Past sea surface temperature of the western part of the East Sea since the last interglacial period

이 논문의 목적은 지난 130,000년 동안 동해의 해양 환경의 변화를 재건하는 것이다. 해양 환경 변화의 재건을 위해 동해의 서쪽 가장자리(margin)에서 채취 한 세 개의 피스톤 코어 (05PC-14, 05PC-15, 05PC-23)에서 C37 알케논 농도를 측정하고, 이로부터 과거 동해에서의 표층수온을 계산하였다. 표층수온은 UK'37 = 0.034T + 0.039 (Prahl et al., 1988)을 이용하여 계산하였다. 각 코어의 연대결정은 이미 연대를 알고 있는 다른 피스톤 코어 (05PC-21, MD01-2407)와의 L*(lightness) 값의 비교를 통해 이루어졌다. UK'37으로 계산된 표층수온은 130,000년 동안 크게 변동하는 것을 볼 수 있었다. Marine Isotope Stage (MIS) 5 (71,000 ~ 130,000년 전)는 지난 마지막 간빙기에 해당하는 시기이다. MIS 5동안 각 코어별로 표층 수온의 변화를 살펴보면, 05PC-14에서는 MIS 5a동안 16.6℃에서 12.8℃로 수온이 감소하였다. 05PC-15에서는 MIS 5e에서 최고값 23.3℃, MIS 5a에서 최소값 13.8℃를 보였고, 05PC-23에서는 MIS 5e에서 25.8℃의 최고값, MIS 5a에서 9.6℃의 최소값을 나타냈다. MIS 4 (57,000-71,000년 전)와 MIS 3 (29,000-57,000년 전)는 빙하기에 해당한다. MIS 4동안에 동해의 표층 수온 변화는, 05PC-14에서는 10.6-12.7℃, 05PC-15에서는 12.4-14.9℃, 05PC-23에서는 9.5-14℃로 모두 15℃이하의 낮은 수온 값을 보였다. MIS 3동안 표층 수온 변화는, 05PC-14에서는 8.5-15.7℃로 비교적 낮은 수온 분포를 보였다. 이에 반해 05PC-15에서는 15.1-27.4℃, 05PC-23에서는 14.9-25.7℃로 두 코어에서는 간빙기에 해당하는 MIS 5a 동안의 표층 수온보다 높은 값을 보였다. MIS 2 (15,000-29,000년 전)는 지난 마지막 빙하기에 해당한다. MIS 2 전기와 중기동안에는 알케논 농도가 낮아서 수온을 계산 할 수 없었다. MIS 2 후기에는 05PC-14에서는 13.8-16℃, 05PC-15에서는 13-25.4℃, 05PC-23에서는 12.5-18.2℃의 수온분포를 보였다. 이 시기 동안의 표층 수온은 빙하기에 해당함에도 불구하고 세 코아 모두 간빙기인 MIS 5a 동안의 표층 수온보다 높은 값을 보였다. MIS 1 (0-15,000년 전)는 간빙기에 해당한다. MIS 1 동안의 동해 표층 수온의 변화는, 05PC-14에서는 15.1-19.4℃, 05PC-15에서는 15.1-21.6℃, 05PC-23에서는 15.7-17.6℃로 나타났다. 동해에서의 표층 수온 변화는 아시아 몬순의 변화와 해수면 변동에 따른 쓰시마 해류 유입의 변화와 밀접한 관계가 있다. MIS 5동안에는 MIS 5e에서 MIS 5a로 갈수록 수온이 서서히 감소하는 경향을 보였다. MIS 5a와 5b 동안의 표층 수온은 현재의 표층 수온에 비해 2~3℃정도 낮았다. 이는 MIS 5a와 5b 동안 여름몬순의 세기는 조금씩 약화되고 상대적으로 겨울 몬순은 강화되면서 일어난 기후변화에 의한 현상일 것으로 생각된다. 또한 해수면 변화로 인해 동해로의 난류유입이 약화되면서 수온 감소에 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. MIS 4 동안에는 빙하가 강화되면서 전 세계 해수면이 60-80m 가량 낮아졌다고 보고되어졌다. 이로 인해 얕은 해협을 통해 동해로 유입되던 따뜻한 쓰시마 해류의 흐름이 제한되었을 것이고, 강화된 겨울 몬순도 이 시기의 낮은 수온에 상당한 영향을 미쳤을 것이다. MIS 3동안에는 MIS 4 동안의 수온에 비하여 높은 수온을 보였다. MIS 3동안 높은 수온을 보이는 것은 당시 60-80m 가량의 해수면 하강으로 인하여 쓰시마 난류 유입이 제한되었고 겨울 몬순이 강화되었던 빙하기 동안의 상황을 고려해 보면 매우 이례적인 현상이다. 이런 갑작스런 수온 상승은 MIS 3 중반 무렵에 나타났으며, 시기에서는 알케논 농도의 급격한 증가도 확인할 수 있었다. 이에 해당하는 코아 깊이에서는 암엽리층 (Dark Laminated Mud, DLM)을 확인 할 수 있었다. 암엽리층은 바닥의 강한 혐기성 환경으로 인하여 유기물 분해가 제한되면서 발생한다 (Demasion and Moore., 1980). 따라서 MIS 3 중기에 동해는 강한 혐기성 환경으로 인하여 암염리층이 나타났으며, 이는 이 시기 동안 알케논 농도의 증가를 뒷받침한다. 그러나 이는 MIS 3 동안의 높은 수온을 설명하기에는 부족하다. MIS 2 동안에도 세 코아 모두에서 15℃이상의 높은 수온을 보였다. MIS 2에서의 높은 수온은 이전의 여러 논문에서도 발표된 바가 있다. 하지만 이에 대한 명백한 원인이 아직 밝혀지지 않았다. 따라서 15,000~60,000년 전 사이의 빙하기 동안 동해에서의 이례적인 높은 수온의 원인에 대해서 아래에서 더 자세히 살펴본다. 마지막으로 MIS 1은 간빙기에 해당하며 세 코어 모두에서 수온이 15~18℃로 현재와 유사한 수온 분포를 나타냈다. 이는 여름 몬순의 강화와 쓰시마 해류가 동해로 재유입이 되면서 영향을 받은 것으로 보인다. 빙하기 동안 나타난 높은 수온에 영향을 미칠 수 있는 요인들에 대해서 생각해 보았다. 첫 번째로 알케논 생산자의 구성 변화이다. 이 전 연구들에 따르면 G. oceanica로부터 계산된 수온이 E. huxleyi의 것보다 더 높게 나타나는 것을 확인 했다. 따라서 지난 빙하기 동안 동해의 알케논 생산자가 현재와는 다르게 G. oceanica가 주 생산자였다면 본 논문에서 계산된 알케논 수온은 당시 수온보다 더 높게 계산되었을 가능성이 있다. 두 번째 가능성은 염분의 영향이다. 