빙정

확대한 빙정의 모습

빙정(氷晶, ice crystal)은 대기의 온도가 0℃ 이하일 때 대기 속에 생기는 눈 따위와 같은 작은 얼음의 결정을 말한다.

개요

빙정은 대기 중에 생긴 얼음 결정의 일종이다. 대기 중에 존재하는 미소한 얼음의 결정으로, 에어로졸로 되어 있는 것이다. 대기 중에는 빙정이 생길 때에 그 핵이 되는 빙정액(氷晶液)이라는 핵물질(核物質)이 존재한다. 공기가 0°C 이하가 되어야 하며 포화된 수증기가 빙정핵을 중심으로 승화하면서 빙정이 생겨난다. 빙정에 공기 중에 있는 찬 물방울이나 다른 빙정이 달라붙으면 결정이 커져서 눈송이가 된다. 맨눈으로는 보이지 않고 현미경으로 볼 수 있는데, 보통 바늘 모양, 육각뿔 모양, 삼각판 모양 등 여러 가지 결정 구조로 되어 있다. 또한, 기온이 0℃ 이하가 되면 그 핵 위에 형성되는데, 생성될 때의 기상조건의 차이에 따라 육각기둥 모양·육각뿔 모양·삼각판 모양 등 여러 가지 형태가 있고 때로는 불규칙한 비결정성 빙정이 되기도 한다. 빙정이 낙하하는 도중에 다른 빙정이나 과냉각된 물방울(0℃ 이하가 되어도 얼지 않고 액체 상태로 있는 것)에 부착되면 점차 성장하여 설편(雪片)이 된다. 모여져 구름이 되고 성장 강하하여 비나 눈이 된다. 눈과 서리 등의 얼음 결정은 빙정에는 포함되지 않는다.

특징

빙정은 대기 중의 얼음 결정이다. 기온이 0℃ 이하일 때, 빙정핵 위에 형성되는데, 기상조건 차이에 따라 육각기둥, 육각뿔, 삼각판 등 여러 형태가 만들어진다. 낙하하며 점차 성장하여 설편(雪片)이 된다.

대기 중에는 빙정이 생길 때에 그 핵이 되는 빙정핵(氷晶核)이라는 핵물질(核物質)이 존재한다. 기온이 0℃ 이하가 되면 그 핵 위에 형성되는데, 생성될 때의 기상조건의 차이에 따라 육각기둥 모양·육각뿔 모양·삼각판 모양 등 여러 가지 형태가 있고, 때로는 불규칙한 비결정성 빙정이 되기도 한다. 빙정이 낙하하는 도중에 다른 빙정이나 과냉각된 물방울(0℃ 이하가 되어도 얼지 않고 액체 상태로 있는 것)에 부착되면 점차 성장하여 설편(雪片)이 된다.

성장

중위도지대에서 대류권(對流圈) 상층부에 형성되는 구름 상부는 빙정과 과냉각된 물방울로 되어 있다. 상부에 있던 빙정이 낙하하면 과냉각 물방울과 빙정이 어떤 층에서는 공존하게 된다. 물방울의 두 가지 상태가 공존하는 상태에서는 액상(液狀)인 과냉각된 물방울은 증발하고, 이 증발된 수증기는 빙정 위에서 승화(昇華)하여 점차 빙정이 성장되어 간다.

이 빙정이 낙하하는 도중에 녹으면 큰 빗방울이 된다. 구름에서 빗방울이 형성되는 변화를 '베르게론 과정'이라고 한다. 드라이아이스를 구름 속에 살포하여, 과냉각 물방울의 일부를 빙정으로 변하게 해서 양자가 공존하는 상태를 만들어 비가 인공적으로 내리게 하는 일도 시도되고 있다.

빙정핵

빙정핵은 수증기가 빙정이 만들어질때 생겨나는 고체 입자이다. 즉, 빙정을 만들 때 중심이 되는 고체의 작은 입자를 말한다. 빙정핵의 역할을 하는 것은 주로 미세한 모래이며, 그 밖에도 유성진, 점토 입자, 화산재 등도 있다. 결빙핵(結氷核)이라고도 한다. 빙정핵에는 동결핵과 승화핵이 있는데 동결핵은 과냉각 물방울이 언 것이고, 승화핵은 수증기가 직접 승화되어 핵이 된 것이다. 때로는, 점토 입자나 화산재 등도 빙정핵이 될 수 있다.

