바닷물도 얼까요, 언다면 영하 몇도에서 얼까요?

추운 겨울날 기온이 영하로 내려가면 한강물이나 경포대호수는 얼게 된다.

그러나 그 때 바로 옆의 경포대 앞바다는 얼지 않고 여전히 푸른 물결을 풀렁이고 있다.

왜 그럴까?

먼저, 바닷물은 소금물이기 때문에 어는 점이 내려간다.

그런데 기온이 더 내려가서 영하 10℃ 이하로 내려갔는데에도 경포 앞바다는 얼지 않는다.

왜 그럴까?

이제 그 이유를 차근차근 알아 보도록 하자.   

 

 

수한 물은 섭씨 영하 0도이하에서 언다.

문제는 여기에 다른 물질들이 녹아 들어 있으면 그만큼 어는점이 낮아지거나 끓는점이 높아지는 현상이 발생한다는 점이다.

바닷물에 녹아 있는 성분을 조사해 보면 염화나트륨이 78%, 나머지는 염화마그네슘을 비롯한 여러 성분이 들어 있으며,

통상 세계 바다의 평균 염준의 농도는 35‰(퍼밀)이다.

즉 바닷물에는 3.5%의 소금이 들어 있는 셈이다.

다시말해서 바닷물 100cc를 증류하면 3.5g정도의 소금을 얻을 수 있다.

 

이 소금을 비롯한 마그네슘이 바닷물의 어는 온도를 섭씨 -1.91도 낮춘다.

때문에 바닷물은 순수한 물보다 섭씨 약 2도 정도 더 낮은 온도가 되어야 어는 것이다. 

 

바닷물,그 짠맛이 없어져야 얼리라

 

소금이나 염화마그네슘은 물이 어는 것을 방해하는 역할을 한다 .

물이 어는 것은 물분자와 물분자가 수소 결합으로 연결되어 육각형을 이루는 것을 의미한다.

그런데 이들 이온이 물분자 사이에 끼어들어 서로 결합하는 것을 방해한다.

특히 염화나트륨은 물에 녹으면 나트륨 이온과 염소 이온으로 아주 잘 분리된다.

각각의 이온은 그만큼 많은 물분자 틈새에 끼어들어 물이 어는 것을 방해한다.

그래서 순수한 물에 비해 더러운 물이 더 빨리 얼지 않는다.

보통 수돗물, 더러운 강물, 바닷물 순으로 언다.

 

 

호수가 어는 이유는 무엇인가?

 

호수가 어는 것을 살펴 보면 반드시 위에서 부터 어는 것을 알 수 있다.

그 이유는 물의 특성과 관련되어 있다.

물은 4℃(정확하게는 3.98℃)때 가장 무겁다.

즉 밀도 또는 비중이 가장 높다.

물은 4℃가 되었을 때 가장 무겁고, 4℃ 이하로 온도가 떨어지면 물의 무게는 다시 가벼워진다.

바깥 기온이 떨어져 호수 표면의 온도가 내려 가면 표면에 있는 물의 무게는 무거워져서 바닥으로 가라앉고,

호수바닥에 있는 가벼운 물은 위로 떠 오른다.

이러한 대류 현상은 호수물의 온도가 4℃가 될 때까지 계속된다.

호수 표면의 무게보다 가벼워지기 때문에 더 이상 대류 현상은 발생하지 않고 호수 표면에 그대로 머물게 된다.

바깥기온이 더욱 떨어진다면 호수 표면의 온도는 3℃→2℃→1℃→0℃로 내려 가다가 어는점 0℃에서 표면부터 얼기 시작한다.

이렇게 해서 언 얼음은 물보다 가볍기 때문에 수면을 덮은채 남아 있게 되고, 얼음의 층은 점차 두꺼워진다.

이때 호수 밑바닥의 물의 온도는 4℃로 남아 있게 된다.

이러한 이유 때문에 호수나 강물은 윗부분부터 얼기 시작한다

 

 

너무나도  큰바다를 다 얼리기는...

 

염분 35‰의 염분을 가진 바닷물이 가장 무거울 때에는 -1.91℃에서 이다.

그렇다면 그온도 이하인 영하 15도, 영하 30정도 되는 날씨가 되면 바닷물도 얼어야 하는 것 아닌가?

 

물론 그렇다.

바닷물을 세숫대야로 떠다 집 밖에 내 놓으면 섭씨 영하 2도 정도면 언다.

그러나 바다는 세숫대야와는 그 크기를 비교할 수 없을 정도로 넓고 깊다.

 

지구의 표면적은 5억1010만㎢이며, 그 중 약 71%가 바다를 형성하고 있는데,거기에 담겨있는 바닷물 전체를 -1.91℃로 내려가게 하는데는 아주 오랜시간이 걸린다.


