[연재] 

김범철 교수의 호수의 과학(127) 

겨울이 되면 호수에 얼음이 덮인다. 평범해 보이는 광경이지만 그 속에 담긴 과학은 단순하지 않다. 물과 생명에 관련된 과학을 공부할 때 맨 처음 배우는 것이 ‘물은 생명의 필수 조건이다’라는 명제다. 외계 행성에서 생명을 찾을 때도 물의 존재 가능성부터 확인한다.

물이 있어야 생명이 존재할 수 있기 때문인데, 얼음이 얼 때 나타나는 물의 특성과도 관련이 있다.

물이 상온에서 액체로 존재하는 이유

물의 가장 독특한 특성 중의 하나가 기체가 아닌 액체로 존재한다는 것이다. 물의 분자량은 18인데 이 정도의 작은 분자는 기체로 존재하는 것이 정상이지만 물은 상온에서 액체로 존재한다. 그 이유는 물 분자가 서로 달라붙어 큰 분자 모양을 가지기 때문이다. 물 분자들이 붙어있는 이유는 수소결합이라는 현상 때문이다.

물 분자는 산소 원자 한 개와 수소 원자 두 개가 결합한 것인데, 산소는 전자를 더 강하게 끌어당기기 때문에 음전하의 특성을 가지고, 전자를 빼앗긴 수소 쪽은 양전하의 특성을 가진다. 그러므로 물 분자의 산소가 다른 물 분자의 수소와 전기적 인력을 가지고 결합하는 현상이 나타나는데 이를 수소결합이라고 한다. 물의 끓는 온도를 보면 물 분자가 평균 6개 붙어 있는 분자와 유사하다. 분자량이 작은 물이 액체로 존재하는 덕분에 물을 함유한 세포가 유지될 수 있다.

물의 수소결합이 생명 유지에 필수 조건

물이 결빙할 때 비중이 작아지는 특이한 현상도 생물 생존에 도움이 된다. 대부분의 물질은 액체가 고체로 변하면 부피가 감소하고 비중이 커지면서 바닥으로 가라앉는다. 그런데 물은 반대로 고체가 되면 위로 떠오른다. 물 분자는 수소결합으로 자유롭게 달라붙어 있다가 얼음이 되면 분자가 일정 간격으로 정렬하며 부피가 오히려 커지기 때문이다. 마치 사람들이 자유롭게 섞여 있다가 양팔간격으로 일정하게 줄을 맞추면 면적이 넓어지는 것과 같다. 그래서 얼음이 얼면 급격히 팽창하여 10% 정도 비중이 작아지는데, 이 특성이 호수에서 얼음이 얼 때 수면으로 떠올라 표면만 어는 현상으로 나타난다. 결빙되면 단열효과로 외부의 냉기를 차단하여 호수 깊은 곳은 액체 상태를 유지할 수 있다. 만일 물도 다른 물질들처럼 고체가 무겁다면 얼음이 가라앉아 바닥부터 얼음이 되고 호수 전체가 얼음덩어리가 되어 그 속에 있던 물고기도 모두 얼어 죽을 것이다. 물 분자는 수소결합에 의해 전기적으로 극성을 가지고 있어 이온들을 잘 녹일 수 있는 특성이 있는데, 이것도 물이 생명 유지의 필수 조건이 되므로 결국 수소결합이 생명 유지에 필수 조건이라 말할 수 있겠다.

호수의 결빙은 호수 전체의 수온이 0도가 아니라 4도에 이르는 순간에 일어난다. 물의 밀도는 특이하게도 4도에서 최대이다. 가을에 추워지면서 수면의 냉각된 물은 아래로 가라앉고 심층수가 표면으로 올라오는 혼합현상이 나타나는데, 이때 호수 심층에 산소도 대량 공급된다. 그러다가 수온이 4도에 이르면 수직 혼합이 멈춘다. 4도 이하에서는 냉각될수록 오히려 가벼워져 표면에 머물기 때문이다. 표면의 물은 영하의 기온에 의해 얼음이 되고 표면에 떠올라 단열효과를 가지고, 심층수는 4도에서 더 이상 냉각되지 않고 액체 상태를 유지한다.

결빙 호수의 수온 분포. 얼음은 가벼워져 수면에 떠오르고 단열 효과를 가져 심수층은 동물이 생존할 수 있다.

