얼음은 왜 물 위에 뜨는가? 만일 뜨지 않는다면?

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얼음이 물 위에 뜬다는 사실을 의심하는 사람은 없다. 그러나 액체에서 고체로 변한 얼음이 왜 물밑으로 가라앉지 않는지 이유를 아는 사람은 드물 것이다. 얼음이 물 위에 뜨는 이유를 바르게 알게 된 것은 아주 최근이기도 하다.

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얼음이 물에 뜨게 된 물리학적 이유는 얼음의 밀도가 물보다 낮아졌기 때문이다. 고체인 얼음은 밀도가 더 높아져야 하는데 왜 액체 상태일 때보다 가벼워졌을까? 과학자들은 오래도록 그 이유를 이론적으로만 생각할뿐 확실한 답을 알지 못했다.

 

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물 분자를 보면, 수소 원자 2개는 양(+) 전하를, 1개의 산소 원자는 음(-) 전하를 가진 3개의 원자로 이루어진 화합물이다. 그리고 수소의 전자와 산소의 전자는 아래 그림처럼 서로 공유(共有)하여 안정 상태를 이루고 있다.

 

 

 

산소가 가진 8개의 전자 중에 2개는 내각을 돌고 6개는 외각에 있다. 수소는 전자가 1개뿐이다. 그림처럼 산소는 수소의 전자 2개를 빌려 외각을 8개 전자로 채우고, 수소는 산소의 전자 1개를 공유하여 외각에 2개의 전자를 갖게 되었다. 외각에 2개 또는 8개의 전자가 돌고 있으면 그 분자는 안정 상태가 된다.

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물이 얼음으로 변했다는 것은 물 분자의 구조에 큰 변화가 생긴 것이다. 물이 액체일 때는 분자의 상태가 결정 구조가 아니었지만, 얼음이 되면서 결정 구조로 변한다. 얼음의 결정 구조는 6각형이다. 눈이 6각형 구조를 갖는 것도 같은 이유이다.

 

 

 

물이 얼어 6각형의 결정 구조가 되자(오른쪽). 결정 사이에 상당한 틈이 형성되고, 그 틈에 공기가 들어간다. 결정 구조 사이가 공기로 채워진 얼음 분자는 물보다 밀도가 낮아지므로 결국 물 위에 뜨게 되는 것이다.

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얼음이 물 위에 뜨는 것은 자연이 준 큰 은혜일 것이다. 단 1년 동안만 얼음의 밀도가 물과 같다거나 더 커진다면, 남북극의 바다는 해저 바닥까지 얼음덩이가 될 것이고, 남극대륙의 빙하는 남아메리카 대륙과 이어질 것이며, 한겨울을 지낸 한강은 흐르지 못하는 얼음강이 될 것이다. 그런 거대한 얼음덩이는 쉽게 녹지도 않을 것이고, 얼음 속에는 생명체도 살 수 없을 것이다.

 

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그뿐이 아니다. 남북극의 바다가 바닥까지 얼음이 된다면, 바다에서는 해류가 형성되지 않아 바닷물을 골고루 휘저어주지(해수의 순환) 못하게 될 것이고, 해저의 물이 위로 올라오면서 영양가 많은 아래의 물을 상층으로 올려주는 대류도 일어나지 않을 것이다.

 

 

 

4℃ 때의 물의 밀도는 1g/cm3이고, 0℃ 얼음의 밀도는 약 0.9167g/cm3이다. 그러므로 얼음은 물보다 약 9% 가볍다. 남북극의 얼음이 대규모로 녹아 바다로 들어가기 때문에 해수면의 수위가 상승하고 있다.

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남북극 바다의 얼음 속에는 염분이 없다. 그 이유는 바닷물(소금물)이 얼 때는 포함되어 있던 염분은 남겨두고 물 분자끼리만 결합하여 얼음 결정이 되기 때문이다. 설탕물이 얼 때도 마찬가지로 설탕은 남겨두고 물만 결빙한다. 얼음의 밀도가 물보다 커서 얼음이 해저 바닥까지 언다면, 얼지 않은 바닷물은 지금보다 훨씬 염도가 높은 상태가 될 것이다.

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빙하의 물이 바다로 들어가면 해수의 염분 농도는 계속 낮아질 것이다. 염분이 많은 해수는 잘 얼지 않는다. 반면에 염분이 적은 물은 수온이 빨리 올라간다. 수온이 높아지면 남북극의 빙판은 표면에서만 아니라 물밑에서도 녹아, 수면상승 속도는 더욱 증가할 것이다. -YS