바다는 왜 짜고 파란색일까?

바다는 지구 표면의 70% 이상을 덮고 있는 거대한 수권으로, 다양한 화학적 성분과 생태적 특성을 간직하고 있다. 바닷물이 왜 짜며 지역에 따라 염도가 어떻게 달라지는지, 그리고 바다의 색깔이 푸른색부터 녹색, 노란색, 갈색에 이르기까지 다채롭게 나타나는 물리·광학적 원인이 무엇인지 파악하는 것은 해양학 및 해양 광학을 이해하는 핵심 요소이다.

바닷물이 짠 이유

해수는 지구상의 바다와 대양을 채우고 있는 바닷물을 뜻하며, 전 세계 바다의 평균 염도는 약 3.5% 수준이다. 이는 해수 1kg(부피로 약 1리터) 속에 약 35g의 다양한 염류가 용해되어 있음을 의미한다. 해수 속에 녹아 있는 전체 이온 중 가장 압도적인 비율을 차지하는 것은 염화 이온과 나트륨 이온으로, 이 두 이온이 용해된 전체 이온의 약 85%를 구성한다. 그다음으로 마그네슘 이온과 황산염 이온이 약 10%를 차지하며, 나머지 소량의 기타 이온들이 미량으로 존재한다.

해수의 평균 밀도는 표준 해수면 기준 약 1.025kg/L 수준으로, 순수한 물이나 일반 담수보다 확연히 높다. 용해된 염류가 바닷물의 부피 증가보다는 질량 증가에 더 결정적인 영향을 미치기 때문이다. 섭씨 25도의 온도와 35g/kg의 염도, 1기압 조건에서 표층 해수의 밀도는 약 1023.6kg/m³로 측정되며, 엄청난 수압이 작용하는 심해 환경에서는 1050kg/m³ 이상으로 증가하기도 한다. 한편 해수의 어는점은 염분 농도가 높아짐에 따라 점차 낮아진다. 보통의 염도를 가진 해수는 약 -2°C 근처에서 빙결하기 시작하는데, 남극 빙하 하부의 특정 수역에서는 -2.6°C의 차가운 상태에서도 액체 상태를 유지하는 해수가 관찰되기도 했다. 해수의 산도(pH)는 대략 7.5에서 8.4 범위의 약알칼리성을 유지한다.

전 세계 바다의 염도는 일정하게 고정되어 있지 않으며 지역적 환경에 따라 현저한 차이를 나타낸다. 대형 강어귀로 대량의 담수가 유입되는 해역이나 빙하가 녹아내리는 극지방 연안, 혹은 몬순 기후처럼 집중호우가 내리는 지역에서는 염도가 상대적으로 낮아진다. 반면 건조한 기후로 인해 증발량이 매우 많고 강수량과 하천 유입량이 적으며 해류 순환이 제한된 홍해의 경우 유독 높은 염도를 보인다. 호수와 같은 고립된 폐쇄성 수역으로 넘어가면 사해처럼 일반 해수보다 염도가 약 10배 이상 높은 극단적인 환경이 조성되기도 한다.

바닷물에 이토록 많은 소금 성분이 용해되어 짠맛을 내게 된 데에는 주로 육지로부터의 물 유입과 해저 지각 활동이라는 두 가지 근본적인 원인이 작용한다.

첫째, 육지 암석의 침식 작용이다. 대기 중의 이산화탄소가 녹아 들어간 빗물은 약산성을 띤다. 이 약산성 빗물이 육지에 내리면 암석을 천천히 부식시키고 침식하여 암석 속의 미네랄과 광물 이온들을 방출시킨다. 이렇게 녹아 나온 나트륨, 마그네슘, 칼슘 등의 이온들은 빗물과 함께 하천과 강을 타고 흘러 결국 바다로 모이게 된다. 바다로 유입된 이온 중 일부는 해양 생물의 골격이나 껍질 형성에 소비되어 제거되지만, 나트륨이나 염화물처럼 생물학적 소비가 적은 이온들은 바닷속에 그대로 남아 오랜 세월 동안 축적되면서 농도가 점차 높아졌다.

둘째, 해저 지각과 열수 분출구의 화학 작용이다. 바다 바닥의 균열된 지각 틈새로 침투한 해수는 심해 마그마에 의해 강하게 가열된다. 열을 받은 물은 수중의 산소와 마그네슘, 황산염을 잃는 대신 주변 암석으로부터 철, 아연, 구리 등 다양한 금속 요소와 광물질을 대량으로 흡수한다. 이렇게 가열된 열수가 심해 열수 분출구를 통해 다시 바다로 분출되면서 대량의 염류를 공급한다. 이에 더해 해저 화산의 직접적인 폭발이나 지하 깊은 곳에 지질학적 시간 단위로 형성된 거대한 '염돔(Salt dome)' 지층이 해수에 침식되면서 바다의 전체적인 염분 농도를 높이는 데 기여한다.

