얼음이 미끄러운 진짜 이유

이 글을 쓰고 있는 지금, 밖에는 스키나 썰매를 타는 분들은 좋아할 정도로 눈이 아주 많이 온다. 하지만 산의 꽤 높은 곳에 사는 저는 눈길을 걸어 내려가다 자주 미끄러지곤 했기 때문에 이런 날씨를 싫어한다. 길이 미끄러워 교통대란이 일어나는 경우도 많으니, 이런 날은 집안에 콕 박혀서 글이나 쓰고 싶다. 그런데 지금은 모임이 있어서 귀찮아도 나가봐야겠다. ㅠㅠ


이런 생각을 하다보니, 자연스레 눈과 얼음이 미끄러운 이유에 대해서 생각하게 된다. 기존에 가장 널리 알려진 이론은 아래와 같다.

  1. 얼음이 무언가에 눌렸을 땐 잠시 녹아 물로 된 얇은 막(수막)이 생겨서 미끄러워진다.
  2. 얼음은 원래 마찰계수가 작다.
  3. 얼음 위에 올라가 있는 물체가 움직이면 마찰에 의해서 얼음이 녹아 수막이 생겨서 미끄러워진다.

이 이론들은 각각이 얼음을 이용한 여러 가지 실험을 설명해준다. 그러나 다음과 같은 의문을 불러온다. 얼음이 그렇게 쉽게 녹았다가 다시 얼 수 있는 걸까? 또는 아주 추운 곳에서도 얼음이 미끄러울까? 많은 과학자는 이 의문들에 기존 이론들이 좋은 답을 주지 못한다는 걸 알아챘고, 그중 일부는 이를 해결하려고 좀 더 깊이 연구하기도 했다.

그들의 연구를 살펴보기 이전에 빙하에 대해 살펴보는 게 좋겠다.

얼음의 구조

얼음의 구조 하면 가장 널리 알려진 것이 눈의 육각형 구조일 것이다. 꼭 눈이 아니더라도 분자 수준에서 보면 얼음은 눈과 구조가 같다. 그러나 얼음이든 눈이든 우리가 보지 못하는 구조가 있다. 바로 물과 구멍이다. 여기에서 물이 중요하다. 물은 어떠한 경우에도 단번에 얼음으로 바뀌지 않고, 온도가 내려감에 따라서 아주 서서히 얼음의 양을 늘리며 변해간다.

뼈대는 고체인 얼음이고, 뼈대 사이는 구멍이 숭숭 뚤려있다. 이 구멍은 프렉탈 구조로 이뤄지는데, 작은 구멍이 연결되다가 더 큰 구멍을 이루고, 더 큰 구멍은 다시 더욱 큰 구멍에 연결되기를 반복한다.

얼음의 높이가 매우 높으면 얼음 속의 구멍의 길이도 길어진다. 그러면 구멍에 들어가있는 물을 지탱하는 힘인 표면장력보다 밑으로 끌어내리는 중력이 더 강해져서 물이 밑으로 흘러내리게 된다. 이 현상은 온도가 높아 물이 많아질수록 더 강하게 일어난다. 결국 윗부분은 구멍이 비어 공기가 많아지고, 아래쪽은 물이 찬 상태로 남는다. 물은 상식적으로 투명하지만, 사실은 붉은색을 푸른색보다 아주 조금 더 많이 흡수하기 때문에, 물이 가득 찬 얼음은 게토레이 색으로 보인다. 꼭 빙하가 아니더라도, 강물이 언 얼음을 보면 색이 푸른 것을 알 수 있다. 반면에 얼음 윗쪽은 빈 구멍에 의해 빛이 산란되기 때문에 희게 보인다.

이렇게 말하고 보니 온도가 낮을수록 얼음이 단단한 이유도 알 것 같다. 뼈대인 얼음의 양이 더 많아지기 때문이다. 흰 얼음도 투명한 얼음보다 더 약할 것이다.

얼음의 이런 특성은 진흙의 특성과 비슷하다. 진흙창은 말랐을 때는 그냥 흙바닥이고, 부서지면 흙먼지이다. 그러나 젖으면 매우 미끄럽고, 흙먼지도 한 덩어리로 뭉쳐 다시 진흙이 됩니다. 더군다나 진흙을 쌓아두면 표면에 물이 흘러나오면서 지도 위에 선으로 그어진 강 같은 흔적이 생기는데, 이게 얼음이 녹을 때 얼음 위에 생기는 홈과 무척 비슷하다. 이는 얼음과 진흙이 미세구조는 꽤 차이가 나지만, 거시적인 관점에서는 별반 다르지 않다는 걸 보여줍니다.

