Observation of Bottom Water Renewal and Export Production in the Japan Basin, East Sea Using Tritium and Helium Isotopes

함도식,김경렬 한국해양과학기술원 2008 Ocean science journal Vol.43 No.1

Tritium (3H or T) has been produced mostly by atmospheric nuclear weapon tests, and entered the ocean in the form of water (HTO). As tritium exists as water itself, it has been regarded as an ideal tool to study the transport of water masses. In April 2001 we collected water samples in the western Japan Basin (WJB) for tritium and helium measurement. The timely sampling provided direct evidence of the bottom water formation, resulting in the drastic increase in tritium concentration from 0.3 TU in 2000 to 0.67 TU in 2001. Considering that the new bottom waters were found mostly in the WJB, it implies that maximum 1% of the whole bottom layer below 2600 m should be replaced with the surface water during the severely cold winter 2000–2001. 3H-3He age, showing the elapsed time since the water left from the surface, can be used to calculate oxygen utilization rate by dividing AOU by the age. Under the condition of 90% oxygen saturation in the surface water, the integration of OUR in the water column below 200 m yields net oxygen consumption of 12 mol (O2) m-2 yr-1, which corresponds to the export production of 99 g C m-2 yr-1. This estimate is comparable to a previous estimate based on satellite data and implies that the ratio of export to primary production (f -ratio) is as high as 0.5 in the WJB.

O₂/Ar 관측에 기반한 순군집생산량 추정 연구 동향

함도식,이인희,HAHM, DOSHIK,LEE, INHEE 한국해양학회 2018 바다 Vol.23 No.1

순일차생산량과 종속 영양 생물의 호흡량의 차이로 정의되는 순군집생산량(net community production; NCP)은 해양 생물펌프의 척도로 활용되고 있다. 이 논문에서 소개하는 $O_2/Ar$ 관측에 기반한 NCP 추정법($O_2/Ar-NCP$)은 연구선의 이동 중에도 1분 미만의 고빈도로 $O_2/Ar$를 연속적으로 측정할 수 있어, 신생산량 혹은 방출생산량 등 전통적인 생물펌프 척도가 갖는 시간 혹은 공간 해상도의 제한을 혁신적으로 개선한 것이다. 논문에서는 $O_2/Ar-NCP$ 방법의 이론적 배경과 실험 장치의 구성에 대해 설명하였다. 또한 기존 생물펌프 척도와 $O_2/Ar-NCP$의 비교, 대양의 해역별 NCP 분포, 현장 관측 결과와 기계학습을 결합한 전 대양 NCP의 추정, 식물 플랑크톤 군집 구조와 NCP 연관성 등에 관한 주요 연구 사례들을 소개하였다. Net community production (NCP), defined as the difference between net primary production and respiration of heterotrophs, has been used as a measure of oceanic biological carbon pump. This paper summarizes the theoretical background and experimental methods for the estimation of NCP based on $O_2/Ar$ measurements ($O_2/Ar-NCP$). The high frequency measurements of $O_2/Ar-NCP$ (<1 min) is a significant enhancement over the conventional measures of biological pump, such as new production and export production. This paper also introduces some of important works as to the comparison between $O_2/Ar-NCP$ and other measures of biological pump, the distributions of $O_2/Ar-NCP$ in the oceans, and the correlation of $O_2/Ar-NCP$ with various oceanic parameters, including community structures.

