물의 순환

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1. 개요

물의 순환은 태양 에너지를 통해 바닷물의 증발로 시작하여, 강수, 유출, 침투 등의 과정을 거쳐 끊임없이 반복되는 과정이다. 물의 순환은 증발산, 응결, 구름 형성, 강수, 유출의 주요 흐름을 가지며, 태양 에너지와 중력에 의해 지속적으로 이루어진다. 지구 물의 97%는 바다에 저장되어 있으며, 빙하와 지하수, 호수 등에도 물이 존재한다. 물의 순환은 기후 변화와 밀접한 관련이 있으며, 인간의 활동은 물 순환에 지역적, 전 지구적으로 영향을 미친다. 또한 물의 순환은 생태계 내 탄소 순환, 질소 순환 등 다른 물질의 순환에도 중요한 역할을 한다.

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물의 순환

2. 물의 순환 과정

물의 순환은 시작과 끝이 없는 연속적인 과정이다. 태양은 바닷물을 데우고, 이 물의 일부는 수증기 형태로 대기 중으로 증발(evaporation)한다. 얼음과 눈은 수증기로 바로 승화할 수 있다. 상승하는 대류는 증발산(evapotranspiration)하는 물(식물로부터 증산(transpiration)한 물이나 흙으로부터 증발한 물)과 함께 수증기를 대기로 이동시킨다.

수증기는 대기 중으로 올라가 온도가 낮아지면 구름에 응축된다. 대류는 지구 주위로 구름을 움직이며, 구름 입자들은 충돌하고 상승하다가 강수(precipitation) 현상으로 이어진다. 일부 강수는 눈으로 떨어져 만년설이나 빙하로 쌓여 수천 년 동안 얼어붙은 물을 저장하기도 한다.

따뜻한 날씨에는 설괴빙원이 녹고, 눈이 녹은 물은 땅 위를 흐른다(지표면 흐름, overland flow). 대부분의 강수는 바다나 땅으로 다시 떨어지며, 중력으로 인해 땅 위를 흐른다. 이 중 일부는 골짜기의 강으로 들어가 바다로 흐르고, 일부는 호수에 모여 민물이 된다. 하지만 모든 빗물이 강으로 흐르는 것은 아니다. 상당 부분은 침투(infiltration) 과정을 거쳐 땅으로 스며든다.

일부 물은 땅속 깊이 스며들어 대수층을 보충하고, 이를 침루(percolation)라고 한다. 일부 침투수는 지표와 가까이 머물면서 지하수가 흘러나와 지표수와 바다로 다시 스며들기도 한다. 일부 지하수는 땅의 틈새로 들어가 샘물로 합쳐진다. 이처럼 물은 시간이 지나면서 계속 흐르며, 일부는 다시 바다로 돌아가 물의 순환을 이어간다.^[3]

물의 순환 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다.

과정	설명
강수	응축된 수증기가 지구 표면에 떨어지는 현상 (비, 눈, 우박, 진눈깨비 등)
차단	지표면에 분포된 식생 및 낙엽 등에 의해 물이 차단되는 현상
융설	눈이 녹아 지표류를 발생시키는 현상
지표면 흐름	땅 위를 흐르는 빗물
침투	물이 지표면에서 땅으로 스며드는 현상
침루	물이 중력의 영향을 받아 토양과 암석을 통해 수직으로 이동하는 현상
지표 밑 흐름	불포화대와 대수층에서 지하수의 흐름
증발	물이 땅이나 물에서 상층 대기로 이동하면서 액체에서 기체로 변환되는 것
증산	식물에서 공기 중으로 물이 증발하는 것
승화	액체를 거치지 않고 고체-기체 간에 상태 변화가 일어나는 현상
수평 기류(이류)	대기를 통한 물의 이동
응축	수증기가 공기 중의 액체 물방울로 변환되어 구름과 안개를 생성하는 현상

2. 1. 증발 (Evaporation)

증발이란, 지표 부분의 물(지표수)이 수증기로 변화하는 현상이다.^[7] 증발의 주된 에너지원은 태양 복사이다.^[7] 대기 중에 포함된 물의 90%는 증발에 의한 것이고, 나머지 10%는 식물의 증산에 의한 것이다.