최근 Rosell-Mel&eacute10.6℃ to 14.1℃ in 05PC-14, 17.4℃ to 27.4℃ in 05PC-15, and 14.9℃ to 25.7℃ in 05PC-23). The alkenone contents also increased at same period (0.3μg/g to 3.3μg/g in 05PC-14, 0.1μg/g to 1.2μg/g in 05PC-15, and 0.4μg/g to 5.5μg/g in 05PC-23). The core depth including abruptly high alkenone temperature in middle MIS 3 was showed Dark Laminate Muds (DLM). DLM was caused by bottom water anoxic condition owing to water-column stratification (Demasion and Moore, 1980). Tada et al. (1999) suggested that during the glacial period of low sea level (-60 ~ -90m), bottom water condition was anoxic. It seems that anoxic bottom water condition influenced abruptly high alkenone contents during the MIS 3, but it is insufficient that why alkenone temperature abruptly increase during the MIS 3. For period of MIS 2, some alkenone temperature were also anomalously high. It has been reported previously for the East Sea, but it's not clear for what to be a major factor responsible for the anomalously warm alkenone temperature. Further studies are necessary. For period of MIS 1, alkenone temperature increased up to the present temperature in the early MIS 1. It seems to be closely related to global sea level changes, which influenced the warm water inflow into the East Sea during the mid MIS 1 (8-10 kyr BP), and change of the East Asian monsoon system. Anomalously high alkenone temperatures occurred repeatedly during glacial period between 15 and 60 kyr BP. These warm alkenone temperature episodes would have had multiple causes. Such warm alkenone temperature events in the glacial period have three possible causes. The first possibility is an effects of haptophyte species on alkenone-SSTs. The second possibility is a salinity effects on alkenone-SSTs. The third possibility is an effect of nutrient concentration and growth rate on alkenone-SSTs. These effects together could have caused anomalously warm alkenone temperatures in the glacial period in the study area of 05PC-14, 05PC-15 and 05PC-23. More investigations are necessary to understand what happened in western margin of the East Sea at the time of 15-60 kyr BP.The purpose of this paper is to reconstruct the detailed paleoceanographic history of the East Sea during 130-kyr. Three piston cores 05PC-14, 05PC-15 and 05PC-23 taken from the western margin of the East Sea were examined. In this study, the C37 alkenone content were measured, and past sea surface temperature (SST) was calculated using = 0.034T + 0.039 (Prahl et al., 1988). The age of the sediment cores was determined by the direct correlation of lightness (L*) to well-dated core MD01-2407 in Oki Ridge and 05PC-21 in Korea Plateau, with a comparition of well-known lithostratigraphic and tephrostratigraphic markers. Alkenone-based SST from the core sediments showed that the past SST fluctuated greatly. In core 05PC-14, the temperature decreased from 16.6℃ to 12.8℃ during the period of marine isotope stage (MIS) 5a. Then, the temperature fluctuated between 8.5℃ and 15.7℃ during MISs 3 and 4. Due to the low alkenone contents, UK'37 values could not be calculated during the MIS 2. After that, it continued to fluctuate between 13.8℃ and 19.4℃. In core 05PC-15, the temperature decreased from 23.3℃ to 13.8℃ during MIS 5. Then, the temperature fluctuated between 12.4℃ and 19℃. During the MIS 3, it was anomalously high, which fluctuated between 15.1℃ and 27.4℃. During the MIS 2, alkenone temperature was not calculated due to the low alkenone contents. After that, it fluctuated between 13.8℃ and 25.4℃. In core 05PC-23, the temperature decreased from 25.8℃ to 9.6℃ during MIS 5. Then, the temperature fluctuated between 9.6℃ and 12.3℃ during MIS 4. However, during the MIS 3, the temperature was