여름철 깊은 호수나 저수지의 물속 온도가 표면보다 훨씬 차가워지는 이유는 무엇인가요?

Question

여름철 깊은 호수나 저수지의 물속 온도가 표면보다 훨씬 차가워 층을 이루는 변온층 현상을, 물이 4도에서 밀도가 가장 커지는 고유한 부피 특성 때문에 밀도가 높은 차가운 물이 아래로 가라앉아 대류가 차단되는 원리로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

여름철 깊은 호수나 저수지에서 수심에 따라 온도가 급격히 변해 층을 이루는 변온층 현상은 물의 독특한 밀도 변화 때문에 발생합니다. 일반적인 액체는 온도가 낮아질수록 밀도가 계속 증가하지만, 물은 섭씨 4도일 때 부피가 가장 작고 밀도가 가장 커지는 고유한 물리적 특성을 지니고 있습니다.

​여름이 되면 호수 표면은 강한 태양열을 받아 온도가 높아지면서 부피가 커지고 밀도가 낮아집니다. 반면 태양 빛이 닿지 않는 깊은 물속은 봄철의 차가운 상태를 유지하게 되는데, 이 물이 4도에 가까워질수록 밀도가 가장 높아져 무거워지기 때문에 호수 바닥 쪽으로 단단히 가라앉게 됩니다.

​보통 액체는 아래쪽이 따뜻하고 위쪽이 차가워야 순환하는 대류 현상이 일어나지만, 여름철 호수는 이미 가장 무겁고 밀도가 높은 차가운 물이 아래에 있고 가벼운 따뜻한 물이 위에 얹혀 있는 매우 안정적인 구조를 이룹니다. 이 때문에 위아래 물이 섞이는 대류가 완전히 차단됩니다. 바람이 불어도 표면의 따뜻한 물만 섞일 뿐 깊은 곳의 차가운 물까지는 도달하지 못합니다.

​결국 태양열로 데워진 상층의 따뜻한 물 층과, 대류가 차단된 채 바닥에 갇혀 있는 4도 안팎의 차가운 물 층 사이에 수온이 급격하게 떨어지는 경계면인 변온층이 형성되는 것입니다.