호수에서 결빙 후 눈이 덮이면 빛을 반사하여 수중은 암흑상태가 되고 산소부족으로 어류 폐사가 발생할 수 있다.

기후변화로 호수 얼음이 예전보다 얇아져

호수의 결빙은 위도와 기온에 따라 결정되는데 우리나라는 호수가 얼지 않는 지역과 어는 지역의 경계에 있다. 남부지방은 거의 얼지 않고 북부지방은 대부분 결빙을 보이는데, 위도뿐 아니라 호수의 수심도 중요한 요소이다. 수심이 깊으면 심수층의 물이 냉각되는 시간이 오래 걸리기 때문에 대기 온도 변화에 비해 계절이 한두 달 지연되는 효과가 나타난다. 소양호가 대표적인 사례인데 수심이 얕은 상류만 결빙되고 깊은 하류는 결빙되지 않는다. 즉, 수온이 4도에 이르기 전에 다시 봄을 맞이한다는 뜻이다.

근래에 기후변화로 우리나라 호수의 얼음이 예전보다 얇아지는 것을 느낄 수 있다. 필자가 40년 전 춘천호 수질을 조사할 때 겨울이면 얼음 두께가 40cm가 넘어 단단한 얼음 구멍을 뚫는 데에만 한 참 고생하였는데 요즘은 얼음이 눈에 띄게 얇아졌고 아예 얼지 않는 해도 있다. 중부지방의 결빙선도 북상했을 것으로 생각된다. 대형 댐에서는 물의 냉각이 지연되기 때문에 겨울에 따뜻한 물이 방류되어 하류에서도 결빙이 감소하는 영향이 나타난다. 대표적인 사례가 북한강의 의암호인데 바로 상류에 있는 소양강댐에서 겨울에도 주변보다 수온이 높은 물이 방류되므로 결빙이 지연되거나 얼음이 얇아지는 효과가 나타난다. 소양강댐이 건설되기 전에는 의암호가 빙상경기장으로 잘 활용되던 곳이었는데 요즘은 얼지 않거나 얼음이 얇아 스케이팅을 즐기기가 어렵다. 한강 하류에서도 상류의 대형 댐 영향으로 계절의 지연효과가 나타나고 결빙이 늦어진다.

하수처리장의 온배수도 결빙 감소의 원인

결빙이 감소하는 또 하나의 원인이 발전소나 하수처리장에서 배출되는 온배수이다. 발전소는 대부분 바닷가에 있으니, 강물이나 호수를 데울 일은 없겠지만 하수처리장은 인근 하천에 연중 온수를 배출하는 경우가 많다. 그 때문에 하수처리장 방류수가 배출되는 하천에서 열대어가 겨울을 나는 곳도 있다. 죽당천에서는 열대어 구피가 생존하는가 하면, 황구지천에서는 틸라피아가 자연번식까지 하고 있다.

겨울에 생존하지 못한다고 생각하여 도입한 열대어류, 왕우렁이, 부레옥잠 등이 생존하여 과잉 번성할지 우려하는 일이 발생하고 있다.

결빙이 감소하면 수생동물에 도움이 되는 호수도 있다. 부영양화로 조류가 많이 번성한 호수와 우포처럼 수생식물이 밀생한 호수에서는 결빙 후 눈이 덮이면 빛이 차단되어 수생식물의 광합성이 감소하고 산소고갈이 일어나 저산소에 취약한 큰 물고기는 죽고 잔챙이만 살아남는 동계어류폐사 (winter kill) 현상이 발생한다. 결빙이 감소하여 어류폐사가 감소하고 대어가 살아남는다면 낚시인에게는 반가운 효과일 수 있겠다.

최근에 춘천에서는 데이터센터가 건설 중인데 많은 온배수가 배출될 것으로 예상되어 혹시나 하천생태계에 변화를 주지 않을까 우려된다.

하수처리장 방류수로 겨울 수온이 높아진 우리나라 하천에서 생존하는 열대어류 (틸라피아). 

치어까지 포획되어 자연 번식하고 있음을 보여 준다. (사진; 김재구)

대형댐(소양강댐)은 겨울에 수온이 높은 물을 방류하여 하류에서 결빙이 감소한다. (사진; 김범철)