[역고드름]
겨울만 되면 역고드름(ice spike)의 신비한 자연현상이 매스컴의 단골손님이 된다. 고드름은 원래 위에서 아래로 내려오는 물이 차례로 얼면서 아래로 자란다. 즉, 중력에 순응해서 고드름이 자란다. 햇빛에 의해 지붕의 눈이 녹아 내릴 때 대기의 온도가 0℃ 이하이면 녹아 내리는 물이 얼게 된다. 얼어버린 얼음의 표면을 타고 물이 내려오면서 계속해서 얼기 때문에 고드름은 점점 굵어지고 길어지게 된다.
[그림 1] 터널내의 역고드름
그러나 역 고드름은 중력에 거슬려서 위로 자라 오르기 때문에 신비감이 느껴진다. 역고드름에는 두가지 종류가 있다. 하나는 연천이나 신탄진의 터널 굴에 생기는 역고드름으로서 공기의 대류현상으로 위쪽은 0℃ 보다 약간 높은 온도이고, 아래쪽은 0℃ 이하 인 경우에 생길 수 있다. 위에서 떨어진 물방울이 차례로 얼면서 역고드름이 위로 자라는 현상이다. 마치 석회동굴의 석순이 자라는 것과 같다고 할 수 있다.
다른 역고드름의 예는 물을 그릇에 담아 얼릴때 나타나는 역고드름으로써 진정한 역고드름이다. 이 역고드름은 움푹패인 바위에 괸물이나 그릇에 담긴 물이 얼 때만 생긴다. 지열을 받는 웅덩이 물이 얼 때는 생기지 않는다.
[그림2] 역고드름
[그림3] 역고드름 생성 원리도
아무튼 역고드름이 장독대에 떠 놓은 정한수에 만들어 졌다면 소원성취에 대한 기대감과 영험함이 더 느껴질 것이다. 그러나 역고드름은 물의 특이한 성질에 의한 자연현상이다. 물이 4℃에서 밀도가 가장 크고 0℃에서 얼기 때문에 나타나는 현상이다. [그림3]에서와 같이 그릇의 열전도율이 좋으면 그릇에 접한 부분의 물이 열을 급격히 빼앗겨서 얼게 된다. 물이 얼면서 부피가 팽창하기 때문에 내부의 물은 얼음에 의한 압력을 받게 된다. 그러므로 0℃ 보다 낮은 온도일지라도 얼지 않는 과냉각 상태가 된다. 이때 압력이 더 증가하면서 위쪽 얼음이 깨져서 틈으로 물이 올라와 그냥 얼어버리면 위쪽이 불룩한 상태로 얼게 된다. 그러나 위쪽 얼음의 취약한 부분으로 물이 샘처럼 밀려 나오게 되면 과냉각상태의 물이라서 순식간에 차례로 가장자리가 얼게된다. 압력을 받는 물이 계속해서 밀려 나오면서 얼게되면서 역고드름이 위로 성장하게 된다. 이 때, 물은 고드름 대롱의 안쪽 구멍으로 밀려나온다. [그림2]를 보면 역고드름의 중심부에 흰 기포가 길게 늘어서 있는 것을 볼 수 있다. 이 부분이 물의 통로였던 것이다. 역고드름의 굵기나 모양, 기우는 각도 등은 그때 그때 다르게 만들어진다. 다만 길이만은 물의 양과 취약부의 크기에 따라 영향을 받는다. 아무튼 역고드름이 만들어지려면 그릇에 접한 물이 속히 잘 얼어야 하며 웅덩이에 물이 얼때 생기는 숨구멍과 같은 위쪽 얼음에 취약부가 생겨야 한다. 위쪽 얼음이 깨지면서 좁은 틈 부분은 약간의 물이 밀려 나오면서 곧 얼어붙어 틈을 메꾸게 되지만, 비교적 큰 틈은 곧바로 얼음으로 메꾸어지지 않으므로 취약부가 형성될 수 있다. 연구에 의하면 역고드름은 영하 6 내지 7도인 날씨에 대류가 일어나지 않는 밤에 잘 만들어 진다고 한다.
물은 4℃에서 밀도가 가장크고 0℃에서 얼기 때문에 웅덩이나 소(沼)의 물은 위 표면부터 언다. 이유인 즉, 상온의 물의 온도가 내려감에 따라 밀도가 증가하기 때문에 찬물이 아래로 내려가고 따듯한 물이 위로 올라오는 대류가 일어난다. 그러다가 4℃가 되면 대류는 더 이상 일어나지 않는다. 4℃의 물이 가장 무겁기 때문에 아래쪽에 자리하고 위쪽이 찬바람에 온도가 0℃로 계속 내려가도 자리바꿈은 일어나지 않고, 0℃가 된 표면의 물은 얼게 된다. 이 때문에 바닥쪽의 물은 4℃를 유지하게 되고 그 때문에 어느정도 깊은 곳의 물고기가 겨울을 나면서 얼음속에 동결하는 일은 거의 일어나지 않는 것이다.
[공중얼음]
공중얼음은 [그림4]와 같이 돌이나 풀, 나무에 붙어 수평으로 자라는 얼음을 말한다. 이는 아래쪽에 지열이나 수온에 의해 따듯한 공기가 자리하고 위쪽에 찬공기가 분리된채 평형을 이룬 상태 일 때, 그 경계면에서 생기게 된다. 이 두 공기는 바람이나 교류현상으로 뒤섞이지 않고 불안정한 평형 상태를 이루고 있어야 한다.
[그림4] 공중얼음
그러면 증발된 수증기가 위로 올라오다가 찬공기를 만나면서 응결하여 얼거나 승화하여 얼음이 될 것이다. 그러나 공기중에서는 얼어서 중력에 의해 떨어지던가 작은 빙정구름과 같은 상태로 있다가 아래로 내려오면 다시 녹아 버릴 것이다. 그러나 나무나 옹이가 경계면에 있으면 얼음이 엉겨붙어 버리고 경계층을 따라 얼음은 수평으로 점 점 자라게 될 것이다. 얼음의 위면이나 아래면은 반들 반들한 상태가 되겠지만 수증기가 아래에서 심하게 공급되는 경우는 마치 서리꽃이라 부르는 상고대처럼 공중얼음의 아래쪽은 [그림5]에서와 같이 승화된 얼음이 뽀족하고 두텁게 만들어질 것이다.
[그림5] 공중얼음이 만들어지는 원리
[그림5]에 공중얼음이 만들어지는 원리도를 주었다. 단 이와같이 공중얼음이 만들어지기 위한 조건은 따로 실험을 해 보아야 할 것이다. 즉, 따듯한 공기와 찬공기의 온도차가 얼마여야 한다던가, 증발된 수증기압이 어느정도 이상이어야 공중얼음이 만들어질 것인지를 확인해 보아야 할 것이다.
---------------------------- by Dajaehun