증산은 식물을 통한 증발을 의미하며, 증발과 밀접하게 연관되어 있어 함께 증발산이라고 불린다. 연간 총 증발산량은 약 505000km³이며, 이 중 434000km³이 바다에서 증발한다.^[11] 전 세계 증발의 86%가 바다에서 발생한다.^[2]^[13]

2. 2. 응결 (Condensation)

공기 중의 수증기가 액체 물방울로 변환되어 구름과 안개를 생성하는 현상이다.^[6] 따뜻한 비는 응결만 일어나지만, 찬 비는 저온 환경에서 응고 (결빙)하여 고체로 추가적인 상전이가 일어난다. 또한, 양은 적지만, 응결 후 바로 생물에 이용되거나 땅속으로 스며드는 이슬(결로)이라는 형태도 있다.^[37]

고도가 높아짐에 따라 기압이 감소하고 온도가 낮아진다.(기체 법칙 참조) 온도가 낮아지면 수증기가 공기보다 무거운 작은 액체 물방울로 응축되어 낙하한다. 대기 중 넓은 지역에 이러한 물방울이 대량으로 모이면 구름으로 보이며, 지면 근처에서 응결되면 안개라고 한다.^[3]

물의 순환에서 응결은 중요한 과정 중 하나이며, 물 분자()는 대기의 주요 구성 요소인 질소() 및 산소()보다 분자량이 작아서 밀도가 낮다. 밀도 차이가 크기 때문에 부력이 습한 공기를 더 높이 밀어 올리는 것 역시 응결의 중요한 원인이 된다.

2. 3. 승화 (Sublimation)

눈이나 얼음은 액체 상태를 거치지 않고 바로 수증기로 승화할 수 있다.^[3] 빙하에서는 고체에서 기체로 승화가 일어난다. 기체에서 바로 고체가 되는 현상(예: 서리, 빙무)도 승화에 포함된다.^[37]

2. 4. 이류 (Advection)

이류는 대기를 통한 물의 이동이다.^[4] 이류가 없으면 바다 위에서 증발된 물이 육지에서 강수될 수 없다. 대기 하천은 대량의 수증기를 장거리로 이동시키는 이류의 한 예이다.^[5]

2. 5. 강수 (Precipitation)

Precipitation^영어은 응결된 수증기가 지구 표면에 떨어지는 현상이다. 비, 눈, 우박, 진눈깨비 등 다양한 형태로 나타난다.^[10] 강수량은 연간 약 505000km³이며, 그 중 398000km³이 바다 위로 떨어진다.^[11]^[12] 육지의 강수량은 연간 107000km³이며, 눈은 1000km³에 불과하다.^[12] 강우(rainfall)는 눈을 제외한 비만을 일컫는다.

물의 순환 과정에서 강수는 중요한 역할을 담당한다. 대기 순환은 수증기를 지구 주위로 이동시키고, 구름 입자가 충돌하고 커져서 상층 대기에서 강수 형태로 떨어진다. 강수는 우운에서 쏟아지는 것으로, 비, 눈, 싸락눈, 진눈깨비, 우박 등의 상태로 내린다.^[38] 지구 전체로 약 4×10¹⁴ m³/년으로 추정된다.^[38]

강수 현상은 다음과 같이 세분화될 수 있다.

비
눈
우박
안개 낙하
싸락눈
진눈깨비

2. 6. 유출 (Runoff)

대부분의 강수는 비의 형태로 육지에 떨어지며, 중력의 영향으로 땅 위를 흐르게 된다. 이러한 빗물은 골짜기의 강으로 흘러 들어가 바다로 이동한다. 이러한 물과 지하수는 모여 호수에 담수로 저장된다.^[3] 모든 유출수가 강으로 흐르는 것은 아니며, 많은 부분이 침투를 통해 땅속으로 스며든다.^[3] 유출은 지표면을 따라 물이 이동하는 다양한 방식을 포괄하며, 여기에는 지표수 유출과 수로 유출이 모두 포함된다.^[10] 물은 흐르는 동안 땅속으로 침투하거나, 공기 중으로 증발하거나, 호수나 저수지에 저장되거나, 농업 및 기타 인간 활동에 사용될 수 있다.^[10]

고저차에 따라 지표를 흐르는 지표수를 지표류라고 하며, 표면수라고도 한다. 강 등도 이 지표류에 해당한다. 지표를 흐르면서 물은 지중으로 침투하고, 공기 중으로 증발하며, 호소나 다른 저수지에 저장되고, 농업이나 공업에 이용된다.^[37]

