불순물 없는 물 영하서도 쉽게 얼지 않아 / ‘과냉각 물’ 작은 충격에도 얼음으로 변해

먼동이 터오는 새벽, 소양강에 물안개가 자욱이 피어오른다. 영하로 훌쩍 내려간 날씨에 안개 속 물방울이 위태롭게 강물 위를 떠다닌다. 바람에 밀려난 물방울이 소양강변의 나무에 부딪히며 순식간에 얼음으로 변해 달라붙는다. 그 위에 다른 물방울이 부딪혀 얼면서 겹겹이 쌓여간다. 가지 위에서 거친 바람을 견디며 응집하는 얼음 알갱이들이 산 능선을 넘어와 쏟아지는 햇빛을 흩뿌리며 찬란함으로 빛난다. 나무 서리(상고대)의 장관이 소양강변을 온통 뒤덮는 순간이다.

지난주 찾아온 때 이른 한파는 소양강변에 상고대란 환상적인 작품을 만들었다. 표준국어대사전에 따르면 상고대란 ‘나무나 풀에 내려 눈처럼 된 서리’다. 그러나 엄밀히 말해 상고대와 서리는 다르다. 서리는 추운 날씨에 공기 중 수증기가 차가운 표면에 직접 동결되며 생기는 데 반해 상고대는 안개처럼 공기 중에 떠 있는 물방울이 물체의 표면에 부딪히며 결빙돼 형성된다. 강을 흐르는 소양강댐의 발전 용수는 비교적 수온이 높기에 추운 날씨에 풍성한 물안개를 만들어낸다. 그런데 영하 16도의 한파 속에 피어오른 안개 속 물방울이 어떻게 얼지 않고 액체 상태를 유지하는 것일까.

교과서에는 물의 끓는점인 섭씨 100도와 어는점인 0도 사이의 온도 구간에서 물이 액체 상태를 유지한다고 적혀 있다. 그런데 물은 훨씬 더 넓은 온도 범위에서도 존재할 수 있다. 보통 컵에 담긴 물이 냉각돼 0도에 도달하면 곧 얼음이 생긴다. 물속에 떠다니는 불순물이나 용기 표면의 미세한 거칠기가 얼음이 손쉽게 생성될 수 있는 핵, 즉 중심의 역할을 하는 것이다. 그런데 불순물이 없는 깨끗한 물이 매우 매끈한 용기에 담겨 있다면 영하로 내려가도 쉽게 얼지 않는다. 영하 41도까지 물을 얼리지 않고 냉각했다는 연구 결과도 있다. 이런 물을 ‘과냉각 물’이라 한다. 냉각뿐 아니다. 1972년 한 과학자는 물과 섞이지 않는 액체 속에 고순도의 물방울을 띄워 용기와의 접촉을 차단한 후 물방울을 가열해 섭씨 280도까지 끓지 않음을 보였다.

물은 얼음보다 에너지가 높다. 자유롭게 분자가 돌아다니는 물이 육각형의 결정 구조 속에 분자가 묶여 있는 얼음보다 에너지가 높음은 당연하다. 이에 얼음을 녹일 때는 에너지가 필요하지만 물이 얼면 에너지가 방출되는데 이를 잠열이라 한다. 영하 속 과냉각 물도 액체이기에 고체인 얼음보다 에너지가 높다. 과냉각 물의 운명은 매끈한 언덕의 꼭대기에 놓인 공의 처지와 비슷하다. 언덕 위에서 위태롭게 버티다가 작은 요동에도 굴러 떨어지며 위치에너지가 줄어드는 공처럼, 이미 얼음이 되고도 남았을 혹한 속에서 액체 상태를 유지하던 과냉각 물은 작은 충격에도 쉽게 얼음으로 바뀐다. 새벽녘 소양강 위를 떠돌며 과냉각된 물방울이 나뭇가지에 부딪히는 순간 얼음이 돼 눈꽃으로 피어나는 것은 이 때문이다.

지구는 물이 풍부한 행성이다. 알맞은 두께에 수증기를 잔뜩 머금은 지구의 대기는 일 년 내내 다채로운 기상 현상을 펼쳐보인다. 한여름 창공으로 치솟아 화려함을 뽐내는 무지개도, 한겨울 소양강변을 온통 하얗게 물들이는 상고대도, 연기자는 모두 물방울과 햇빛이다. 올겨울 한 번쯤은 새벽잠을 떨치고 집을 나서보는 것은 어떨까. 대기라는 걸출한 연출자가 올리는 찬란한 연극이 펼쳐질 가까운 강변을 향해.

고재현 한림대 교수·물리학