기계학습법을 이용한 동해 남서부해역의 표층 이산화탄소분압(fCO₂) 추정

함도식,박소예나,최상화,강동진,노태근,이동섭,HAHM, DOSHIK,PARK, SOYEONA,CHOI, SANG-HWA,KANG, DONG-JIN,RHO, TAEKEUN,LEE, TONGSUP 한국해양학회 2019 바다 Vol.24 No.3

지구의 탄소순환을 이해하고 미래 대기 $CO_2$의 농도와 기후 변화를 예측하기 위해서는 해양과 대기 사이 $CO_2$ 교환율(sea-to-air $CO_2$ flux)의 시공간 변화를 정확하게 추정하는 것이 필요하다. 연구선을 이용한 현장 관측이 갖고 있는 시공간 제약으로 인해 동해에는 매우 제한적인 표층 이산화탄소분압($fCO_2$) 자료만 존재한다. 이 연구에서는 위성 및 수치모형에서 얻은 수온, 염분, 엽록소, 혼합층 자료를 세 종류의 기계학습 모형에 입력하여 동해 남서부해역의 고해상도 표층 $fCO_2$ 시계열 자료를 산출하였다. 세 모형 중 현장 관측 자료를 가장 잘 재현하는 Random Forest (RF) 모형의 평균제곱근오차는 $7.1{\mu}atm$이었다. RF 모형을 이용한 $fCO_2$ 예측에 중요한 역할을 하는 변수는 수온, 염분과 시간 정보였으며, 엽록소와 혼합층 깊이는 $fCO_2$ 예측에 미미한 역할을 하였다. RF 모형에서 예측한 표층 $fCO_2$를 이용하여 계산한 동해 남서부해역의 $CO_2$ 교환율은 $-0.76{\pm}1.15mol\;m^{-2}yr^{-1}$로 이전 현장 관측 연구에서 제시한 교환율( $-0.66{\sim}-2.47mol\;m^{-2}yr^{-1}$) 범위 중 작은 값에 해당한다. RF 모형의 표층 $fCO_2$ 시계열 자료는 1주일 내외의 짧은 시간 사이에도 $CO_2$ 교환율이 상당히 변할 수 있음을 보여주었다. 앞으로 보다 정확한 $CO_2$ 교환율 산출을 위해서는 $fCO_2$가 급격하게 변화하는 봄철에 높은 해상도의 현장 관측을 수행할 필요가 있다. Accurate evaluation of sea-to-air $CO_2$ flux and its variability is crucial information to the understanding of global carbon cycle and the prediction of atmospheric $CO_2$ concentration. $fCO_2$ observations are sparse in space and time in the East Sea. In this study, we derived high resolution time series of surface $fCO_2$ values in the southwest East Sea, by feeding sea surface temperature (SST), salinity (SSS), chlorophyll-a (CHL), and mixed layer depth (MLD) values, from either satellite-observations or numerical model outputs, to three machine learning models. The root mean square error of the best performing model, a Random Forest (RF) model, was $7.1{\mu}atm$. Important parameters in predicting $fCO_2$ in the RF model were SST and SSS along with time information; CHL and MLD were much less important than the other parameters. The net $CO_2$ flux in the southwest East Sea, calculated from the $fCO_2$ predicted by the RF model, was $-0.76{\pm}1.15mol\;m^{-2}yr^{-1}$, close to the lower bound of the previous estimates in the range of $-0.66{\sim}-2.47mol\;m^{-2}yr^{-1}$. The time series of $fCO_2$ predicted by the RF model showed a significant variation even in a short time interval of a week. For accurate evaluation of the $CO_2$ flux in the Ulleung Basin, it is necessary to conduct high resolution in situ observations in spring when $fCO_2$ changes rapidly.

