바람은 눈송이를 어떻게 변화시키는가
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-12-25 12:28:38
4분 읽기
바람에 의한 눈의 변성작용은 지역 물 균형에도 영향을 주지만 아직 기후 모델에서는 고려되지 않았다
물은 주변 온도에 따라 세 가지 물리적 상태를 갖는다. 고체 얼음 또는 눈, 액체 물 또는 기체 수증기로 존재한다. 그러나 눈보라를 당해 본 사람이라면 눈이 모두 똑같은 것은 아니라는 것을 알고 있을 것이다. 모든 눈송이는 독특하며 때로는 그 조각이 섬세하게 부드럽지만 때로는 얼음처럼 단단하다. 특히 눈이 바람에 날릴 때는 더욱 그렇다. 때때로 엄청난 양의 눈이 이동한다. 바람이 눈 결정의 모양과 상태를 변화시키는 걸까?
바람에 날린 눈송이는 어떻게 되나요?
시옹에 있는 로잔 폴리테크닉 대학(EPFL)의 Sonja Wahl이 이끄는 팀은 이제 고리 모양의 풍동 실험으로 이를 조사했다. 기후 연구자들은 눈 결정의 크기, 모양 및 구성을 분석하기 위해 마이크로 컴퓨터 단층 촬영을 사용했다.
연구팀은 또한 물 분자에서 수소와 산소의 다양한 천연 동위원소의 비율을 분석했다. 고체, 액체, 기체 물에는 중수소와 경수소-산소 동위원소의 비율이 달라 눈송이의 각 상태에 대한 결론을 도출하는 것이 가능하다. 고체에서 기체로의 승화와 같은 상전이도 인식할 수 있다.
눈과 공기의 교환
실험에 따르면 바람이 눈송이를 날릴 때 얼음 결정을 부수고 갈아서 기계적으로 모양을 바꾸는 것으로 나타났다. 크기가 작아지고 변형된다. 게다가, 눈 결정 속의 물은 바람에 따라 고체 상태와 기체 상태 사이를 오가는 경우가 많다. 승화된 수증기 중 일부는 대기로 돌아가고 결정은 수축된다. 이렇게 하면 더 작은 플레이크가 완전히 용해될 수 있다.
그러나 특히 폭설이 내리는 경우 반대 과정이 발생할 수도 있다. 눈 결정은 환경에서 수증기를 흡수하여 굳혀 시간이 지남에 따라 성장한다. 그러나 더 둥글고 더 컴팩트한 모양을 형성한다.
바람 효과는 기후와 모델에 영향을 미친다
온도 외에도 바람은 우리가 지구상에서 물을 찾는 상태에도 영향을 미친다. 또한 눈 속의 물 집합체 상태의 이러한 변화는 개별 얼음 결정만을 변화시키는 것이 아니다. 교환 과정은 해당 지역의 공기 습도와 수분 균형에도 영향을 미친다. 이는 결국 지역 에너지 균형에 영향을 미치고 따라서 기후에 간접적으로 영향을 미친다. 예를 들어 극지방에 있는 큰 얼음 덩어리의 물 균형에 영향을 미친다.
Wahl과 그녀의 팀은 "이전에는 관찰되지 않은 과정이다"고 말했다. 그러나 이 과정은 아직 기후 모델에서 고려되지 않았다. 따라서 새로운 발견은 이러한 모델을 더욱 정확하게 만들고 물 교환과 극지방의 기후에 대해 더 나은 예측을 하는 데 도움이 될 수 있다.
빙하 코어 데이터에 대한 새로운 시각 필요
바람에 의해 유발된 눈송이와 대기의 상호작용의 또 다른 효과는 눈의 동위원소 비율에 대한 영향이다. 특히 바람이 엄청난 양의 눈을 이동시키고 변형시키는 극지방에서는 더욱 그렇다. 기후 연구자들은 이미 극지방의 빙하와 빙상에서 나온 얼음 코어를 사용하여 동위원소를 사용하여 과거 기후에 대한 결론을 도출하고 있다.
