[지식더하기] 얼음에 가시가 자란다고?!

얼음에 웬 가시?

가만히 있어도 더운 여름, 맛있는 빙수를 만들기 위해 물을 얼린 당신은 놀라운 것을 목격하게 된다!

냉장고에서 나온 얼음의 상태가 심상치 않았다. 얼음에 뾰족뾰족한 가시가 나와있었다.

솟는 고드름이 뭘까?

솟는 고드름은 수십년 전부터 호수나 연못 등에서 대규모로 발견되었으며 냉장고 속 얼음, 반려동물의 밥그릇 등에서도 발견되어오며 인터넷에서 많은 사람들의 이목을 끌었다.

일반적으로 뉴스 등에 나오는 거꾸로 솟아 올라온 고드름의 경우 폐터널이나 동굴 등에서 천정으로부터 떨어지는 물에 의해 형성된 것으 석회동굴의 석순과 원리가 같다. 이 글에서 말하는 솟는 고드름은 물이 위에서 추가적으로 공급되지 않고 중력에 반하여 얼음이 위로 자라는 현상을 말한다. 솟는 고드름은 사실 제대로 된 명칭이 없어서 역삼각형, 원통 등의 다양한 모양에 따라 ice candles, ice towers, ice vases 등로 불린다. 그 중 그나마 보편적인 이름은 1993년 Perry가 사용한 ice spike라는 용어이다.

일반적인 솟은 고드름들은 수 cm 이지만 매우 드문 예로 1963년, Erie라는 한 얼어붙은 호수에서는 얼음에 난 작은 구멍들을 통해 물이 주기적으로 내뿜어지며 1.5 m 짜리 거대한 기둥들을 호수 전체에 만들었다고 한다.

외국에서 솟은 고드름에 대한 최초의 보고는 1921년 Dorsey가 얼음 위로 자라나는 특이한 고드름에 대해 보고한 것이고 그 이후 Bally가 1935년 이에 대한 형성 원인을 제기하였다. 1938년 Dorsey는 물이 천천히 얼 때, 얼음 표면에서 물이 위로 솟아 올라오며 관 모양으로 자란다고 보고하였다. 그 뒤 1951년에 Blanchard가 Bally와 Dorsey가 제기한 살얼음 위에 형성되는 뾰족한 모양의 얼음이 형성되는 원리를 Bally-Dorsey model로 설명하였다. 그 이후에도 실내의 실험 장치를 통해 솟는 고드름을 재현하기 위한 시도와 그 이유를 설명하기 위해 다양한 후속 연구가 진행되고 있다.

솟는 고드름은 어떻게 생길까?

기온이 영하이면 대기 중의 공기와 직접 맞닿아 있는 수면의 물은 살얼음이 막대 형태로 무질서하게 또는 몇몇의 연구에 따르면 삼각형 또는 사각형의 격자 모양으로 형성되면서 서서히 얼게 되며 빙면이 넓어지게 된다. 또한 열이 전달되는데 시간이 걸리기 때문에 내부에 위치한 물의 경우 얼기까지 시간이 더 걸리게 된다.

솟는 고드름이 잘 생성되기 위해서는 용기의 옆면과 바닥의 온도가 수면에 접촉하는 공기의 온도보다 낮아야 한다. 그 이유는 용기의 옆면과 바닥의 냉각 속도가 느리면 물의 부피 팽창 효과가 작아 솟는 고드름이 생성되기 위해 숨구멍이 생기기 전에 표면의 얼음이 매우 두꺼워지기 때문에 솟는 고드름이 생성될 수 없다. 여기서 숨구멍이란 솟는 고드름의 방향, 크기 등에 중요한 영향을 미치는 솟는 고드름이 생기기 위해 얼음에 생기는 구멍을 말한다.

사실 솟는 고드름이 생성되기 시작하는 곳인 숨구멍이 생기는 원인에 대해서는 두 가지 시각이 있다. 첫 번째는 살얼음이 생긴 후 그를 깨면서 형성된다는 입장이다. 두 번째는 마지막까지 얼음이 얼지 않은 부분에서 생긴다는 입장이다. 이에 대해서는 아직 완벽하게 연구되지 않았다.