기계학습법을 이용한 동해 울릉분지의 봄과 여름 순군집생산 추정

함도식,이인희,추민기 한국해양학회 2024 바다 Vol.29 No.1

동해 남서부해역은 대마난류나 연안 용승에 의한 영양염 공급 등으로 동해 북부나 동부에 비해 일차생산력이 높은 것으로 알려져 있지만, 이 해역의 생물 펌프에 관한 연구는 제한적이다. 본 연구에서는 O2/Ar 측정으로 산출한 고해상도 순군집생산 현장 관측 결과와 기계학습 모형을 결합하여 시공간 해상도가 8일 간격, 4 km인 봄과 여름 순군집생산 시계열 자료를 추정하였다. 기계 모형의 예측과 실측의 평균 제곱근 오차는 6 mmol O2 m-2 d-1로 관측값 평균의 15%에 해당했다. 울릉분지 중앙부의 순군집생산은 3월에 49 mmol O2 m-2 d-1로 가장 높았고, 6월과 7월에 18 mmol O2 m-2 d-1로 가장 낮았다. 이 같은 계절 변화는 3He 기체교환율로 추정한 질산염 공급률이나 234Th 비평형법으로 추정한 입자유기탄소 방출률과 유사하였다. 봄과 여름의 순군집생산 추정으로 한정된 이 연구방법을 가을과 겨울로 확대하기 위해서는 아표층수의 표층 혼입에 따른 O2/Ar 순군집생산의 오차를 보정하는 연구가 필요하다. The southwestern part of the East Sea is known to have a high primary productivity compared to those in the northern and eastern parts, which is attributed to nutrients supplies either by Tsushima Warm Current or by coastal upwelling. However, research on the biological pump in this area is limited. We developed machine learning models to estimate net community production (NCP), a measure of biological pump, with high spatial and time scales of 4 km and 8 days, respectively. The models were fed with the input parameters of sea surface temperature, chlorophyll-a, mixed layer depths, and photosynthetically active radiation and trained with observed NCP derived from high resolution measurements of surface O2/Ar. The root mean square error between the predicted values by the best performing machine model and the observed NCP was 6 mmol O2 m-2 d-1, corresponding to 15% of the average of observed NCP. The NCP in the central part of the Ulleung Basin was highest in March at 49 mmol O2 m-2 d-1 and lowest in June and July at 18 mmol O2 m-2 d-1. These seasonal variations were similar to the vertical nitrate flux based on the 3He gas exchange rate and to the particulate organic carbon flux estimated by the 234Th disequilibrium method. To expand this method, which produces NCP estimate for spring and summer, to autumn and winter, it is necessary to devise a way to correct bias in NCP by the entrainment of subsurface waters during the seasons.

동해 남서부해역의 표층 용존 기체 분포: 여름철 연안과 울릉분지의 일차생산력과 CO₂ 흡수 비교

이인희,함도식,LEE, INHEE,HAHM, DOSHIK 한국해양학회 2021 바다 Vol.26 No.4

연안은 전 지구 관점에서 대기 이산화탄소를 흡수하는 것으로 평가된다. 그동안 동해의 탄소 순환에 관한 연구들이 울릉분지에 집중되어 있어서 동해 연안이 탄소 순환에 기여하는 역할에 대한 이해는 제한적이다. 본 연구에서는 표층의 생물학적 과포화도(𝚫O₂/Ar)와 이산화탄소 분압(fCO₂)의 변화를 관측하여 울릉분지와 연안의 생물 펌프 세기 및 탄소 흡수력을 비교하였다. 연안은 저온 저염한 환경으로 고온 고염한 울릉분지와 대비되었다. 삼척과 포항 연안에서는 울릉분지에 비해 높은 생물량과 𝚫O₂/Ar, 낮은 fCO₂ 분포를 보여 연안에서 더 많은 일차 생산이 일어나 용존 CO₂ 흡수를 촉진한 것으로 나타났다. 삼척과 포항 연안에서 𝚫O₂/Ar을 기반으로 추정된 순군집생산(net community production)은 각각 19 ± 6과 60 ± 9 mmol O₂ m^-2d^-1로 울릉분지의 8 ± 4 mmol O₂ m^-2d^-1에 비하여 약 2-7배 가량 활발하게 생물 펌프가 작동하고 있었다. 삼척과 포항 연안의 CO₂ 교환율은 각각 -17.1 ± 8.9와 -25.8 ± 13.2 mmol C m^-2d^-1로, 울릉분지의 -4.7 ± 2.5 mmol C m^-2d^-1보다 약 4배에서 5배 가량 높았다. 삼척과 포항 연안에서는 울릉분지에 비하여 질소포화도가 최대 3% 낮게 나타나 일차생산자에 의한 질소 고정이 일어났을 가능성을 제시하였다. The global coastal region is considered as a sink for atmospheric CO₂. Since most of the studies in the East Sea focused on the Ulleung Basin, the importance of coastal region for carbon cycle has been overlooked. In this study, we compared the biological pump and CO₂ absorption between the Ulleung Basin and coastal region by surface measurements of biological O₂ supersaturation (𝚫O₂/Ar) and partial pressure of CO₂ (fCO₂). Cold and less saline waters in the coastal regions were in contrast with a warm and saline water in the Ulleung Basin. The coastal waters near Samcheok and Pohang showed higher fluorescence, 𝚫O₂/Ar, and lower fCO₂ than those in the Ulleung Basin, indicating higher primary production and CO₂ absorption in the areas. The average net community production estimated by 𝚫O₂/Ar were 19 ± 6 and 60 ± 9 mmol O₂ m^-2d^-1 in the Samcheok and Pohang, respectively, 2-7 times higher than that of 8 ± 4 mmol O₂ m^-2d^-1 in the Ulleung Basin. Similarly, the average CO₂ flux between the seawater and atmosphere were -17.1 ± 8.9 and -25.8 ± 13.2 mmol C m^-2d^-1 in the Samcheok and Pohang, respectively, 4-5 times higher than that of -4.7 ± 2.5 mmol C m^-2d^-1 in the Ulleung Basin. In the Samcheok and Pohang, degrees of N₂ saturation were lower by 3% than that the ambient waters, suggesting the possibility of nitrogen fixation by primary producers.

