지구의 기후변화에 큰 역할을 하는 ‘메탄’은 해양 중층 해저 탄화수소 누출(hydrocarbon seeps)로부터 다량 용출된 뒤 대기로 유입돼 지구온난화를 가속한다는 것이 기존의 대표적인 가설이었다. 하지만 이를 뒤집는 흥미로운 연구 결과가 나왔다. 

해양학과 정동주 교수(G-LAMP 전임교원)가 미국 로체스터대 연구진과의 국제공동연구를 통해, 수심 500m보다 깊은 가스하이드레이트(gas hydrate, 일명 ‘불타는 얼음’) 및 해저 탄화수소 누출 지역에서 발생하는 메탄은 대부분 바닷물에 녹거나 미생물에 의해 소비돼 대기 중 메탄 증가에는 사실상 영향을 주지 않는다는 새로운 연구 결과를 발표했다. 이번 연구는 기후변화 예측의 정확도를 높이고 해양 메탄 관리·정책 수립에 과학적 근거를 제공할 전망이다.

메탄(methane)은 이산화탄소보다 약 80배나 강한 온실효과를 가진 기체로, 최근 그 사용량이 급격히 늘고 있다. 또한 지구온난화로 자연에서 방출되는 메탄이 대기로 유입되는 속도가 빨라지면서, 메탄은 향후 기후변화의 향방을 좌우할 핵심 요인으로 더욱 주목받고 있다.

해저 탄화수소 자연 누출(seep)은 가스하이드레이트 분해나 지하 퇴적층에서 생성된 다량의 메탄이 기포(bubble)나 용해된 형태로 바닷물에 흘러나오는 현상을 말한다. 이러한 메탄 유출 지점은 전 세계 바다의 얕은 연안부터 깊은 심해까지 다양한 수심대 해저에 걸쳐 광범위하게 분포한다. 

특히 바다는 지구상에서 메탄을 가장 많이 저장하고 있는 장소로 알려져 있으며, 지구온난화로 해수 온도가 상승함에 따라 해양 중층에서의 메탄 방출도 더욱 활발해질 것으로 우려된다. 

지금까지 과학계의 일반적인 가설은 ‘해저에서 분출된 메탄이 대기까지 도달하면 지구온난화를 가속화시킨다’는 것이었다. 이는 메탄 유출 → 지구온난화 → 추가 메탄 유출로 이어지는 이른바 ‘메탄-기후변화 양성 피드백 고리(positive feedback loop)’, 즉 결과가 원인을 더욱 증폭시키는 악순환을 의미한다. 

실제로 현재 진행 중인 지구온난화로 해수 온도가 올라가면 해저의 가스하이드레이트가 붕괴되고 메탄이 해수와 대기로 대량 유출되며, 이로 인해 지구온난화가 한층 가속돼 다시 해수 온도가 상승하는 식의 폭주 메커니즘이 우려돼 왔다. 그러나 이를 뒷받침하는 실험적 증거는 부족했고, 해수에 용해된 메탄에 대한 연구도 거의 전무한 실정이었다.

【걸프만 지역에서의 메탄의 분포】  

A) 걸프만 연구지역 및 해저에 존재하는 자연발생적 메탄 유출지 (natural seeps)

B) 연구지역 메탄 농도와 방사성 탄소의 수직 분포

C) 걸프만 지역 해수 내 메탄의 방사성 탄소의 분포 예상도 

이러한 배경에서 부산대 연구팀은 메탄에 포함된 방사성 탄소 동위원소(14C-CH₄)를 정밀 분석해, 바다 표면부터 심층에 이르는 해수 내 메탄의 기원을 밝혀내는 연구를 수행했다. 연구팀은 미국 멕시코만 지역의 해저 가스하이드레이트 분해 및 자연 탄화수소 누출지에서 발생한 메탄을 조사한 결과, 심해에서 방출된 메탄이 바닷물 속으로는 대량 녹아들지만 끝내 바다 표면까지 도달하지 못한다는 사실을 실험적으로 최초 확인했다.

이 결과는 정동주 교수가 대서양과 태평양 심해를 대상으로 수행한 선행 연구(2022, 『Nature Geoscience』 게재)와도 맥을 같이한다. 당시 연구에서도 수심 500m보다 깊은 바다에서 분출된 해저 메탄은 거의 모두 바닷속에 머무르고 대기로의 직접 유입량은 극히 미미함이 밝혀졌다. 다시 말해, 500m 이상 깊은 해역의 해저 메탄은 우려됐던 ‘메탄-지구온난화-기후변화’ 양성 피드백 고리에 유의미한 영향을 주지 못한다는 점을 이번 연구가 실험적으로 입증한 것이다.

