염분 (Salinity)과 생물

[김동석]

염분 (Salinity)과 생물

물의 물리-화학적 특성

• 물은 지구상에서 액체, 기체, 및 고체의 형태로 존재함. 물은 수소와 산소가 공유결합을 하고 있으며, 물분자 사이는 수소결합에 의하여 연결된 상태임.  물은 이러한 수소결합의 형태에 따라 액체 (물), 기체 (수증기) 및 고체 (얼음) 형태로 존재함

Periodic Table

특성	Remarks
표면장력 (Surface Tension)	일반 액체 중 최대 : 해양에 있어 기권과 수권을 분리하는 중요한 기능을 함 물분자의 수소결합 및 극성의 의함 물의 점도를 결정함
열전도율 (Conductivity)	수은을 제외한 일반 액체 중 최고 : 열을 운반하는 역할을 함
점도 (Viscosity)	액체로는 비교적 낮은 편
증발잠열 (Latent Heat of Vaporization)	일반 물질 중 최대 : 액체 상태의 물이 기화하기 위하여는 많은 열이 필요하므로 해양은 액체상태로 존재할 수 있음 (20 C에서 g 당 585 cal)
응집잠열 (=융해의 잠열, Latent Heat of Fusion)	일반 물질 중 최대 : 액체상태의 물이 온도가 낮을 시 얼음으로 변화기 위하여는 많은 열을 방출해야 함 (80 cal/g) 눈이 천천히 녹는 이유, 만일 눈이 빨리 녹아버린다면 ?
비열 (Specific Heat)	비열이란 액체상태의 어떤 물질 1g.을 15℃에서 16℃로 올리는데 필요한 열량을 말함 물은 비열이 일반 물질 중 최대. 이는 물이 쉽게 데워지지 않고 또 쉽게 식지 않는 특성을 지니게 함. 기온의 변화와 수온의 변화 차이를 만드는 요인. 급격한 온도변화에 대한 완충제 역할을 함.
밀도 (Density)	수온, 염분도, 압력 순서로 영향을 받음 물의 최대 밀도는 4℃ 부근에서 일어남. 따라서 얼음이 물위에 뜨는 현상은 밀도차이로 설명됨. 만일 얼음이 물에 가라앉는다면 심해는 극지방에서 형성된 얼음으로 채워져 생물이 살수 없게 됨. * 순수한 물의 밀도=1g/cm3 , 화강암=2.7g/cm3 , 얼음 (0 C)=0.999 g/cm3
용해력 (Dissolving capability)	일반 액체 중 녹일 수 있는 종류와 양이 가장 많음 : 물의 극성 (양 극에 음전하와 양전하를 띠어 이에 다른 용매가 반응할 수 있게 함. 따라서 해수 속에는 다양한 분자가 용해되어 존재함.

• What is salinity (염분)? Expressed as 　part per thousand, permil ‰

• The number of grams of inorganic salts dissolved in a kilogram of salt water.

• 염분이란 ? 해수 1 Kg 속에 녹아있는 총 염류의 중량
  

• How many species of element in the sea water ? 해수 중에는 원소의 주기율표에 있는 거의 모든 원소가 다 포함되어 있음 이들의 구성비는 일정하며 그 이유는 염소, 나트륨, 황산염, 마그네슘, 칼슘, 칼륨 등이 전체의 99.36% 를 차지하기 때문임. 따라서 염분도가 낮고 높음에 상관없이 녹아있는 원소의 구성비는 일정함.
  

 바다 소금 (Salt)의 기원?

1.  빗물, 지하수, 파도 등이 지각을 이루는 암석을 녹인 결과, 암석의 주 성분인 Na⁺와 Cl^-을 오랜 시간에 걸져 육상으로부터 바다로 이동한 결과로 추정

2. 대부분의 육상기원 소금 (NaCl)이 강물을 통하여 바다로 이동하였다고 생각하나, 실제 강물은 아무리 농축시켜도 짠 맛을 내지 못함.  따라서 암석 풍화에 의한 바닷물 소금 기원은 설명이 충분하지 못함.

3. 잉여휘발성물질 (excess volatiles): 바닷물 성분 가운데 지각 암석의 풍화로 설명되지 않은 부분.  

4. 바다소금 기원의 또 다른 해석: 지각 (mantle) 상부는 물을 포함해서 바닷물에 들어 있는 물질과 성분비를 설명하기에 적절한 물질로 이루어 짐.  맨틀에서는 대류가 천천히 일어나고 있으며, 이는 지각판을 이동시킴.  이 과정에서 지구 내부에 깊숙히 갇혀있던 물질이 화산이나 열곡의 구멍을 통하여 지표 밖으로 탈출하게 됨.   

일정 성분의 비 (Principle of Constant Component) ?

1. 화학자 Georg Forchhammer 는 1865년 바닷물에 녹아있는 용존물질 (dissolved elements) 의 양, 즉 염분은 해수에 따라 그 정도가 다를 수 있지만, 주 성분간의 비율은 일정하다고 발표 함.

2. 10년 뒤 Challenger호의 탐험을 통하여 얻은 해수를 분석한 결과, William Dittmar는 Forchhammer의 주장이 옳았음을 증명 함.

• What is a PPM, PPB ? 물 또는 액체상태의 용매에 녹아있는 용질의 양을 표시하는 방법 중의 하나로 PPM 과 PPB단위를 씀.
  