초저온 냉각 트랩을 결합한 비활성기체 동위원소 희석 질량분석 시스템의 제작

홍봉재,신동엽,박기홍,함도식 한국해양학회 2022 바다 Vol.27 No.3

비활성기체는 화학적, 생물학적 반응을 하지 않는 보존적인 특성을 가지고 있어 해양에서 수온과 염분 변화, 기체 주입, 해수의 혼합과 빙하 융해수의 분포와 같은 물리적인 변화의 추적자로 활용되고 있다. Ne, Ar과 Kr을 정밀하게 분석하기 위해 사중극자 질량분석기, 고진공 전처리 라인, 초저온 냉각 트랩과 동위원소 표준기체로 구성된 분석 시스템을 제작했다. 고진공 라인은 시료의 용존기체를 추출하여 동위원소 표준기체와 혼합하는 시료추출부, 합금 물질을 이용하여 반응성 기체를 제거하고 초저온 냉각 트랩으로 비활성기체를 기화점에 따라 분별 증류하는 기체 준비부, 비활성기체를 원소별로 측정하는 기체 측정부로 구성하였다. 기체준비부에 결합한 초저온 냉각 트랩은 질량분석기 내 Ar와 CO2의 부분압을 현저히 낮추어 Ne 동위원소 분석의 오차를 감소시켰다. 동위원소 표준기체는 22Ne, 36Ar과 86Kr를 혼합하여 제작하였고, 혼합 표준 기체의 원소별 양은 대기를 반복 측정하여 역동위원소 희석법으로 결정했다. 대기 평형수 반복 분석의 상대 오차는 Ne, Ar과 Kr에 대해 각각 0.7%, 0.7%, 0.4%이었다. 반복 측정한 대기 평형수의 농도와 포화 농도의 차이로 확인한 분석시스템의 정확도는 Ne, Ar, Kr에 대해 각각 0.5%, 1.0%, 1.7%이었다.

