겨울철에 흔히 보이는 고드름은 위에서 아래쪽으로 자란다. 그러한 고드름들은 흔히 빙주(氷柱)라고 한다. 아래쪽으로 자라는 고드름의 생성 원리는 간단하다. 고드름은 대부분 지붕이나 천장 아래에 형성되는데, 햇빛이나 따듯한 기류에 의해 주변의 온도가 영상이 되면 얼음이 일시적으로 녹아서 기둥을 타고 내려가다가 해가 지거나 찬 기류가 와서 주변의 온도가 영하가 되면 얼어붙으면서 생성된다. 아래쪽으로 뻗어가면서 얼기 때문에 아래쪽은 뾰족한 모양이 된다. 고드름이 너무 크게 자라면 무게에 의해 부러지거나 땅에 떨어진다고 한다. 이러한 일반적인 고드름은 일반적으로 맑고, 바람이 세지 않으며, 기온이 영도를 오르내리는 환경에서 잘 생성된다.
위에서 아래로 자라는 일반적인 고드름이다.
그러나 이러한 일반적인 고드름과 달리 아래에서 위로 자라는 고드름, 흔히 역고드름이라고 부르는 승빙(乘氷) 존재한다. 이러한 역고드름은 잘 생성되지 않으며 우리나라에서는 전라북도 마이산과 경기도 연천군에 있는 터널에서 발견할 수 있다고 한다.
역고드름은 지면에서 자라는 것 과 용기 속의 물표면과 같이 수면 위에서 자라는 것 으로 분류할 수 있다. 땅에서 자라는 역고드름의 생성원인은 2가지이다. 첫번쨰는 천정 등 위쪽에서 떨어지는 낙수물이 지면에 얼은 빙주 위에 계속 떨어져 자라는 것이다. 다른 하나의 원인은 지면의 얼음표면의 물분자가 지하의 물 분자를 펌프처럼 빨아올리는 것이다. 첫 번째 원인은 간단하지만 두 번째 원인은 조금 복잡하다. 2번째 원인은 물분자의 특이한 성질인 삼투압과 분자간의 압력으로 설명할 수 있다. 역고드름이 발생하는 배경에는 두 가지 요소가 존재한다. 지면 위에는 어는점 아래에 존재하는 얇은 얼음층과 그 밑에는 얼지 않은 물이 모여 있는 웅덩이다. 에너지의 관점에서 이 상황을 살펴보면 표면에 얼어있는 얼음보다는 웅덩이 내부에 있는 액체 상태의 물이 상대적으로 온도가 높고, 그로 인해 더 높은 에너지(자유 에너지)를 지니게 된다. 이러한 자유에너지 차이로 발생하는 압력차 때문에 지하에 있던 물이 상승하게 되고 이는 지상에 얼어있는 얼음층을 뚫고 자라면서 역고드름이 생성된다. 이러한 형태의 역고드름은 경기도 연천군의 동굴에서 발견할 수 있다.
<수면에서 발생하는 역고드름>
이러한 역고드름은 용기 속에 들어있는 물이나 호수와 같은 수면 위에서 자주 형성된다. 용기 속의 물이 어는점 이하의 낮은 온도에 놓이게 되면 용기의 가장 자리부터 얼기 시작한다. 표면에서도 가장자리부터 얼기 시작하면서 표면 부근에는 작은 구멍이 생기게 된다. 이러한 상황에서 용기 내부에 얼지않은 얼음은 부피가 팽창하게 되고 내부의 압력이 높아지게 된다. 내부의 물이 흘러나오지 않는 한계를 넘으면 내부의 물은 압력에 의해 수면의 구멍을 통해 밖으로 흘러나오며, 흘러나오는 그 찰나에 얼게 되어서 구멍이 뚫려 있는 얼음기둥이 생성된다. 물이 이 얼음 기둥을 막을 때 까지 물은 기둥을 통해 계속 나오고 얼음 기둥은 계속 성장한다. 얼음이 이 구멍을 막으면 비로소 역고드름이 완성된다. 원리만 보면 어디서든지 생성될 수 있는 것처럼 보인다. 하지만 대부분은 얼마 성장하지 못하고 구멍이 빨리 막히면서 눈에 띄지 않을 정도로 생성된다.
이러한 역고드름은 과냉각된 물이 얼 때 잘 생긴다. 물은 물의 어는점인 0℃ 이하가 되면 얼어서 얼음이 된다. 물이 어는 과정을 좀더 자세히 보면 0℃ 이하에서 액체 상태를 유지하다가 미세한 충격과 같이 어떤 계기가 있으면 얼음결정이 형성되면서 얼음으로 변한다. 이처럼 0℃ 이하인 상태에도 액체 상태로 존재하는 물을 과냉각된 물이라고 부른다. 과냉각된 물은 물의 청정과 혼탁에 의해 과냉각화가 다르다. 아 주 큰 과냉각 상태의 물이 급격히 얼기 시작하면 물의 표면을 덮는 얇은 얼음판이 생기게 되고 그러한 얼음판에는 작은 구멍이 생긴다고 한다. 이렇게 되면 그 구멍 때문에 역고드름이 형성된다. 그러므로 역고드름이 잘 생기려면 물이 아주 높은 과냉각화 상태여야한다. 마이산에는 청정한 물이 많이 존재하는데 그러한 물은 높은 과냉각도를 띄고 있어서 역고드름이 잘 발생한다고 한다.
역고드름에 중요한 영향을 끼치는 다른 요인은 바람이다. 역고드름에 대한 연구결과가 말해주기를, 용기 주변에 약한 바람이 불면 역고드름의 생성확률이 증가한다고 한다. 실제로 마이산의 바람을 조사해보면 약한 바람이 불고 있으며, 그 바람은 수직 상승 기류를 만든다고 한다. 전문가들에 따르면 이러한 수직 상승 기류가 얼음 기둥의 성장을 촉진시킨다고 한다.
-바람의 유무에 따른 역고드름의 형성 확률분포이다. 바람이 있을 때 더 높은 확률을 가진다.
<결론>
역고드름은 기상조건만 맞으면 어느 지역에서 생성될 수 있지만 그러한 조건들을 맞추기가 매우 어려워서 잘 발생되지 않는다. 미세한 기상조건 차이와 그릇의 용량, 형태 등 다양한 요인에 의해 역고드름의 모양과 크기에 큰 차이가 존재한다고 한다.
작성자 : 기태관
<출처>
-An Investigation of Laboratory-Grown “Ice Spikes”
-연합 뉴스(사진)
-거꾸로 솟는 고드름의 정체
-자연 형성되는 ‘솟는 고드름’의 관측과 연관된 추론