A study of interactions between ice and seawater using stable water isotopes near Terra Nova Bay, Antarctica

Abstract

Interactions between ice and sea water have been major uncertainty estimating ice shelf stability in Antarctic area. We investigated hydrogeochemical characteristics of seawater in Terra Nova Bay for better understanding sub-ice shelf fractionation process. We collected sea water samples from Terra Nova Bay, Ross Sea during the five times of Antarctic summer research cruises. Sea water samples of TNB, collected in Antarctic summer research cruises are classified into HSSW, ISW and ASSW by their thermohaline properties, and isotopic properties are analyzed with CRDS. δ-Salinity distributions suggested fractionation process that each water mass experienced. ISW with thermohaline properties of 14/15 was modified by interaction with ice mass implying that δ properties of sea water can be practical tracers for redefining water type in the Antarctic area. In the ice cavity, three processes are employed for sub-ice shelf modelling. Isotope fractionation modelling results show that isotopic composition of ISW is dominantly driven by mixing with glacier melt water. These results suggest that the stable isotopes are practical tracer in classifying water mass as additional index and exploring water mass evolution in Antarctica.;남극 지역 빙붕 하부에서 일어나는 얼음과 해수의 상호작용 과정은 빙붕 안정성을 파악하는데 중요함에도 충분히 연구가 진행되지 않았다. 이 연구에서는 기존 연구자들이 주안점을 두었던 물리적 요인에 더하여 해수의 수리화학적 특성을 활용하여 빙붕 하부에서 발생하는 얼음-해수 상호작용과정을 파악하고자 하였다. 장보고과학기지 주변 테라노바 만에서 2014년 12월부터 5회에 걸쳐 진행된 남극 연구항해에서 CTD 기기를 활용해 해수 시료를 채취하였다. 각 시료는 온도-염도 특성에 따라 고염분 대륙붕수 (HSSW), 빙붕수 (ISW), 남극표층수 (AASW)로 분류되었으며, 해수의 물 안정동위원소 값은 공동감자감쇠분광기 (CRDS)로 분석하였다. 안정동위원소-염도 분포는 각 물덩어리가 형성되는 동안 겪는 동위원소 분화 과정을 반영하고 있다. 대부분의 해수 시료는 같은 지역에서 기존에 수행되었던 연구와 비교하여 유사한 동위원소 분포를 보였으나, 14/15년도에 채취된 빙붕수 시료는 비교적 높은 동위원소 비를 갖는 것으로 나타났다. 해당 시료는 온도-염분 특성이 빙붕수와 일치하나 동위원소 결과로 보아 얼음과의 상호작용으로 비슷한 물리적 특성을 갖게 된 물덩어리로 판단할 수 있다. 이는 해수의 물 안정동위원소가 남극지역 해수를 각 물덩어리로 구분하는 결정적인 기준으로 활용될 수 있음을 의미한다. 한편 17/18 년도에 채취된 고염대륙붕수와 빙붕수의 물 안정동위원소 값을 바탕으로 빙붕 하부 상호작용 모델링을 실시하였다. 빙붕 하부에서 융빙수와의 혼합, 빙붕 하부와의 동위원소 교환 작용, 재결빙 작용이 일어나는 것으로 알려져 있으나, 연구 지역에서 재결빙이 일어나는 경우가 드물어 이 연구에서는 제외하였다. 모델링 결과 세 과정 중 융빙수와의 혼합이 차지하는 비중이 가장 큰 것으로 나타났다. 본 연구는 해수의 물 안정동위원소가 다양한 물 덩어리가 존재하는 남극 지역에서 빙붕 하부의 상호작용을 추정하는데 유용한 추적자로 활용될 수 있음을 시사한다.