그러나 과거 온도를 재구성하는 경우에도 바람과 관련된 교환 과정의 영향은 아직 고려되지 않았다. 결과적으로 그러한 고기후 시계열은 왜곡되었을 수 있다고 Wahl과 그녀의 동료들은 설명했다. 이러한 데이터는 기후 예측 모델에도 사용되기 때문에 적어도 극지방의 경우 부정확할 수도 있다.
미래에 얼음 코어의 동위원소를 올바르게 해석하고 극지 기후 모델을 개선하려면 바람의 영향도 고려해야 한다고 Wahl과 동료들은 결론지었다. 연구자들은 이제 새로 발견된 현상을 더 자세히 조사하고 이를 기후 모델에 통합하기를 바라고 있다.
(The Cryosphere, 2024; doi: 10.5194/tc-18-4493-2024)
출처: Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL
바람에 의한 눈의 변성작용은 지역 물 균형에도 영향을 주지만 아직 기후 모델에서는 고려되지 않았다
바람은 눈송이를 어떻게 변화시키는가
눈이 떠다니면 결정 모양이 바뀌고 공기 중 수분 균형이 달라진다.
새로 발견된 기상 현상:
바람은 섬세한 눈 결정의 크기와 모양을 예상보다 더 많이 변화시킨다. 실험에서 알 수 있듯이 눈 속의 물 분자도 물리적 상태가 바뀐다. 이를 통해 눈송이는 공기 중 수증기를 흡수해 성장하거나 물을 방출하고 수축할 수 있다. 이러한 바람에 의한 변성작용은 지역 물 균형에도 영향을 주지만 아직 기후 모델에서는 고려되지 않았다. 그러므로 이제 조정이 필요하다.
 |
| ▲ “공중 눈의 변태”: 일부 눈 결정은 바람에 증발하고 다른 일부는 수증기를 흡수하여 성장한다. © Wahl et al., The Cryosphere /CC-by 4.0 |
물은 주변 온도에 따라 세 가지 물리적 상태를 갖는다. 고체 얼음 또는 눈, 액체 물 또는 기체 수증기로 존재한다. 그러나 눈보라를 당해 본 사람이라면 눈이 모두 똑같은 것은 아니라는 것을 알고 있을 것이다. 모든 눈송이는 독특하며 때로는 그 조각이 섬세하게 부드럽지만 때로는 얼음처럼 단단하다. 특히 눈이 바람에 날릴 때는 더욱 그렇다. 때때로 엄청난 양의 눈이 이동한다. 바람이 눈 결정의 모양과 상태를 변화시키는 걸까?
바람에 날린 눈송이는 어떻게 되나요?
시옹에 있는 로잔 폴리테크닉 대학(EPFL)의 Sonja Wahl이 이끄는 팀은 이제 고리 모양의 풍동 실험으로 이를 조사했다. 기후 연구자들은 눈 결정의 크기, 모양 및 구성을 분석하기 위해 마이크로 컴퓨터 단층 촬영을 사용했다.
연구팀은 또한 물 분자에서 수소와 산소의 다양한 천연 동위원소의 비율을 분석했다. 고체, 액체, 기체 물에는 중수소와 경수소-산소 동위원소의 비율이 달라 눈송이의 각 상태에 대한 결론을 도출하는 것이 가능하다. 고체에서 기체로의 승화와 같은 상전이도 인식할 수 있다.
