안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
물이 겨울철에 표면부터 어는 이유는 물이 4도에서 밀도가 가장 커지는 고유한 특성 때문입니다. 대부분의 물질은 온도가 내려갈수록 밀도가 증가해 바닥으로 가라앉지만, 물은 4도 이하로 떨어지면 오히려 부피가 늘어나고 밀도가 낮아집니다.
4도 이상의 물에서는 열에너지에 의해 물 분자들이 비교적 자유롭고 조밀하게 뭉쳐 있지만, 4도 이하의 물에서는 온도가 낮아지면 분자 운동이 줄어들면서 물 분자들이 수소 결합을 통해 공간이 넓은 육각형 입체 구조를 이루기 시작합니다. 내부 빈 공간이 늘어나면서 4도에서 0도로 갈수록 부피가 커지고 밀도는 작아져 완전히 얼어붙은 얼음은 액체 상태의 물보다 밀도가 작아 물 위에 떠오르게 됩니다.
차가운 공기에 접한 표면의 물이 식어 4도가 되면 무거워져 강 바닥으로 가라앉고, 바닥의 따뜻한 물이 위로 올라는 대류 현상이 일어나게 되고, 표면의 0도 물이 먼저 얼기 시작하며, 밀도가 작은 얼음은 계속 수면에 떠 있게 됩니다.
수면에 형성된 얼음층은 공기와 수면 사이의 열 차단을 돕는 천연 단열재 역할을 하여 얼음층 덕분에 외부의 혹한이 내부로 직접 전달되지 않으며, 강 바닥층은 가장 밀도가 높은 4도의 액체 상태를 안정적으로 유지합니다. 이 덕분에 생물들이 얼어 죽지 않고 겨울을 잘 보낼 수 있는 것입니다.