abnormally warm. It was scattered between 15℃ and 25.8℃. Due to the low alkenone contents, UK'37 values could not be calculated during the MIS 2. After that, it continued to fluctuate between 15.7℃ and 18.2℃. Variation in the SST of the East Sea is considered to be closely related to changes in the east asian monsoon system and global sea level. For period of MIS 5, the alkenone temperatures gradually decreased from MIS 5e to MIS 5a. Especially, during MISs 5a and 5b, alkenone temperature was lower than those of present. It seems that lower SST was influenced by weaker summer monsoon and/or stronger winter monsoon than those of present. Also, sea level fall of 60m (Lambeck et al. 2002) would be restricted influx of warm water. According to Tada et al. (1999), the relative contributions of the Tsushima Warm Current (TWC) and East China Sea Coastal Water (ECSCW) varied significantly during this time interval. Therefore, most of the alkenone components would be when a strong influx of ECSCW would have supplied enough nutrients to sustain high surface productivity. Temperature of ECSCW is relatively lower than those of TWC. As a result, strong inflow of ECSCW into the East Sea could induce the lower SST of MISs 5a and b than those of MIS 1. For period of MIS 4, the alkenone temperatures were very low. It seems to be closely associated with a global sea level fall of 60-80m during this period, which restricted the inflow of the TWC into the East Sea. Also, the low SSTs were influenced by strong winter monsoon during this period. For period of MIS 3, UK'37-derived temperatures were relatively higher than those of MIS 4. Considering a global sea-level fall of 60-80m (Waelbroeck et al., 2002) and strong winter monsoon (Wang et al., 2005) during the last glaciation, warm alkenone temperature during the MIS 3 would be anomalous. Abruptly increasing SST was at middle MIS 3 (about 50 kyr BP, (1998)의 관점에 따르면, 세 코아의 빙하기 동안의 수온은 적어도 6℃보다는 높았다는 것을 의미한다. 세 코아에서 알케논으로부터 계산된 빙하기 동안의 수온 값이 약 15℃ 이상 이였다는 점을 고려하면, 염분의 변화는 빙하기 동안의 높은 수온 값에 대한 직접적인 증거가 되지 못한다. 하지만 이에 대한 좀 더 확실한 증거를 수반하는 연구가 앞으로 더 진행되어야 할 것이다. 세 번째 가능성은 UK'37 값에 대한 영양염 농도 변화의 영향이다. Epstein et al. (1998)의 연구에 따르면, 영양염 농도의 40μM에서 1μM 미만으로 감소는 UK'37 값을 0.10-0.19 가량 증가시키며, 이는 1.8-4.4℃의 수온 상승을 의미한다. 빙하기 동안 동해는 강한 성층의 발달로 심층에서 표층 으로의 영양염 이동이 제한되어 표층에서의 영양염 농도는 현저히 낮았을 것으로 생각된다. 하지만 이것만으로는 당시의 영양염 농도 변화를 설명하기에는 부족하다. 따라서 UK'37 값에 대한 영양염 농도 변화의 영향에 대해 설명하기 위해서는 빙하기-간빙기 동안 동해에서의 영양염 농도의 변화에 대한 연구가 우선되어야 할 것이다., (1998)은 C37 알케논의 전체 양에 대한 C37:4의 상대적인 양 (37:4%)이 5보다 큰 지역은 6℃ 이하의 수온을 나타낸다고 추정하였다. 본 논문에서 사용한 세 코아 (05PC-14, 05PC-14, 05PC-23)에서는 빙하기 동안 37:4%의 값은 5에는 전혀 미치지 못했다. Rosell-Mel&eacute1. Introduction 8 2. Background of using alkenone as a proxy of sea surface temperature 11 3. Modern hydrography 14 4. Material and Method 18 4-1. Alkenone analysis 20 4-2. Age control 23 5. Results 27 5-1. Calibration equation 27 5-2. 05PC-14 27 (1) Alkenone content 27 (2) Alkenone temperature 28 5-3. 05PC-15 32 (1) Alkenone content 32 (2) Alkenone temperature 33 5-4. 05PC-23 36 (1) Alkenone content 36 (2) Alkenone temperature 37 6. Discussion 40 6-1. Analytical error of GC 40 6-2. Variations in sea surface temperature 44 (1) MIS 5 44 (2) MISs 3 and 4 47 (3) MIS 2 49 (4) MIS 1 50 6-3. Anomalously warm alkenone temperature during the glacial period 55 7. Conclusions 61 8. Reference 63 Acknowledgement 8