악셀 팀머만 단장(부산대 석학교수) 연구팀은 초고해상도 지구 시스템 모델 시뮬레이션을 통해 인간에 의한 온난화가 해빙을 빠르게 녹여, 바다의 ‘중규모 수평 교란 현상’이 더욱 강화될 것이라고 밝혔다.

 

‘중규모 수평 교란(mesoscale horizontal stirring)’은 바람, 해류, 그리고 바다 속 소용돌이 등이 만들어내는 거대한 물결 섞임 현상이다. 수십에서 수백 킬로미터 규모로 바닷물이 수평 방향으로 휘저어지며, 열과 영양분이 퍼지고 플랑크톤이나 어란·유충, 미세 플라스틱과 같은 오염 물질 확산에도 영향을 미친다.

 

하지만 이러한 극지 해양의 변화를 직접 관측하는 일은 쉽지 않다. 특히 지구온난화가 극지역 소규모 해류와 해양 생태계에 미치는 영향을 정량적으로 규명하는 일은 여전히 어려운 과제로 남아있다. 지리적 한계로 관측이 제한되고, 위성 관측 자료로는 중규모 해양 과정을 정밀하게 파악하기 어렵기 때문이다.

 

이에 연구팀은 IBS 슈퍼컴퓨터 알레프(Aleph)를 활용해 초고해상도 기후모델(CESM-UHR)을 이용한 시뮬레이션을 수행했다.  **CESM-UHR : 완전 결합 기후모델로 대기–해빙–해양 구성 요소를 통합하고, 대기 0.25⁰, 해양 0.1⁰의 수평 해상도를 통해 기후시스템 내 상호작용을 보다 현실적으로 재현한다.

 

온난화 심할수록 해류 교란 가속

대기 중 이산화탄소 농도를 현재 수준, 2배, 4배로 설정해 비교한 결과, 이산화탄소 농도가 높아질수록 북극과 남극 연안의 바다가 더욱 거세게 요동쳤다. 온난화가 심화될수록 중규모 수평 교란이 뚜렷하게 증가하는 것이다. 

 

연구진은 이 현상을 정량화하기 위해 ‘유한 크기 리아푸노프 지수(Finite-Size Lyapunov Exponent, FSLE) 유한 크기 리아프노프 지수[finite-size Lyapunov exponents(FSLE)]’를 활용했다. **FSLE 지수는 유체의 입자 간 분리 속도를 정량화하는 지표로 두 입자가 일정 거리에서 출발해 더 큰 거리로 벌어지는 데 걸리는 시간을 이용해 계산된다. 값이 커질수록 공간적으로 더 빠르게 분리됨을 의미한다. 

 

이 지수는 가까운 두 유체 입자가 얼마나 빠르게 분리되는지를 보여주며, 값이 클수록 교란이 강화되며 해수의 움직임이 더 활발해지는 것을 의미한다.

 

시뮬레이션 결과, 지구온난화로 인한 해빙의 급격한 감소가 미래 북극해 및 남극 연안 해역의 해류와 난류를 강화하며, 바닷물의 수평 교란을 가속화하는 것으로 나타났다. 

 

북극과 남극, 교란의 원인은 달라

더불어, 연구진은 북극과 남극에서 교란이 강화되는 원인이 서로 다르다는 점을 밝혀냈다. 북극해에서는 해빙이 줄면서 바람이 해수를 더 강하게 밀어 표층 순환류와 난류를 강화시키는 반면, 남극 연안 해역에서는 녹은 해빙에 의한 담수 유입이 해수의 밀도 차이를 키워 해류 세기와 교란을 강화시키는 것으로 나타났다.

 

이규석 제1저자는 “대륙에 둘러싸인 북극해와 남극 연안 해역의 대조적인 지리적 구조 차이는 해수의 수평 교란 변화를 결정하는 역학 과정에서 근본적인 차이를 가져온다. 그럼에도 지구온난화가 지속될 경우, 두 해역 모두에서 수평 교란이 크게 강화될 것으로 예상된다”라고 설명했다. 

 

교신저자인 이준이 부산대학교 기후과학연구소 교수는 “미래 극지 해양 수평교란의 증가는 어란⦁유충의 생존을 포함해 극지 해양 생태계에 큰 영향을 미칠 수 있다”라고 덧붙였다. 