남극 아문젠해에서 ²³⁴Th/²³⁸U 비평형법을 사용한 유광대에서 심층으로의 입자상 유기탄소 침강플럭스 추정; 예비결과

김미선,최만식,이상헌,이상훈,이태식,함도식,Kim, Mi Seon,Choi, Man Sik,Lee, Sang Heon,Lee, Sang Hoon,Rhee, Tae Siek,Hahm, Doshik 한국해양학회 2014 바다 Vol.19 No.2

남극 아문젠해의 탄소순환을 이해하기 위해서 표층에서 심층으로의 입자상 유기탄소 침강플럭스를 ${\psi}$/${\psi}$ 비평형법을 이용하여 추정하였다. 2012년 2월과 3월에 걸쳐 남극 아문젠해의 총 14개 정점에서 깊이별로 해수시료를 채취하였고, 총 ${\psi}$, 용존 ${\psi}$ 및 입자상 유기탄소를 분석하였다. 수심에 따라 총 ${\psi}$의 활동도 농도는 ${\psi}$에 비하여 결핍과 과잉을 나타내었다. 유광대에서 총 ${\psi}$의 결핍 정도는 엽록소 및 형광도와 거울상을 나타내고, 질산염 제거와 수반되어 나타나므로 생물 활동의 영향으로 파악되었다. 심층에서 일어나는 총 ${\psi}$ 결핍은 Fe/Mn 산화물에 의해 이루어지는 것으로 해석되었다. 유광대 바로 아래의 수층에서 나타나는 총 ${\psi}$ 과잉은 재광물화 작용보다는 이 깊이에 집적된 입자상 ${\psi}$에 기인하였다. 정상상태 모델로 추정한 ${\psi}$의 침강플럭스는 평균 $867{\pm}246dpmm^{-2}day^{-1}$이었으며, 유광대에서 질소와 인의 결핍 총량과 밀접한 관련성을 보였다. 입자상 유기탄소와 ${\psi}$의 비율($7.08{\pm}4.27{\mu}molCdpm^{-1}$)을 이용하여 추정한 입자상 유기탄소의 침강플럭스는 평균 $5.9{\pm}3.9mmolCm^{-2}day^{-1}$으로 나타났는데 이 값은 2-3월의 웨델해와 유사한 수준이었다. 입자상 유기탄소 플럭스와 일차생산력의 비율로 나타낸 생물 펌프의 효율(ThE)은 3-54%(평균 28%) 범위였다. In order to understand the carbon cycle in the Amundsen Sea of the Southern Ocean, the export fluxes of particulate organic carbon from the euphotic zone to deep water estimated using ${\psi}$/${\psi}$ disequilibrium method. Seawaters in 14 water columns were collected during February and March 2012, and analyzed for total and dissolved ${\psi}$, and particulate organic carbon. Total ${\psi}$ activities in the water column showed deficiency and excess relative to those of ${\psi}$ depending on the water depth. Deficiency of total ${\psi}$ in the euphotic zone showed mirror images both with chlorophyll-a and fluorescence, and was consistent with the loss of nitrate, which indicated the effect of biological activity. In addition, deficiency of total ${\psi}$ from deep water was associated with the increase of total dissolvable Fe/Mn concentration. Excess total ${\psi}$ activity presented below the euphotic zone might be related to particulate ${\psi}$ concentrated in this water depth. Mean export flux of ${\psi}$ estimated using the steady state model was $867{\pm}246dpmm^{-2}day^{-1}$. Mean export flux of particulate organic carbon, which were estimated by the product of total ${\psi}$ flux and ratio of POC/${\psi}$ ($7.08{\pm}4.27{\mu}molCdpm^{-1}$) in the sinking particles, was $5.9{\pm}3.9mmolCm^{-2}day^{-1}$. These fluxes were similar levels to those in the Weddell Sea during February and March 2008. Export ratios (ThE) relative to the primary production in the euphotic zone were in the range of 3-54% (av. 28%).

트랙터 및 지게차 무단변속기용 HSU 및 변속제어기술 개발

김당주(Dang-Ju Kim),김용길(Yong-Gil Kim),손호연(Ho-Yeon Son),함영복(Young-Bog Ham),김홍욱(Houng-Uk Kim),김도식(Doh-Sik Kim),서정환(Jeong-Hwan Seo),정순배(Soon-Bae Chung),김동춘(Dong-Choon Gim) 유공압건설기계학회 2018 드라이브·컨트롤 Vol.15 No.1