빙하의 특성

빙하(氷河)는 얼음의 강이다. 그러나 강이 얼어서 생기는 게 아니고, 눈이 쌓여서 생긴다. 눈이 자기 무게에 눌려서 점점 공기를 밖으로 방출하고, 얼음이 되는 것이다. 이렇게 만들어진 빙하는 아래로 아래로 미끄러져 내리다가 녹아 강이 되거나, 그대로 바다에 이르면 붕빙(崩氷)이 된다. 빙하는 어떻게 미끄러져 내려가는 걸까?

이런 빙하의 특성은 빙하 속으로 흐르는 물에 기인한다. 빙하의 구멍을 통해서 여기저기서 조금씩 흘러내린 물이 밑바닥에서 흐른다. 물은 얼음 밑으로 모여들면서 환경에 맞게 주변의 얼음을 녹여 구멍을 점점 커지게 만든다. 점점 커지던 구멍은 빙하에 가려 보이지 않는 큰 강이나 물웅덩이가 되기도 한다. 그 구멍은 때때로 고층건물이 들어갈 수 있을 정도로 커진다.

그런데 얼음이 녹을 정도로 빙하 온도가 높은 건 아닌데, 어떻게 빙하에서 물이 흘러나오는 것일까?

아르헨티나 엘 칼라파테의 모레노 빙하

얼음의 특성

다시 말하자면, 0 ℃의 얼음은 물이 매우 많고, 온도가 낮아질수록 물의 양이 점점 줄어든다. 그러다가 -148 ℃가 되면 모든 물이 얼음으로 바뀐다. 얼음 위의 수막도 마찬가지여서 온도가 낮아질수록 점점 얇아지다가 매우 추워지면 없어진다.

수막이 없는 얼음은 어떤 상태일까? 추운 알프스산맥에 지은 연구시설이나 남극에서 관측된 눈과 얼음은 -50~-60 ℃ 정도까지만 미끄러운 현상이 관찰된다. 그보다 온도가 낮으면 꼭 마른 모래알 같아서 미끄럽지도, 뭉쳐지지도 않았다고 한다.

눈은 기온이 높을 때 함박눈으로 오고, 기온이 낮을 때 가루눈으로 오는 이유도 설명해준다. 수막이 두꺼울수록 더 쉽게 달라붙기 때문에 덩치가 큰 함박눈이 되는 것이다. 가루눈보다는 함박눈이 올 때 눈싸움을 하거나 눈사람을 만들기 더 좋다는 옛 어르신의 말씀도 바로 이해됩니다. 수막이 두꺼워야 표면장력이 커서 더 쉽게 뭉치는 것이다.

무너져 내리는 모레노 빙하

얼음끼리 붙여놓기만 해도 서로 달라붙어 하나가 되는 것도 이해할 수 있다. 빙하 속에서 물이 흘러나오는 이유도 간단히 설명할 수 있게 됐다.

얼음 표면에 있는 물은 얼음의 많은 특징을 설명해준다. 얼음이 무언가에 눌려서 녹지 않더라도, 수막현상 때문에 미끄러운 건 당연했던 것이다.

얼음의 이런 성질은 이미 많은 곳에서 이용되고 있다. 스케이트를 타기 위해 만드는 빙판은, 얼음 밑에 매우 찬 냉각파이프를 설치하고 공기 온도는 영상을 유지해서 관리한다. 이렇게 해야 얼음이 단단해 칼날이 쉽게 박히지 않아 관리가 쉽고, 수막은 두꺼워서 더 미끄럽다.

재미있는 실험

재미있는 가상실험 하나 소개한다. 이 실험을 성공하려면 물감을 잘 선택해야 한다.

– 준비물

얼음, 물감, 냉장고, 얼음을 팔 수 있는 끌

– 실험방법

1. 얼음을 조금 크게 얼린다.

2. 얼음 위를 오목하게 파낸다.

3. 파낸 얼음 홈에 물감을 탄 물을 붙는다. 물 온도가 너무 높으면 안 된다.

4. 냉장고에 이 얼음을 넣고, 얼음이 녹지는 않지만 최대한 높은 온도인 0 ~ -2℃로 유지한다.

시간이 한참 지난 뒤에 살펴보면 물감이 얼음 안쪽으로 스며든 모습을 볼 수 있다.

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