2. 7. 침투 (Infiltration) 및 침루 (Percolation)

침투(Infiltration^영어)는 물이 지표면에서 땅속으로 스며드는 현상이다.^[8] 침투된 물은 토양 수분이나 지하수가 된다.^[8]

침루(Percolation^영어)는 중력의 영향을 받아 토양과 암석을 통해 수직으로 이동하는 현상이다.^[8] 땅 속 깊이 스며들어 지하수가 되는 현상을 침루라고 한다.^[3]

침투속도는 토양이 이미 포함하고 있는 수분의 양과 침투능에 따라 달라진다. 지하수의 대수층에 물이 공급되는 현상을 함양이라고 한다.

2. 8. 지하 흐름 (Subsurface flow)

불포화대와 대수층에서 지하수의 흐름을 의미한다. 지하수는 샘물이나 펌핑을 통해 지표면으로 돌아오거나 바다로 스며든다.^[3] 물은 중력 또는 중력 유도 압력의 힘에 의해 침투한 곳보다 낮은 고도에서 육지 표면으로 돌아온다. 지하수는 느리게 이동하는 경향이 있으며 느리게 재충전되므로 수천 년 동안 대수층에 남아 있을 수 있다.

2. 9. 차단 (Canopy interception)

지표면에 분포된 식생계 및 낙엽 등에 의한 차단이 있다.^[3]

2. 10. 적설 및 융설

한랭지에서는 눈이 녹지 않고 퇴적된다. 바로 융해되는 것도 있지만, 겨울 동안 남는 근설, 해를 넘어 남는 만년설이 있으며, 만년설은 매년 내리는 신설에 압축되어 굳어져 빙하가 된다.^[38]

융설은 눈이 녹아 지표류를 발생시키는 현상이다.^[38]

3. 물의 저장 (Water in storage)

물의 순환 과정에서 물이 일시적으로 저장되는 곳을 저수지라고 한다.^[40] 바다, 빙하, 만년설, 지하수, 호수, 토양 수분, 대기, 강, 하천, 생물권 등이 주요 저수지에 해당한다. 이 중 민물은 인간이 이용할 수 있는 중요한 수자원이다.^[45]

3. 1. 저수량

'''각 저수 공간에서의 수량'''^[39]
저수 공간	저수량 (× 10⁶ km³)	전체에서 차지하는 비율 (%)
해양	1370	97.25
빙하 등	29	2.05
지하수	9.5	0.68
호수	0.125	0.01
토양	0.065	0.005
대기 중	0.013	0.001
하천	0.0017	0.0001
생물권	0.0006	0.00004

물의 최대 저수 공간은 바다이며, 지구상 물의 약 97%가 존재한다.^[39] 다음으로 큰 저수 공간은 빙상과 빙하로, 약 2%의 물이 존재한다. 생물의 체내에 존재하는 물의 비율이 가장 작다.

3. 2. 반응 시간 (Residence times)

물 분자가 각 저수 영역에서 머무는 평균 시간을 반응 시간이라고 한다. 저수 영역에 있는 물이 평균적으로 얼마나 오랫동안 존재했는지를 나타내는 척도이지만, 어떤 물은 평균보다 짧게 머무를 수도 있고, 어떤 물은 훨씬 더 오래 머무를 수도 있다.^[44]

지하수는 지구 표면 아래에서 빠져나가기까지 10,000년 이상 걸릴 수 있다. 특히 오래된 지하수는 화석수라고 불린다.^[15] 흙 속에 들어있는 물은 스며들거나 증발, 발산, 흐름 등에 의해 빠르게 손실되기 때문에 매우 짧은 시간 동안만 남아있다. 증발한 물은 대기 중에 약 9일 정도 머무르다가 응축되어 강수 현상을 통해 지구로 떨어진다.^[15]

각 저수지에서의 물의 평균 체류 시간^[39]
저수지	체류 시간
해양	3,200년
빙하	20~100년
계절적 적설	2~6개월
토양 중	1~2개월
얕은 층 지하수	100~200년
깊은 층 지하수	10,000년
호수 및 늪	50~100년
하천	2~6개월
대기	9일

수문학에서 반응 시간을 측정하는 방법은 크게 두 가지가 있다. 일반적인 방법은 질량 보존의 법칙을 이용하여 저수 영역 안의 물의 양이 일정하다고 가정하고, 저수 영역의 양을 물이 들어가고 나가는 속도로 나누어 계산한다. 또 다른 방법으로는 동위 원소 기술을 이용하는 것이며, 이는 동위 원소 수문학의 하위 분야이다.

