눈송이 결정체 / 인공제설기의 원리는 무엇인가

 

나는 생각한다 고로 존재한다라고 말한 근대 철학의 거장 르네 데카르트가 기상학을 지었다. 그는 최초의 현대 기상학자로 여겨진다. 데카르트는 철학뿐 아니라 수학과 과학분야에 조예가 있어 굴절광학, 기하학도 출간했다. 기상학에서 직접 관찰해 그려놓은 그림인 눈송이 결정이 있다. 눈송이는 프랙털 구조로 정확히 육각형의 대칭이다. 눈 결정이 육각형 모양을 가진다는 사실은 오래전부터 기록으로 남아 있어지만 맨눈으로 관찰해야 하는 한계 때문에 자세한 모양을 표현하기는 어려웠다. 눈 결정의 다양한 모양에 대해 알게 된 시기는 카메라가 발명되어 눈 결정을 사진으로 남기면서부터이다. 는 결정을 처음 사진으로 찍은 사람은 1885년 10대 소년인 미국의 윌슨 벤틀리이다. 그는 평생에 5천장을 찍었는데 같은 모양의 눈송이는 존재하지 않는다고 결론을 내렸다. 1936년 일본 훗카이도대 나카야 교수가 실험실에서 눈 결정을 만드는 데 성공한다. 온도와 습도를 달리하면 눈 결정 모양도 달라진다는 사실도 알아냈다. 함박눈은 영하 10-20도의 온도에서 습도가 과포화되었을 때 만들어진다. 눈 결정 모양이 다양하지만 눈 결정은 육각형 형태를 가지고 있다. 이는 물이 얼어 고체가 되면 물 분자가 육각형 구조를 갖지 때문인 것으로 추측한다. 육각형 구조를 갖는 아주 작은 얼음 알갱이에 수증기가 달라붙어 커지면서 육각형 형태를 지니게 된다는 것이다. 눈 결정이 만들어질 때 습도가 높아 공급되는 수증기가 많을수록 눈 결정은 잔가지가 많아지고 화려한 형태를 보인다. 또한 가루눈은 결정의 크기가 작고 가루처럼 내리는 눈이다. 수분이 적어 잘 뭉쳐지지 않기 때문에 눈사람을 만들 수 없고 눈싸움을 할 수도 없다

제설기는 눈대포라고도 하는데 대포처럼 생긴 기계에서 눈이 쏟아져 나온다. 제설기가 눈을 만드는 원리는 우리가 입김을 불 때 시원한 바람이 나오는 원리와 비슷하다. 우리가 폐 속에서 나온 따뜻한 공기인데도 입 밖으로 나오자마자 시원해진다. 이유는 입김을 부는 입 모양과 입김의 속도에 있다. 우리가 입김을 불 때는 입을 작게 벌리고 바람을 빠르게 내보낸다. 입김을 불면 입안에 있는 공기에는 압력이 가해지고 좁은 입술을 통해 바깥으로 빠져나가는 순간 압력이 낮아지면서 부피가 늘어난다. 공기는 부피가 팽창하면 온도가 내려가고 반대로 부피가 수축하면 온도는 올라가는 특성이 있다 입김을 세게 불수록 압력과 부피 차이가 커지기 때문에 입김 온도가 더 낮아진다. 이 원리를 이용해 만든 인공 제설기는 분무기와 같은 노즐을 통해 아주 작은 물방울을 만들고 이 물방울을 강한 바람을 이용해 대기 중으로 뿜어낸다. 제설기는 통과해 대기 중으로 쏘아진 공기는 단열 팽창으로 온도가 낮아지면서 공기 속에 포함되어 있던 물방울을 순간적으로 얼려 눈으로 만든다. 인공 제설기가 눈을 만들기 위해서는 영하 3도 이하의 온도와 60% 이상의 습도가 필요하다. 인공눈은 자연눈과 달리 아주 짧은 시간에 물방울이 얼면서 결정을 만들기 때문에 훨씬 단조로운 모양이 된다. 눈을 만든다기보다는 작은 얼음 알갱이를 만든다고 하는 것이 정확하다. 자연눈에 비해 잘 뭉쳐지지 않고 딱딱한 편이다. 스키를 타는 스포츠에는 인공눈이 더 좋은데 덜 눌리고 잘 미끄러지기 때문이다. 또한 수증기가 증발해 하늘에서 구름이 만들어지는 것도 같은 원리이다. 구름이 상승기류를 타고 높은 고도로 올라가면 기압이 낮아지면서 부피가 팽창하고 온도는 낮아진다. 구름 속에 있던 수증기가 응결해 물방울이나 눈 결정이 만들어지고 이 결정이 커지면 비나 눈이 된다. 높은 산꼭대기에 비와 눈이 자주 오는 것도 이 때문이다.