왜 물이 바닥부터 얼지 않고 위에서부터 어는지 설명 부탁드려요.

Question

겨울철 호수의 물이 얼 때 신기하게도 바닥부터 얼지 않고 표면부터 얼잖아요. 만약 밑에서 부터 언다면 물고기나 생명체가 살수가 없을 텐데요. 왜 물이 바닥부터 얼지 않고 위에서부터 어는지 설명 부탁드려요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

일반적인 액체는 온도가 낮아질수록 분자 간격이 좁아져 계속 밀도가 증가하지만, 물은 4°C에서 밀도가 가장 커지고, 4°C보다 온도가 더 내려가면 오히려 다시 밀도가 증가하는 특이한 성질을 가지고 있습니다. 따라서 호수 전체의 물이 4°C가 될 때까지는 대류 현상이 일어나 무거워진 표면의 물이 바닥으로 가라앉고 대신 바닥에 있던 상대적으로 따뜻한 물이 위로 올라와 호수 전체의 물 온도가 차례로 4°C까지 맞춰집니다.

그리고, 물의 온도가 4°C 아래로 내려가면 분자 구조가 배열을 바꾸면서 오히려 부피가 늘어나고 밀도가 낮아져 바닥으로 가라앉지 못하고 표면에 떠 있게 됩니다. 계속 표면에 갇혀 있던 0°C의 가벼운 물이 가장 먼저 얼음으로 변한 다음 얼음 역시 물보다 밀도가 낮아 수면에 둥둥 뜨게 됩니다. 한 번 만들어진 수면의 얼음층은 외부의 차가운 공기를 막아주는 강력한 단열 역할을 하기 때문에 수면 아래까지 얼지 않는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요. 호수의 물이 위에서부터 어는 것은 물의 밀도가 온도에 따라 특이하게 변하기 때문인데요, 특히 물은 대부분의 물질과 달리 4℃에서 밀도가 가장 높다는 독특한 성질을 가지고 있습니다. 이 때문에 겨울에도 호수 전체가 한꺼번에 얼지 않고, 표면부터 얼어가는 현상이 나타납니다. 가을에 기온이 내려가면 먼저 호수 표면의 물이 차가워집니다. 물이 20℃에서 10℃, 5℃ 정도로 식을수록 밀도가 증가하기 때문에 차가워진 물이 아래로 가라앉고, 상대적으로 따뜻한 물이 위로 올라옵니다. 이러한 대류가 반복되면서 호수 전체의 물이 점차 4℃에 가까워집니다.

이때 중요한 변화가 일어나는데요, 물은 4℃에서 밀도가 가장 높기 때문에, 표면의 물이 4℃보다 더 차가워져 3℃, 2℃, 1℃로 내려가면 오히려 밀도가 감소합니다. 따라서 이 물은 더 이상 아래로 가라앉지 않고 표면에 머물게 됩니다. 즉 겨울이 더 추워지면 표면의 물은 0℃까지 냉각되고 얼음으로 변합니다. 20℃ → 10℃ → 5℃ → 4℃까지는 차가워진 물이 무거워져 아래로 내려가지만 4℃ → 3℃ → 2℃ → 1℃ → 0℃에서는 물의 밀도가 오히려 감소하기 때문에 차가워진 물이 위에 머물게 됩니다. 그래서 호수 바닥에는 상대적으로 밀도가 높은 4℃의 물이 남고, 표면에는 0℃에 가까운 물과 얼음이 존재하게 됩니다. 얼음은 액체 상태의 물보다 밀도가 작습니다. 물이 얼면서 수소결합에 의해 비교적 빈 공간이 많은 결정 구조를 만들기 때문입니다. 그래서 얼음은 물에 뜨게 됩니다. 이 얼음층은 호수 전체를 덮으면서 일종의 단열재 역할도 합니다. 얼음과 그 아래의 차가운 물이 열의 이동을 억제하기 때문에 외부가 영하로 내려가더라도 호수 전체가 쉽게 얼어붙지 않습니다. 감사합니다.