눈 결정이 만들어지는 과정

눈 결정이 만들어지는 과정

눈 결정이 만들어지는 과정

눈송이를 자세히 보신 적 있습니까? 맨눈으로 보더라도 그 안에 굉장히 규칙적이고 정교한 구조가 있다는 것을 어느 정도 알아차릴 수 있는데요. 현미경으로 들여다보면 눈송이 모양이 꽤 다양하다고 합니다. 보신 것처럼 우리한테 익숙한 납작한 모양도 있는가 하면은 피리 모양도 있고 모래시계 같은 모양 또 실패 모양의 눈송이가 있습니다. 우리가 얼음을 직접 깎아서 만든다고 해도 이런 모양을 내기가 굉장히 어려울 텐데 하늘에서 물 분자들이 아무 생각 없이 뭉쳐져서 만들어진 이 눈송이가 어떻게 이렇게 정교한 형태를 가질 수 있을까요. 여기 있는 눈송이들이 가진 공통적인 특징 하나가 있는데 그것이 바로 육각형 구조를 따른다는 거죠. 그 이유는 앞에서 얼음에 대해서 설명한 것과 같습니다. 물 분자들이 이렇게 수소결합을 할 때 이웃한 분자끼리 이루는 각이 120도에 가깝기 때문이죠. 사실 얼음이 만들어지는 과정하고 눈이 만들어지는 과정은 서로 다릅니다. 이렇게 가까이 뭉쳐져 있던 물 분자들의 온도가 떨어지면서 이것들이 동시에 만들어지는 것이 얼음이라고 하면 눈은 공중을 날고 있던 수증기 분자들의 온도가 떨어지고 속도가 점점 느려지면서 공중에서 하나씩 이렇게 달라붙어서 형성됩니다. 물 분자 여섯 개가 만드는 육각형 하나는 굉장히 작은데요. 어떻게 눈송이는 우리 눈에 보일 정도로 커다란 육각 구조를 갖고 있을까요. 미국 칼텍 대학의 물리 교수인 Libbrecht, 이 분이 오랫동안 눈 결정 성장에 대해서 연구를 했고 다음과 같은 중요한 몇 가지 사실들을 알아냈습니다.

눈 결정의 특징

몇 개의 물 분자로 이루어진 기본 육각 구조를 까만색 육각형으로 나타나 보겠습니다. 이 육각 구조들 사이에는 서로 잡아당기는 인력이 작용하기 때문에 여러 개가 모이면 이런 벌집 모양의 구조가 되는 거죠. 그 주위를 지나가던 또 하나의 육각 구조가 있다고 했을 때 달라붙을 수 있는 곳은 여기 여기 여기 이렇게 여러 군데가 존재합니다. 하지만 이렇게 하나의 변하고 만나는 것보다는 두 개의 변하고 동시에 만나는 것이 훨씬 더 강한 힘을 느끼기 때문에 이곳에 붙을 확률이 더 커지는 거죠. 이런 식으로 하나둘씩 계속 달리다 보면은 세 개의 변과 접하는 부분들이 생기고 그 부분들이 다 채워지고 나면은 그 최종모 양이 큰 육각형으로 마무리가 됩니다. 그러다가 또 하나가 와서 큰 육각형 하나에 삐죽 튀어나오게 되면 또 그 주변으로 새로운 육각 구조가 달라붙으면서 이제 더 큰 육각형이 되죠. 이런 식으로 눈 결정은 최종적으로 육각형으로 결정될 가능성이 큽니다. 그래서 실제로 우리가 관찰한 눈들이 대부분 이런 납작한 육각형 판 구조를 갖는 거죠. 이런 원리라고 한다면 모든 눈 결정은 육각형 판 모양이 돼야 되는데 실제로는 섬세한 가지가 뻗어 나오는 이런 모양이 많으니까 이 설명만 가지고는 불충분하죠. 여기에 또 다른 원리가 존재합니다. 이제 어느 정도 큰 규모로 만들어진 육각 구조가 있다고 합시다. 이 주변에 물 분자 하나가 지나가다가 달라붙는다고 할 때 이 물 분자가 비교적 빠른 속도로 진행합니다. 이 물 분자가 이렇게 튀어나온 부분에 만날 가능성이 더 클까요? 아니면 이 안쪽에 들어가서 달라붙을 가능성이 더 클까요? 이 꼭짓점이 튀어나와 있으니까 아무래도 여기를 지나가다 여기를 스칠 가능성이 더 크겠죠. 그래서 이런 식으로 물 분자들이 자꾸 가장자리에서 만나다 보면은 이 육각형에 꼭짓점 모양이 부푸는 형태가 되고 이 꼭짓점이 크게 자라서 이제 또 하나의 육각형을 이루는 거죠. 이런 일이 반복되다 보면 나중에는 이런 솔잎 모양의 구조가 형성이 됩니다. 아까는 육각 구조 빈틈을 메우는 방향으로 잘한다고 했고 지금은 또 튀어나와 있는 부분이 뾰족하게 자란다고 하니까 결론이 서로 반대가 돼버렸는데요. 어느 쪽이 맞느냐 하면 그거는 이제 대기의 조건에 따라서 달라지는 겁니다. 어떤 경우에는 빈틈을 메우는 방향으로 진행이 되고 어떤 경우에는 침엽수처럼 뾰족하게 자라나는 거죠. 대기 중에 습도와 온도 이게 가장 중요한 요소인데요. 그것에 따라서 어떤 눈 결정이 주로 만들어지는가를 연구한 결과가 여기 표에 나타나 있습니다. 가로축은 대기의 온도고요. 세로축은 습도를 나타냅니다. 대체로 공기 중에 습도가 높으면은 꽃잎 모양의 눈송이가 만들어지고 습도가 낮으면 육각형 판 모양 형태가 잘 생기는 것 같습니다. 하지만 단순히 습도와 온도가 정해졌다고 해서 눈송이의 모양이 딱 하나로 결정되는 것은 아닙니다. 높은 하늘에서 이렇게 눈송이가 만들어지기 시작한 이후에 이 눈은 지상에서 도달할 때까지 계속 떨어지면서 습도와 온도가 다른 구름을 지나게 됩니다. 그래서 이렇게 눈송이가 지나온 경로가 어디냐에 따라서 최종 눈의 결정이 다양하게 만들어지는 거죠. 실제 하늘에서 눈송이가 만들어지는 과정을 직접 관찰하기는 어려우니까 사람들은 이제 실험실에서 눈을 만듭니다. 높은 습도를 가진 공기가 있을 때 이 공기의 온도를 갑자기 낮추면은 수증기들이 응결하는데 응결을 잘하도록 하기 위해서 공중에 이렇게 바늘 하나를 세워둡니다. 그럼 그 끝에 물 분자들이 달라붙기 시작하고 거기를 시작 시점으로 해서 눈송이가 자라납니다.