한편 연구진은 상대적으로 얕은 수심의 자연발생 유출지(natural seeps)에서 방출되는 메탄은 해수 표층 및 대기로 실제 유입됨을 함께 확인했다.

【걸프만 수심 500m에서 해수 내 메탄 추출 시스템】

이번 연구를 주도한 정동주 교수(제1저자 겸 교신저자)는 “메탄은 기후변화에 직접적인 영향을 주는 기체임에도 불구하고, 관련 연구가 전 세계적으로 아직 많이 부족하고, 한국에서는 손에 꼽을 정도로 적은 실정”이라며 “메탄 사용량 증가와 이산화탄소보다 훨씬 강력한 메탄의 온실효과를 고려할 때 메탄 연구는 앞으로의 기후변화 연구에서 핵심적인 분야가 될 것”이라고 강조했다.

정 교수는 이어 “한국은 동아시아에서 대기 중 메탄 농도가 가장 빠르게 높아지는 나라”라며 “강·호수·연안습지·갯벌·만 등 다양한 자연환경과 간척지·양식장·농경지 같은 인공환경이 잘 발달해 메탄 발생에 매우 유리한 조건을 갖추고 있다”고 설명했다. 그럼에도 불구하고 국내 메탄 관련 연구는 아직 미흡한 수준이라며, “전 지구적인 온실가스 감축 노력에 앞서 다양한 메탄 분야의 기초 및 응용 연구가 선행돼야 하고, 이를 위해 정부의 적극적인 지원이 매우 중요하다”고 덧붙였다. 

이번 연구에서는 메탄 내 방사성 탄소를 정밀 측정하는 새로운 분석 기술을 적용했다. 이 기술은 측정 과정에서 발생하는 오차를 크게 줄여 데이터 정확도를 획기적으로 높여주는데, 현재 전 세계에서 이 기술을 실제 연구에 활용하고 있는 팀은 정 교수 연구팀이 유일하다. 정 교수는 “이 분야만큼은 한국이 세계를 선도할 잠재력이 크다”고 말했다.

정동주 교수는 또 “해저 메탄의 직접적인 대기 유입은 매우 미미하지만, 해수 속에서 미생물에 의해 메탄이 산화되면 이산화탄소로 바뀌어 해양의 이산화탄소 농도를 높이고 결국 바다가 대기에서 이산화탄소를 흡수하는 능력을 약화시킬 수 있다”고 짚었다. 

정 교수는 “이번 연구는 걸프만 해역에 국한된 결과지만, 앞으로 극지방이나 우리나라 동해 등 다양한 해역으로 연구를 확대한다면 해양 메탄의 대기 유입에 대한 훨씬 정교한 이해를 제공하게 될 것이고, 전 지구적 기후변화 연구에도 크게 기여할 것으로 기대한다“고 전망했다.

기존 이론에 도전하는 새로운 관점을 제시한 이번 연구는 부산대와 미국 로체스터대학교의 존 케슬러(John D. Kessler) 교수와 토마스 웨버(Thomas Weber) 교수와의 국제공동연구로 수행됐으며, 관련 논문은 국제 과학저널 『Communications Earth and Environment』 2025년 12월 15일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Deep Gulf of Mexico seeps are not a significant source of methane to the atmosphere (맥시코만 심해 메탄은 대기 메탄의 주요 공급원이 아니다)

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s43247-025-03027-0 

* 상단 사진: 정동주(왼쪽 네 번째) 교수와 연구실 학생들.

[Abstract]

Hydrocarbon seeps release fossil methane into the marine environment, but emission of this seep-derived methane to the atmosphere is challenging to constrain. Here, we measure the concentration and radiocarbon content of dissolved methane in seawater above seeps in the northern Gulf of Mexico that have previously been linked to considerable atmospheric emissions. In bottom waters above the seeps, methane radiocarbon content is close to zero, confirming the release of fossil seep methane. However, radiocarbon signatures approach modern values at shallower depths, indicating that only ~21% of the methane in surface waters is sourced from seeps. We observe a mid-depth methane concentration maximum and radiocarbon minimum at ~200m below the surface, but this likely reflects lateral advection of fossil methane from shallower seep fields. Our findings are consistent with previous radiocarbon fingerprinting in coastal regions, and suggest that seeps deeper than ~400m are not a major contributor to atmospheric methane emissions.

- Author (Pusan National University): DongJoo Joung (Deapartment of Oceanography, G-LAMP) 

- Title of original paper: Deep Gulf of Mexico seeps are not a significant source of methane to the atmosphere

- Journal: Communications Earth and Environment

- Web link: https://www.nature.com/articles/s43247-025-03027-0 

- Contact e-mail: dongjoo.joung@usan.ac.kr