숨구멍이 생기는 첫 번째 시각에서 살얼음이 깨지는 이유에 대해서는 다양한 원인들이 있다. 첫 번째로는 물이 얼음이 되면서 물 속에 녹아있다가 나오는 기체들이 기포의 형태로 존재함에 따라 살얼음에 영향을 준다는 점이 있다. 두 번째로는 물이 얼면서 나오는 잠열이 얼음을 불안정하게 만들면서 얼음이 약해진다는 점이 있다. 세 번째로는 물의 부피 팽창에 의한 효과가 있다. 물은 얼음이 되며 육각구조를 만들며 분자 간 평균 거리가 멀어져 단위 질량 당 부피가 커지게 된다. 따라서 내부에 갇힌 물은 고체인 얼음이 되면서 액체였을 때보다 더 많은 부피를 차지하게 된다. 하지만 물은 강하게 압착되지 않는 비압축성 유체이기 때문에 물은 더 높은 압력을 받게 되며 이에 의해 얼음이 깨지게 된다.

숨구멍이 생기는 이유가 얼음이 얼지 않은 것으로 보는 경우 물 속 불순물이 집중되어 어는점이 낮아지거나 물의 순환이 있는 곳은 쉽게 얼지 못해 얼지 않거나 덜 얼어서 숨구멍이라는 부분이 생긴다고 본다.

물이 수소결합을 하여 육각구조의 평면을 만들고 그 평면이 반복됨에 따라 결정구조를 만든다

물 분자 간 응집력과 물 분자와 관을 이루는 분자 간 부착력에 의해 가장자리가 가운데보다 더 높다.

4℃의 물보다는 0℃ 이하의 과냉각수가 더 밀도가 낮은 것을 알 수 있다.

물이 얼음이 되면 밀도가 낮아지면서 부피 팽창이 일어나기 때문에 얼음 내부의 압력이 높아지게 된다. 그렇기에 숨구멍이 생기게 되면 물 속에 있던 기포들이 나오게 된다. 그렇기 때문에 솟는 고드름이 생성된 경우에는 고드름 아래의 얼음에 기포가 존재하지 않는 것을 볼 수 있다.

또한 물의 압력이 높아짐에 따라 물의 어는점은 낮아지기 때문에 얼음 내부에 있는 높은 압력 하의 물은 과냉각이 될 수 있다. 과냉각 상태는 불안정하며 외부의 작은 충격에도 민감하게 반응하는데 이를 통해 솟는 고드름이 생성되는 과정 또한 작은 진동에 민감한 영향을 받는 것을 설명할 수 있다.

뿐만 아니라 물의 부피 팽창에 의한 압력 차와 과냉각수의 밀도에 의해 얼음 내부에 있던 가장 차가운 과냉각수도 숨구멍을 통해 나온다. 뿐만 아니라 과냉각수가 관에서 메니스커스를 이루게 되는데 이와 모세관 효과에 의해 과냉각수가 공급되기도 한다. 이 과냉각수는 숨구멍을 통해 나오며 쉽게 결빙될 수 있기 때문에 솟는 고드름을 성장시킬 수 있다. 그렇기에 솟은 고드름이 계속 성장되기 위해서는 숨구멍이 형성된 이후에도 물이 계속 냉각되면서 꾸준히 과냉각수를 공급해야 한다.

추가적으로 솟는 고드름이 잘 생성되기 위해서는 -5℃에서 -8℃를 유지해야 하는데 그 이유는 얼음을 지속적으로 얼릴 수 있으면서 고드름의 끝 부분까지 모두 얼려 성장을 방해하지 않을 적당한 온도이기 때문이다. 뿐만 아니라 물 속의 무기물들이 불순물로 작용해서 과냉각수가 제대로 생기지 않을 수가 있으므로 일반적으로는 증류수를 사용해서 솟는 고드름을 만들어야 한다. 하지만 몇몇 수돗물의 경우, 증류수처럼 솟는 고드름을 잘 만들 수 있는데 그 원인에 대해서는 아직 밝혀지지 않았다.

얼음 가시에 대해 더 알아보고 싶다면 다음 영상들을 참고하면 도움이 될 것이다.