즉 바다가 봄 여름 가을 등 영상의 날씨 때 태양열을 받아 따뜻해진 열을 오랫동안 품고 있는것에 반해서,

몇 개월 밖에 되지 않는 겨울 기간 동안에 그 열이 다 빠져 나가지 못하기 때문이다.

 

더구나 위에서 언급했듯이 물은 섭씨 영상 4도일 때가 비중이 가장 높다. 즉 가장 무겁다.

그러므로 이 물은 바닷물 밑바닥으로 가라앉고,

그 대신 바다 밑바닥에 있는 상대적으로 따뜻한 물이 다시 물 위로 솟아 오른다.

이런 과정이 반복되기 때문에 바닷물 표면 온도가 좀처럼 낮은 온도로 쉽게 떨어지지 않는 것이다.

 

 

얼고 싶은 바다,얼지 않는 바다

 

지구에 받는 태양열에 의해 지구의 기후는 변화 무쌍하듯이

바닷 속 또한 수온에 의해 각지역에 지형에 따라 특색있는 해류도 발생하는 것도 바다가 얼지 않게 하는 원인이기도 하다.

물론이 또한 수온에의해서 물의 대류현상이기도 하지만,

대부분 북위 45도 이상의 북극 바다는 한 겨울에 바다는 어는데,

난류가 흐를러서 수온이 높은 곳에서는 추운 겨울이 되더라도 얼지 않는다.

 

일예로 러시아의 블라디보스톡(북위 43도)항은 11월부터 다음해 3월까지 얼어 붙은 항구이지만,

그보다 위도가 높은 노르웨이의 함메르페스트(북위 70도, 노르웨이 최북단 항구)항구나 러시아의 무르만스크(북위 69도)항구는 난류의 영향으로 겨울에도 얼지 않는 부동항으로 유명하다. 

 

 

파도와 소금은 한통속?

 

파도가 항상 일고 있는 것도 어는 것을 방해하는 한 요인이다 .

설사 바다 표면의 온도가 영하 10도 정도로 내려갔다고 해도 파도가 계속 치기 때문에 얼음이 생길 틈이 없다.

얼음이 얼려면 표면이 비교적 잔잔하게 되어 있어야 한다.

물론 세숫대야의 물을 아주 추운 날 흔들어 댄다고 해서 어는 것을 막을 수는 없다.

세숫대야의 물을 흔들어 열을 내거나 밀도 높은 물이 밑으로 내려가게 한다고 해도 추운 날이 빼앗아가는 열을 감당할 수 없기 때문이다.

그러나 바다는 너무나 광대하며 그 속에 품고 있는 열 또한 엄청나기 때문에 추운 날에도 얼지 않고 견딜 수 있는 것이다.

그렇다면 왜 바닷물에 소금이 많은 것일까.

염소는 보통 화산활동으로 많이 생긴다.

해저는 육지보다 지각의 두께가 얇아 바다 속에서 화산 활동이 자주 있다.

마그마가 뚫고 나오기 쉽게 때문이다.

나트륨은 암석이나 토양에 많이 포함되어 있다.

이런 나트륨이 빗물에 씻겨 바다로 흘러 들어가고, 거기서 염소와 결합해 염화나트륨이 된다.

그러나 강물에는 나트륨은 많지만, 염소가 거의 없어 소금을 만들지 못해 짜지 않다.

 

 

이온이 많을수록 얼기 힘들다?

 

염화나트륨은 겨울철 도로에 눈이 내렸을 때 뿌리는 제설제로 사용되기도 한다 .

눈이 오는 날 청소차 등에서 하얀 가루 등을 대량으로 도로에 뿌리는 것을 볼 수 있는 데,

그게 바로 염화나트륨이나 염화칼슘(CaCl₂)이다.

집에서도 마당 등의 눈을 치운 뒤 거기에 소금을 뿌리기도 한다.

이는 바닷물의 순수한 물보다 낮은 온도에서 어는 원리를 이용한 것이다.

 

소금의 농도가 3.5%였을 때 물의 어는 온도를 약 2도 정도 낮추므로

이 농도를 아주 높게 하면 영하 20도에도 내리는 눈이 얼지 않고 녹게 할 수 있다.

 

소금보다 더 강력한 제설제는 염화칼슘이다.

염화칼슘은 눈과 만나면 발열반응으로 열을 낸다.

그 열로 눈을 녹이며, 녹은 물이 얼지 않게 한다.

염화칼슘 30%가 섞인 물은 섭씨 영하 50도에서나 얼기 시작한다.

염화칼슘이 염화나트륨보다 더 어는 온도를 낮추는 것은 각각이 물에 녹았을 때 만드는 이온의 농도 차 때문이다.

소금은 나트륨과 염소 각각의 이온을 하나씩만 만들지만,

염화칼슘은 칼슘 하나와 염소 두 개 등 모두 3개의 이온을 만든다.

이온이 많으면 많을수록 물이 어는 것을 더 잘 방해할 수 있다.

 

 

원문출처-http://webzine.basf-korea.co.kr

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