겨울에도 강이나 바다에 표면만 어는 이유는 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 영하로 떨어진 한 겨울에도 강이나 바다 표면만 얼어 있기 때문에 수중 생태계를 구성하는 생명체들이 얼어죽지 않고 생활할 수 있다고 합니다. 이처럼 왜 표면부터만 어는 것인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 박재민 수의사입니다.

물은 아주 특이하게도 사 도에서 가장 무겁고 그보다 더 차가워지면 오히려 가벼워집니다 그래서 겨울에 물이 식으면 처음에는 차가운 물이 아래로 내려가 섞이지만 표면 물이 사 도보다 더 낮아지면 더 이상 아래로 가라앉지 못하고 위에 머물게 됩니다 그 위쪽이 먼저 영 도가 되어 얼음이 생기는 거예요

또 얼음은 액체 물보다 가벼워서 뜨고 표면을 덮습니다 이렇게 생긴 얼음층은 바깥 찬 공기를 막아주는 이불 같은 역할도 해서 아래 물이 한꺼번에 얼지 않게 해 줍니다 그래서 물속 생물들이 겨울에도 살아갈 수 있습니다

Answer 2

물이라는 물질의 물리적 특성 때문입니다.

보통 물질은 차가울수록 무거워지지만, 물은 4도에서 밀도가 가장 크고 그보다 온도 낮아지면 오히려 가벼워집니다.

그래서 겨울철 수면이 식어 4도가 된 무거운 물은 바닥으로 가라앉고, 따뜻한 물이 위로 올라오는 대류가 반복됩니다.

이후 전체 수온이 4도가 되면 대류가 멈추고, 더 차가워진 가벼운 물만 표면에 머물다 0도에서 얼기 시작하는 것입니다.

그런데, 이렇게 얼어붙은 표면 얼음은 단열재 역할을 하여 외부 냉기를 차단하게 되고 그 결과 얼음 아래 물은 액체 상태를 유지하고, 수중 생명체들이 살아갈 수 있는 것입니다.

Answer 3

물은 섭씨 4도에서 밀도가 가장 커지는 특이한 물리적 성질을 가지고 있기 때문입니다. 기온이 낮아져 강물이나 바닷물의 온도가 내려가면 차가워진 물이 아래로 내려가고 상대적으로 따뜻한 물이 위로 올라오는 대류 현상이 발생합니다. 그러나 수온이 섭씨 4도에 도달하면 밀도가 최대가 되어 더 이상 아래로 내려가지 않고 표면에 머물게 되며 이후 온도가 0도까지 떨어지면서 표면부터 얼음이 형성됩니다. 생성된 얼음은 액체 상태의 물보다 밀도가 낮아 물 위에 뜨게 되고 외부의 찬 공기를 차단하는 단열재 역할을 수행하여 수심이 깊은 곳까지 얼어붙는 것을 방지합니다. 바다의 경우에는 염분으로 인해 어는점이 더 낮아지지만 전반적인 밀도 변화에 따른 수직 순환과 표면 결빙 원리는 동일하게 적용됩니다.