눈 결정의 원리

물이나 수증기 얼음 그리고 눈송이 모두 물 분자로 이루어져 있기 때문에 과학자들은 이런 물 분자 하나의 특성을 파악하면 물과 관련된 모든 현상을 이해할 수 있을 것이라고 기대했습니다. 이런 식의 관점을 환원주의라고 합니다. 어떤 구성요소에 성질을 완전히 파악하면 그 구성요소로 이루어진 모든 물질의 특성을 다 알 수 있다고 보는 관점이죠. 환원주의는 과학, 특히 물리학에서 대단한 성공을 거두었습니다. 예를 들면 원자에 대한 발견 그리고 그 원자에 대한 이해가 물질의 많은 특성을 설명해 낸 거죠. 그렇지만 이제 최근에는 환원주의가 갖고 있는 한계를 점점점 많이 느끼고 있는 중입니다. 세상의 모든 것은 원자로 이루어졌고요. 원자는 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있습니다. 그리고 또다시 이들은 쿼크라는 기본 입자들로 이루어져 있다고 알려져 있습니다. 그럼 환원주의를 극단적으로 적용하면 이 가장 기본적인 입자인 쿼크들의 성질만 알면 쿼크로 이루어진 세상의 모든 것 나무, 돌, 장미꽃, 강아지, 사람의 심리 이 모든 것까지 다 설명할 수 있어야 되는데 당연히 그렇지 못할 것 같죠. 여기 눈송이만 보더라도 그렇습니다. 우리가 물 분자의 구조를 상당히 정확하게 알고 있지만 얘들이 공중에서 만나면 이런 형태의 결정을 만들어 낼 것이다. 이걸 아무 누구도 예측하지 못했습니다. 이렇게 단순한 물 분자들이 모인 것뿐이지만 과학자들은 아직도 눈 결정이 어떠한 원리로 이런 모양을 갖는지 충분히 이해하지 못하고 있습니다. 그것은 결국 눈이나 얼음 그리고 눈송이가 한송이 물 분자들의 집합에 불과하다고 말할 수 있는 것이 아니기 때문이죠. 그리고 단순해 보이는 물 분자지만 이들이 모일 때는 우리가 전혀 예측하지 못했던 새로운 차원의 현상들이 일어나는 거죠. 얼마 전에 이제 크게 히트를 친 영화 겨울왕국이 있었는데요. 거기서 주인공 엘사가 팔을 휘두를 때마다 손끝에서 눈이 나오고 막 얼음기둥이 생기는 이런 모습이 나옵니다. 엘사한테는 그것이 재앙 같은 일이었지만 영화를 보는 아이들이라면 누구나 한 번쯤 그런 마법을 한번 갖고 싶다 이런 느낌이 들 텐데요. 그런데 하늘에서 수증기들이 모여가지고 저절로 눈송이가 만들어지는 거 또 밤새도록 눈이 지상에 내려가지고 이 세상을 완전히 새하얗게 덮어버리는 모습 이거 자체가 특히 태어나서 이런 눈이라는 것을 처음 본 사람한테는 그야말로 마법과 다름없지 않을까 하는 생각이 듭니다. 월든이라는 호수 옆에 집을 짓고 살았던 헨리 데이비드 소로우라는 작가가 있었습니다. 어느 날 밤하늘을 바라보니 거기 하얀 별들이 촘촘히 빛나고 있었습니다. 이제 그 별들이 흔들흔들 아래로 미끄러지더니 눈앞으로 떨어지는 겁니다. 그리고 자기 옷 위에도 내려앉았습니다. 눈송이였습니다. 그는 이렇게 썼습니다. '이런 결정을 만들어 낼 수 있다니 대기란 천재적인 창조석으로 가득하구나 진짜 별들이 떨어져 나의 외투에 내려앉았다 해도 이처럼 놀라울 수는 없을 것이다. ' 이상으로 우리가 물이 가지고 있는 다양한 특성들을 한번 살펴보았습니다.