 |
| ▲ 풍동 설정. (b)에서 링 풍동은 저온 실험실에 설치된 모습을 보여준다. (a)에서 관찰 구역의 클로즈업을 보여주며, 실험 중 풍동 내부의 환경 조건을 측정한 센서의 위치를 보여준다. 캐비티 링다운 레이저 분광기(CRDS)를 포함한 증기 측정 설정은 저온 실험실 외부에 설치되었으며 (c)에 개략적으로 나와 있다. KNF 펌프는 풍동(파란색 화살표)에서 200mL min−1의 저유량으로 공기를 펌핑하여 수증기와 그 동위원소 구성을 실시간으로 연속 분석했다. CRDS 교정 중에 표준 전달 모듈(SDM)과 증발기는 CRDS에서 측정할 일정한 습도와 동위원소 구성의 증기 흐름을 생성했다. (출처:관련논문 Identifying airborne snow metamorphism with stable water isotopes / European Geosciences Union) |
눈과 공기의 교환
실험에 따르면 바람이 눈송이를 날릴 때 얼음 결정을 부수고 갈아서 기계적으로 모양을 바꾸는 것으로 나타났다. 크기가 작아지고 변형된다. 게다가, 눈 결정 속의 물은 바람에 따라 고체 상태와 기체 상태 사이를 오가는 경우가 많다. 승화된 수증기 중 일부는 대기로 돌아가고 결정은 수축된다. 이렇게 하면 더 작은 플레이크가 완전히 용해될 수 있다.
그러나 특히 폭설이 내리는 경우 반대 과정이 발생할 수도 있다. 눈 결정은 환경에서 수증기를 흡수하여 굳혀 시간이 지남에 따라 성장한다. 그러나 더 둥글고 더 컴팩트한 모양을 형성한다.
바람 효과는 기후와 모델에 영향을 미친다
온도 외에도 바람은 우리가 지구상에서 물을 찾는 상태에도 영향을 미친다. 또한 눈 속의 물 집합체 상태의 이러한 변화는 개별 얼음 결정만을 변화시키는 것이 아니다. 교환 과정은 해당 지역의 공기 습도와 수분 균형에도 영향을 미친다. 이는 결국 지역 에너지 균형에 영향을 미치고 따라서 기후에 간접적으로 영향을 미친다. 예를 들어 극지방에 있는 큰 얼음 덩어리의 물 균형에 영향을 미친다.
Wahl과 그녀의 팀은 "이전에는 관찰되지 않은 과정이다"고 말했다. 그러나 이 과정은 아직 기후 모델에서 고려되지 않았다. 따라서 새로운 발견은 이러한 모델을 더욱 정확하게 만들고 물 교환과 극지방의 기후에 대해 더 나은 예측을 하는 데 도움이 될 수 있다.
 |
| ▲ 남극 대륙에서는 바람이 엄청난 양의 눈을 운반하여 이 지역의 물 균형에 영향을 미치며 이는 지구 기후에 중요하다. © Hendrik Huwald © Hendrik Huwald |
빙하 코어 데이터에 대한 새로운 시각 필요
바람에 의해 유발된 눈송이와 대기의 상호작용의 또 다른 효과는 눈의 동위원소 비율에 대한 영향이다. 특히 바람이 엄청난 양의 눈을 이동시키고 변형시키는 극지방에서는 더욱 그렇다. 기후 연구자들은 이미 극지방의 빙하와 빙상에서 나온 얼음 코어를 사용하여 동위원소를 사용하여 과거 기후에 대한 결론을 도출하고 있다.
그러나 과거 온도를 재구성하는 경우에도 바람과 관련된 교환 과정의 영향은 아직 고려되지 않았다. 결과적으로 그러한 고기후 시계열은 왜곡되었을 수 있다고 Wahl과 그녀의 동료들은 설명했다. 이러한 데이터는 기후 예측 모델에도 사용되기 때문에 적어도 극지방의 경우 부정확할 수도 있다.
미래에 얼음 코어의 동위원소를 올바르게 해석하고 극지 기후 모델을 개선하려면 바람의 영향도 고려해야 한다고 Wahl과 동료들은 결론지었다. 연구자들은 이제 새로 발견된 현상을 더 자세히 조사하고 이를 기후 모델에 통합하기를 바라고 있다.
(The Cryosphere, 2024; doi: 10.5194/tc-18-4493-2024)
출처: Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