 

악셀 팀머만 연구단장은 “현재, 우리 연구단에서는 기후와 생명의 상호작용을 보다 효과적으로 통합하는 차세대 지구 시스템 모델을 개발 중이다. 이를 통해, 극지 생태계가 지구온난화에 어떻게 반응하는지에 대한 이해를 높일 수 있을 것"이라고 향후 연구계획을 밝혔다.

 

이번 연구 결과는 지난 5일(한국시간 오후 7시) 국제학술지 ‘네이처 클라이밋 체인지(Nature Climate Change, IF 27.1)’에 게재됐다.

 

[Here is a natural English translation] Melting Polar Sea Ice Accelerates Oceanic Turbulence under Global Warming  

**IBS climate physicists simulate high-resolution Earth system model to uncover stronger mesoscale disturbances in polar seas**

 

As global warming accelerates, sea ice in polar regions is melting at an unprecedented rate. This rapid loss of ice is increasing the instability of ocean currents, suggesting that the polar oceans will become more turbulent and dynamic in the years ahead.  

 

A research team led by Director Axel Timmermann of the Center for Climate Physics at the Institute for Basic Science (IBS) and Distinguished Professor at Pusan National University found through ultra‑high‑resolution Earth system simulations that human‑induced warming accelerates sea‑ice loss, thereby intensifying the ocean’s “mesoscale horizontal stirring.”  

 

Mesoscale horizontal stirring refers to large‑scale water‑mixing processes driven by winds, currents, and oceanic eddies. These phenomena, which occur on horizontal scales of tens to hundreds of kilometers, distribute heat and nutrients throughout the ocean and influence the dispersion of plankton, fish eggs, larvae, and microplastics.  

 

Directly observing such processes in polar oceans remains challenging due to geographical constraints, and satellite data have limited ability to capture small‑scale oceanic motions with fine detail.  

 

To address these limitations, the IBS researchers ran ultra‑high‑resolution climate simulations using the supercomputer Aleph. The model employed, CESM‑UHR (Community Earth System Model – Ultra High Resolution), is a fully coupled system integrating atmosphere, sea ice, and ocean components. With horizontal resolutions of 0.25° for the atmosphere and 0.1° for the ocean, it realistically reproduces interactions within the climate system.  

 

More carbon dioxide, stronger oceanic mixing  

The team compared three scenarios in which atmospheric carbon dioxide concentrations were set at current levels, twice, and four times the present amount. The results showed that higher CO₂ levels led to more intense turbulence and horizontal disturbances along the Arctic and Antarctic coastlines. The more severe the warming, the stronger the mesoscale horizontal stirring observed in the simulations.  

 

To quantify this dynamical response, the researchers used the finite‑size Lyapunov exponent (FSLE), a metric that measures the rate at which two nearby particles in a fluid diverge over time. Larger FSLE values indicate faster spatial separation, signifying increased disturbance and more vigorous ocean motion.  

 

The simulations revealed that the drastic reduction of sea ice due to global warming strengthens currents and turbulence across future Arctic and Antarctic coastal waters, accelerating horizontal stirring and enhancing oceanic mixing.  

 

Different mechanisms for the Arctic and Antarctic  

Interestingly, the mechanisms driving the enhanced turbulence differed between the two polar regions. In the Arctic Ocean, diminishing sea ice allows stronger wind–ocean interactions, amplifying surface circulation and turbulence. In contrast, in the Antarctic coastal seas, the influx of meltwater intensifies density gradients in seawater, strengthening currents and horizontal disturbances.  

 

First author Gyuseok Lee explained, “The contrasting geographic environments of the Arctic Ocean and Antarctic coastal seas fundamentally alter the physical mechanisms controlling horizontal stirring. Yet, under continued warming, both regions are expected to experience significantly amplified disturbances.”  

 

Co‑corresponding author Jun‑Yi Lee, a professor at Pusan National University’s Institute for Climate Studies, added, “Future increases in polar oceanic stirring may have profound implications for ecosystems, including the survival of fish eggs and larvae.”  

 

Director Axel Timmermann noted, “Our team is currently developing a next‑generation Earth system model that more effectively integrates climate and life interactions. This will help us better understand how polar ecosystems respond to ongoing global warming.”  

 

The research was published on November 5 (KST) in *Nature Climate Change* (impact factor 27.1).  

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