물의 표현과 물의 장력

물

 

물의 표면이 단단한 이유.

스키점프, 스키, 스케이팅 선수들은 일 년 내내 훈련한다. 겨울에는 춥고 눈이 많이 내려서 그들이 훈련하기는 수월하니 훈련하는 데 문제가 없지만, 여름은 조금 다르다. 그렇다고 그들이 그저 놀지만은 않는다.

스키점프 선수들은 플라스틱 트랙에서 스키를 타로 물로 착지한다.

물은 예상보다 좋은 착지 장소가 되지 못한다. 미리 물에 공기를 주입하게 시켜 방울을 만들어놓아야만 뼈가 부러지는 사고를 미연에 방지할 수 있다. 공기가 물 표면을 따라 계속해서 부서지면서 표면 장력을 감소시켜야 안전하게 찾지를 할 수 있다.

물이 비정상적으로 높은 표면 장력을 가지기 때문에 물 표면이 단단하다. 

이런 장력은 밀도가 높은 물질을 뜨게 할 수도 있다. 물 위에 핀이나 클립을 띄워 본 적이 있을 것이다. 심지어 동전도 물에 뜬다. 일반적으로 여분의 수소 결합 때문에 표면 장력이 생긴다고 믿고 있지만 표면의 물 분자 위쪽으로는 결합에 참여할 짝이 없다. 결합하지 못한 부위가 이웃 분자를 넘보기 시작한다. 이렇게 서로 측면 결합을 한 여분의 상호작용이 물 표면을 단단하게 하고 표면 장력을 나타낸다.

표면에서 이웃하는 분자들과 결합한 층의 두께는 1나노미터가 채 안 될 것이다. 얇은 막에 있는 여분의 결합 말고 뭔가 다른 게 비정상적인 물 표면의 특성을 설명할 수 있을 것이다.

 

물 위를 걷는다.

물 위를 걷는 생명체들을 사진이나 영상으로 본 적이 있을 것이다. 성능이 좋은 카메라로 호수 표면을 달리는 도마뱀을 포착한 사진이 있다. 그 사진을 보면 중앙아메리카 도마뱀은 성큼성큼 물 위를 뛰어다닌다. 이걸 보면 물 표면은 우리가 상상하는 것보다 더 단단할 수 있다.

물 표면에는 모자이크가 있다. 이 모자이크에 대한 부분은 전 포스팅에 짧게 설명한 적이 있다. 이 구조는 표면에서 아래로 향하면서 두꺼운 그물망 구조를 형상한다. 이 망상 구조가 물 표면의 물리적 특성을 규정한다.

물의 특이한 표면 특성을 알게 되었는데, 비커 안에 물과 미소 구체가 포함된 용기 안에 위쪽 수면을 따라 미소 구체가 없는 영역을 발견한 것이다. 비커 수용액 안의 미소 구체는 처음에 뿌연 구름처럼 보였지만 얼마 지나지 않아 물 표면 바로 아래에서 미소 구체가 없는 부위를 확인할 수 있었다. 이 부위는 꽤 오래 유지 되었다.

 

상층부의 미소 구체가 없는 영역은 다른 용기에서도 관찰되었다. 두 개의 평행한 슬라이드 글라스 세 면을 밀봉해서 물을 집어넣은 공간에서도 만들어졌다. 처음 미소 구체 현탁액은 구름처럼 보였지만 몇 분이 지나지 않아 상층부에 미소 구체 입자가 없는 영역이 형성되었다. 이 부위는 하루 정도 유지되었다. 후에 모든 미소 구체는 바닥으로 가라앉았다.

미소 구체가 없는 영역은 배타 구역과 뭔가 비슷했다. 미소 구체가 없는 영역이 배타 구역으로 구성되었다면 이 영역은 금속 핀이나 동전을 떠받치기에 적당히 단단하다고 할 수 있다.

 

자연 상태에 존재하는 물은 복사 에너지에 광범위하게 노출된다. 자연에서 표면의 모자이크 분할 및 수직으로 확장된 정도는 실험실의 비커와는 다르다. 이 표면 구조는 매우 깊은 곳까지 확장될 수 있다.

야외 다이버들에 보고서에 의해서 물 깊은 곳까지 수직적으로 모자이크 구조가 확장될 수 있다는 걸 알 수 있었다. 이들은 8~9분 정도 숨을 참으며 수심 100미터까지 내려갈 수 있다. 이들이 일관성 있게 얘기하는 것은 수심 15~20미터 전후로 몸이 물리적인 차이를 느낀다는 사실이다. 이보다 높은 곳에서는 신체가 거의 떠 있는 것 같지만 그 아래로 내려가면 몸이 돌처럼 가라앉는 것 같다고 말한다.

이런 상황은 유리잔 물속에 잠긴 핀과 비슷해 보인다. 물 표면에 가만히 핀을 놓으면 처음에는 떠 있을 수도 있지만 머지않아 바닥으로 떨어진다. 이런 전이 지점은 물 표면에서 수 밀리미터 정도이다. 

 

배 갑판에서 이루어진 관찰도 결과가 비슷하다. 발트해에서 이런 측정이 시행된 적이 있다. 바다 표면에서 약 60미터 아래까지 산소의 농도는 일정하게 유지된다. 그러나 그 아래로 10미터를 내려가는 동안 산소의 농도는 급격하게 떨어진다. 배타 구역이 산소를 고밀도로 함유하고 있기 때문에 산소의 농도가 높은 영역에서 배타 구역이 무리 없이 형성될 수 있다.

또한 염분의 농도는 해저 60미터 아래에서 두배 이상 올라간다. 배타 구역이 염분을 배제하기 때문에 이 부분도 배타 구역의 존재를 암시하는 부분이다. 

또 음파를 다루는 해양 기술자들로부터도 모자이크 깊이가 증가하는 것을 알 수 있었다. 아래로 쏘아 내린 보통의 음파는 해저면서까지 닿는다. 그렇지만 이 음파가 비스듬하게 내려가면 수면 아래 어딘가에서 반사되어 불연속선을 만들면서 바닥에 도달하지 못한다. 해저에서도 같은 일이 생기는 것이다. 

이런 증거를 바탕으로 해양 표면 부근에서 배타 구역 비슷한 것이 광범위하게 형성될 것이라고 추측할 수 있다. 실험에서 이런 배타 구역 비슷한 영역은 수 밀리리터까지 확장될 수 있고 때로 구 센티미터에 이르기도 한다. 바다에서는 그 영역은 근해에서 수십 미터에 이르고 심해로 사면 수백 미터가 되기도 한다. 이런 상태에 도달하기까지 상당한 시간이 필요했을 것이다. 바다에서는 세찬 바람이 불고 조수가 밀어닥친다. 그로 인해 배타 구역 구조는 끊임없이 부서질 것이다.

바다의 위쪽 상층부에서는 다양한 생명체가 존재하고 돌아다닌다. 해양 상층부 영역은 구조적으로 연속적이라기보다는 기운 흔적이 역력하다고 해야 할 것이다. 그런데도 두껍고 망상인 구조는 불가피하게 해양 표면을 굳건하게 유지할 것이다.

 

 

전문 서적을 참고하여 작성하였습니다.