• PPM : Part Per Million 의 약자로 10^-6의 농도를 뜻함
  

• PPB : Part Per Billion 의 약자로 10^-9의 농도를 뜻함 대부분 미량의 농도를 나타낼때 쓰는 단위

해양의 평균 염분

• 해양의 평균 염분은 34.7 permil 이며 이는, 해수 1 Kg에 평균 34.7 g의 소금이 포함되어있다고 말할 수 있음.
  

• 지역에 따라 염분의 농도는 다르나 해수에 포함되어있는 염의 구성비는 일정함.

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• 염분에 따른 해수의 구분

  1) 담수 (Fresh Water) : 염분이 0.5 permil 이하인 물  예) 강물, 호수, 지하수 등

  2) 기수 (Brackish or Estuarine Water) : 염분이 0.5 ~ 17 permil 인 지역 예, 한강하구 및 강화도 지역, 낙동강하구 및 을숙도 지역, 섬진강하구 등

  3) 일반 해양 : 염분이 17 permil 이상인 지역.  태평양의 평균 염분 34.6‰, 대서양 34.9 ‰, 인도양 34.7‰

염분은 지구에 있어 수직적 (깊이에 따른 변화), 수평적 (위도에따른 변화) 변화가 거의 없는 것으로 알려져 있으며, 실제 표층에서 수심 1000m 까지에 있어 염분의 변화는 >0.1% 정도임.

염분 측정방법 : chlorinity측정, conductivity 측정, 굴절률 측정 , 비중 측정등의 방법으로 측정함.

1) Chlorinity 측정방법 : 해수 중에 가장 많이 포함되어있는 염소의 양을 염화은으로 적정하여 염소의 양을 측정해 낸 뒤, 이를 다른 원소와의 비율로 환산하여 전체 염분을 측정하는 방법

2) Conductivity 측정 (전기전도도) : 해수중에 포함되어있는 염분의 양에 따라 전기 전도도가 다르게 나타나게 됨.

3) 굴절도 (reflectometer) : 해수내에 포함된 염분의 양에 따라 빛의 굴절 정도가 변하는 원리를 이용함.  일반적인 당도계와 유사한 원리 및 모양.

4) 비중계 : 해수내에 염분에 따라 해수의 밀도가 달라지는 원리를 이용.  가장 값이 싸고 손 쉽게 쓸 수 있으나 정확도가 다른 기기에 비하여 상대적으로 낮으며, 온도에 대한 보정이 필요함.

염분이 해양생물에 미치는 영향

• 염분은 해양생물의 삼투압에 지대한 영향을 미치며, 생물의 공간적 분포에도 영향을 미치게된다.

• 삼투압 (osmosis) : the resultant net flow of water through a membrane from the less saline to the more saline side.

해양생물의 염분변화 (삼투압 변화)에 대한 적응

1. 해조류 (marine algae), 무척추동물, 상어류 : 체액의 염분은 주변 바닷물과 같은 농도를 유지.  체세포에 침투한 해수는 바로 세포 밖으로 흘러나오게 끔 디지인 됨.  이러한 생물들은 염분의 변화가 작은 지역에 서식.  특히 심해에 서식하는 생물의 경우 염분의 변화가 거의 없는 환경에 서식하므로 체액과 외부 염분과는 등장액.

2. 해양포유동물, 어류, 바닷새 종류 : 이들 동물의 체액은 바닷물과 비교시 염분의 농도가 낮은 상태임. 따라서 먹이활동을 계속할 경우 체내의 물이 고갈되게 됨.  어류의 경우 아가미, 혀 등과 같은 부드러운 피부에서는 물의 배출이 일어남. 어류의 경우 아가미에 "chloride cell"을 포함하고 있어 체내에 농축된 염분을 몸 밖으로 배출하는 역할을 함.  공기호흡을 하는 해양포유류 (고래, 물개 등)도 어류와 같이 해산의 먹이를 먹을 경우 체내에 소금이 축적됨.  대부분의 해양 포유류나 조류는 혈액에 농축된 소금을 신장 (kidney)에서 urine (오줌)의 형태로 배설함.  갈매기의 경우 먹이를 통해서 체 내에 농축된 소금은 눈 밑에 위치한 소금샘에서 눈물의 형태로 체외로 방출함.

3. 담수 생물의 삼투압적 적응 : 담수어는 해산어와 상대적으로 체액의 염분이 주변 환경보다 훨씬 높음.  따라서 이들은 체내의 염분을 주변 환경으로 잃게되는 문제점을 지님.  담수어의 경우 신장 (kidney)는 체액에 포함된 염분을 계속 체내에 남게 하고 물 분자만을 배설물의 형태로 배설되게끔 함.

• 기수지역은 염분의 변화가 가장 심한 환경임.  따라서 기수지역에 서식하는 해양생물들은 극심한 염분의 변화에 대처해야 함.  따라서 기수지역에는 두 종류의 삼투압 조절 기작이 존재함.

1) 변삼투압 (osmocondormers) 생물 : 외부의 염분변화에 따라 체 내의 염분이 변화하는 생물.  대부분의 해산 무척추동물

2) 항삼투압 (osmoregulators) 생물 : 외부의 염분 변화와 관계없이 체 내에 일정한 염분을 유지하는 생물.  대부분의 해산 경골어류

• 해양생물의 염분 변화에 대한 적응 정도는 종에 따라 다르나 일반적으로 기수지역에 서식하는 생물은 광염성 (euryhaline), 즉 염분의 변화에 대한 내성 폭이 매우 넓은 반면, 외양이나 심해에 서식하는 생물은 염분의 변화에 대한 내성이 작은 협염성 (stenohaline) 생물임.