바다에 색이 있는 이유

바다를 떠올릴 때 흔히 짙은 푸른색을 떠올리지만, 실제로 전 세계 바다의 색은 청록색, 녹색, 노란색, 갈색, 심지어 붉은색에 이르기까지 매우 다채롭다. 이러한 수색(水色)의 다양성은 햇빛이 바닷물 및 그 속에 용해되거나 부유하는 여러 물질과 어떻게 상호작용을 하는가를 연구하는 해양 광학 분야를 통해 설명된다.

태양광이 바닷물 속으로 들어오면 크게 흡수와 산란이라는 두 가지 과정을 거치게 된다. 물 분자는 가시광선 스펙트럼 중 파장이 긴 붉은색 계열의 빛을 유독 잘 흡수한다. 붉은색 빛은 상부 수심 50m 이내에서 대부분 흡수되어 소멸하지만, 파장이 짧은 푸른색 빛은 수심 200m 깊이까지 상대적으로 깊게 침투할 수 있다. 붉은빛이 흡수되고 남은 푸른 빛은 물 밖으로 반사 및 산란해 사람의 눈에 도달하게 되며, 이것이 순수한 바닷물이 푸르게 보이는 일차적 이유이다.

또한 물 분자 자체와 수중에 존재하는 미세한 입자들은 파장이 짧은 푸른 빛을 모든 방향으로 강하게 산란시킨다. 이는 대기 중에서 공기 분자가 햇빛을 산란시켜 하늘이 푸르게 보이는 현상과 매우 유사하다. 물질이 거의 포함되어 있지 않은 맑고 깊은 바다는 투명한 순수 수질과 같아서 붉은빛의 흡수와 푸른빛의 강한 산란이 극대화되어 깊고 진한 푸른색을 띠게 된다.

바닷물이 푸른색 이외의 다른 색을 띠는 것은 물속에 존재하는 생물학적·비 생물학적 물질들이 빛의 흡수 및 산란 특성을 크게 바꾸어 놓기 때문이다. 수색 변화에 결정적인 영향을 미치는 대표적 요소로는 살아있는 식물성 플랑크톤, 유색 용해 유기물, 그리고 광물 퇴적물 등이 있다.

1) 녹색을 띠는 바다이다. 미세한 해양 조류인 식물성 플랑크톤은 광합성을 위해 엽록소-a 등의 색소를 체내에 보유하고 있다. 엽록소는 가시광선 스펙트럼 중에서 푸른색 파장과 붉은색 파장의 빛을 집중적으로 흡수하고 녹색 파장의 빛은 반사한다. 따라서 식물성 플랑크톤이 번성한 해역일수록 푸른빛은 흡수되어 사라지고 녹색 빛이 상대적으로 우세해져 바닷물이 청록색이나 녹색으로 변한다. 해양 위성 관측에서는 이 엽록소의 농도를 측정하여 해당 해역의 1차 생산성을 평가하는데, 영양염류가 풍부하고 생산성이 높은 연안 수역은 녹색 계열로, 생산성이 낮고 맑은 바다는 푸른색으로 관측된다.

2) 노란색에서 갈색으로 변하는 바다이다. 바닷속에 유색 용해 유기물(CDOM)이나 겔브스토프(Gelbstoff)라고 불리는 용해 물질이 다량 존재할 때 바다는 노랗거나 어두운 갈색조를 띤다. 유색 용해 유기물은 육지나 습지에서 썩어 흩어진 식물체 유래 물질이 강을 따라 유입되거나, 해양 플랑크톤이 분비한 유기물이 용해되면서 형성된다. 이 물질들은 푸른색 파장의 빛을 강력하게 흡수하여 물색을 어둡고 노란 갈색으로 바꾼다.

3) 퇴적물과 광물 입자에 의한 수색 변화이다. 강어귀나 해안가, 하구 지역에서는 강물에서 쓸려 내려온 모래, 미사, 광물질과 바닥에서 다시 떠오른 뻘 퇴적물이 표층수에 대량 혼합된다. 이러한 광물 퇴적 입자들은 빛의 모든 파장을 산란시키므로 바닷물을 불투명하게 만들고, 마치 초콜릿 우유처럼 밝은 노란색, 탁한 갈색, 또는 진흙 빛으로 보이게 만든다.