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호수의 얼음은 왜 표면부터 얼기 시작하는가?
 Science Column
신나는 과학 칼럼
작성자 류성철
작성일 2007/01/17 (수)
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 5760      
호수의 얼음은 왜 표면부터 얼기 시작하는가?
류 성 철

날씨가 추우지면 강이나 호수에 물이 얼기 시작한다. 얼음은 위에서부터 아래쪽으로 언다. 그 이유는 얼음이 물보다 밀도가 낮기 때문이다. 보통의 액체는 온도가 올라감에 따라 팽창한다. 그러나 물은 어는점 0℃에서 온도가 올라가 4℃가 될 때까지는 계속 수축하다가 4℃가 지나면 비로소 팽창하기 시작하여 끓는점인 100℃까지 팽창을 계속한다. 그러므로 물은 4℃에서 가장 적은 부피를 가지므로 밀도는 최대가 된다. 일반적으로 고체상태가 액체상태보다 적은 공간을 차지하도록 배열을 이룬다. 그러나 고체인 얼음은 열린구조로써 육각형을 이루므로 액체인 물보다 넓은 공간을 차지하게 되고 얼음의 밀도가 물보다 낮게된다.
이러한 물의 성질이 자연에 미치는 영향은 매우 크다. 보통의 액체처럼 어는점(고체상태일때)에서 밀도가 가장 높다면 호수는 바닥부터 얼기 시작할 것이고 호수의 생태계는 완전히 파괴될 것이다. 그러나 다행스럽게도 물이 4℃일때 밀도가 최대가 되어 호수 바닥에 가라앉고 얼음은 오히려 밀도가 낮아서 수면위로 떠오른다. 아무리 날씨가 추워도 4℃를 지나지 않고서는 0℃가 되지 못한다. 수면부터 온도가 내려가서 물이 4℃가 되면 가장 무거워져서 호수의 바닥에 가라앉게 된다. 이렇게 위치가 바뀐 물이 수면에서 4℃로 온도가 내려가면 그 물은 다시 가라앉고 이런 과정을 반복하면 결국 얼음이 얼기전에 호수 전체가 모두 4℃의 물로 바뀌게 된다. 그 후에 수면의 온도가 낮아져 0℃가 되고 얼음이 얼기 시작한다. 따라서 호수의 물은 표면부터 얼면서 점차 수면 아래로 얼어 들어간다. 매우 추운 겨울날 얼음의 두께가 두꺼워지지만 매우 깊은 호수는 수면이 모두 얼지는 않는 이유는 얼음이 얼기전에 호수의 물이 모두 4℃인 물로 바뀌어야 되고 물이 깊을수록 시간이 많이 걸리게 되고 호수의 물이 모두 4℃로 바뀌기전에 봄이 오기 때문이다. 이때 바닥에 가까운 부분의 물은 한 겨울에도 4℃를 유지한다. 매우 추운지방의 호수 바닥온도는 물의 비열이 높고 열전도가 낮기 때문에 단열이 잘 되어 일년내내 4℃를 유지하기도 한다.

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