일반적으로 대기에는 －20℃에서 공기 1ℓ에 대하여 수 개 정도 존재하나, 기온이 더 하강하면 급격히 증가된다. 미립자의 크기와 대기의 온도에 따라서 빙정이 생기는 조건이 다르다. 빙정핵에는 동결핵과 승화핵이 있는데, 동결핵은 과냉각된 물방울이 동결된 것이고 승화핵은 수증기에서 직접 승화되어 핵이 된 것이다. 주로 모래의 미세한 입자인데 유성진(流星塵) 같이 지구 밖에서 날아오는 것도 있다. 또 점토입자·화산재 등도 빙정핵이 될 수 있는데, －15℃ 정도에서 빙정핵이 되며 천연의 눈 속에서 발견된다. 인공강수실험에서는 아이오딘화은·아이오딘화납 등의 미립자가 쓰인다.

핵화과정

각각의 핵화과정을 간단히 설명하면 다음과 같다. 침착핵화는 영하의 조건에서 침착핵에 수증기가 곧바로 침착하여 얼음입자의 씨앗을 만드는 과정이다. 접촉핵화는 접촉핵이 과냉각된 물입자에 달라붙어 물입자를 얼게 만드는 과정이다. 침잠핵화는 구름응결핵 역할을 할 수 있는 수용성 입자와 동결핵 역할을 할 수 있는 비수용성(insoluble) 입자가 결합된 에어로졸에 수증기가 응결하여 애초에는 물입자를 만들었으나 영하의 온도가 되면서 물입자 속에 녹지 않고 침잠하여 남아 있던 침잠핵을 중심으로 얼게 되어 얼음입자의 씨앗을 만드는 과정이다. 응결동결핵화는 동결핵이 처음에는 구름응결핵으로 작용하여 물입자를 만들었으나 곧바로 얼음입자의 씨앗을 만드는 과정이다. 이 과정은 침잠핵화와 매우 비슷하기 때문에 최근에는 응결동결핵화를 침잠핵화에 포함하여 부르기도 한다.

빙정핵에 적합한 에어로졸

에어로졸이 빙정핵이 되기에 좋은 조건 중 첫번째는 비수용성이다. 물에 녹지 않아야 얼음이 얼 수 있는 표면을 제공할 수 있기 때문이다. 또한 입자의 결정구조가 얼음입자의 결정구조와 비슷한 것이 얼음 결정의 생성을 쉽게 하는 것으로 알려져 있다. 너무 작은 입자는 빙정핵이 되기에 적당하지 못한 것으로 알려져 있다. 이와 같은 까다로운 조건 때문에 대기 에어로졸 중에서 빙정핵 역할을 할 수 있는 입자들의 수농도는 매우 적은 것으로 관측되고 있다. 대략적으로 -20°C의 온도에서 1L⁻¹의 수농도를 보이며 온도가 하강할수록 수농도가 증가하는데 대략 -4°C 당 10배씩 증가한다. 대기 중에서 대표적인 빙정핵 역할을 하는 에어로졸은 토양을 구성하는 먼지입자들이나 낙엽의 부스러기와 같은 유기물이다. 최근에는 유기물 성분을 포함한 해양의 입자들도 빙정핵 역할을 할 수 있는 것으로 관측되고 있다. 그러나 빙정핵의 물리적, 화학적 특성에 대해서는 아직 많이 알려져 있지 못한 상태인데 이는 빙정핵 관측의 어려움 때문이다. 빙정핵 관측은 몇몇 연구자가 스스로 개발한 관측 기기에 의존하는 것이 대부분이라 지구상의 단지 일부의 지역에서만 측정이 이루어지고 있다. 최근에 들어와서 관측 기기 전문회사가 빙정핵 관측 기기를 판매하고 있어 더 많은 지역에서 관측이 이루어질 것으로 기대된다.

참고자료

• 〈빙정〉, 《네이버 국어사전》
• 〈빙정〉, 《화학용어사전》
• 〈빙정〉, 《위키백과》
• 〈빙정〉, 《두산백과》
• 〈빙정핵〉, 《두산백과》
• 〈빙정핵〉, 《기상학백과》

같이 보기

• 눈
• 대기
• 온도
• 얼음
• 공기
• 기온
• 빙정액
• 핵물질
• 빙정핵
• 수증기
• 물방울
• 기상조건

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