4. 물 순환과 기후

태양 에너지는 물 순환의 주요 동력이다.^[46] 지구 증발의 86%는 바다에서 발생하며, 이 과정에서 기화열에 의해 온도가 낮아진다. 증발 냉각 효과가 없다면, 온실 효과로 인해 지표면 온도가 섭씨 67도까지 상승할 수 있다고 미국 항공 우주국(NASA)는 예측한다.^[42]

태양 에너지는 적도 부근의 해수 온도를 상승시키고, 증발된 수분은 바람에 의해 운반되어 주로 열대 수렴대에서 응결되어 비가 되어 내린다. 이 과정에서 열이 방출되며, 이 열은 다시 증발을 일으켜 대기 순환을 촉진한다.

4. 1. 기후 변화와 물 순환

지구 온난화 2°C 시나리오에 대한 평균 토양 수분 변화 예측. 이는 농업과 생태계를 파괴할 수 있다.

20세기 중반 이후, 인간이 유발한 기후 변화는 전 세계 물 순환의 관찰 가능한 변화를 초래했다.^[22] 2021년 IPCC 6차 평가 보고서는 이러한 변화가 전 세계 및 지역 수준에서 계속해서 크게 증가할 것이라고 예측했다.^[22] 이는 2007년 IPCC 5차 평가 보고서와 기후 변화에 관한 정부간 협의체의 다른 특별 보고서에서 이미 물 순환이 21세기 동안 계속해서 강화될 것이라고 언급한 과학적 합의의 연장선상에 있다.^[20]

지난 1세기 이상 동안 물의 순환 주기가 가속화되고 있다. 즉, 증발량과 강수량이 모두 증가하고 있다.^[43] 이는 기온 상승이 증발을 촉진하는 데 기인하며, 지구 온난화의 영향으로 예상되었다. 빙하 후퇴 또한 물 순환 변화의 한 예이다. 강수에 의한 빙하로의 물 공급량이 융해 및 승화에 의한 감소량을 따라가지 못하게 되었다.

물 순환에 영향을 미치는 인간의 활동으로는 농업, 댐 건설, 산림 벌채 및 조림, 지하수 채취, 하천에서의 취수, 도시화 등이 있다.

4. 2. 한국의 기후 변화와 물 문제

20세기 중반 이후, 인간이 유발한 기후 변화는 전 세계 물 순환의 관찰 가능한 변화를 초래했다.^[22] 2021년 IPCC 6차 평가 보고서는 이러한 변화가 전 세계 및 지역 수준에서 계속해서 크게 증가할 것이라고 예측했다.^[22] 이는 2007년 IPCC 5차 평가 보고서와 기후 변화에 관한 정부간 협의체의 다른 특별 보고서에서 이미 물 순환이 21세기 동안 계속해서 강화될 것이라고 언급한 과학적 합의의 연장선상에 있다.^[20]

한국은 기후 변화로 인해 강수 패턴 변화, 극한 기상 현상 증가, 수자원 불균형 심화 등의 문제에 직면해 있다. 특히, 여름철 집중호우와 가뭄이 빈번해지면서 홍수 및 가뭄 피해가 증가하고 있다. 물 부족 문제는 한국 사회의 지속 가능한 발전을 위협하는 요인 중 하나이다.

5. 물 순환에 대한 역사적 해석

고대에는 육지가 물 위에 떠 있으며, 강물의 대부분은 땅 밑에서 기원한다고 널리 생각했다. 이러한 믿음의 예는 호메로스(기원전 800년경)의 작품에서 찾아볼 수 있다.

일과 날들(기원전 700년경)에서, 그리스 시인 헤시오도스는 물의 순환에 대한 아이디어를 개략적으로 설명한다.

고대 근동에서, 히브리 학자들은 강이 바다로 흘러들어가도 바다가 결코 가득 차지 않는다는 것을 관찰했다. 일부 학자들은 물의 순환이 이 시기에 전도서 1장 6-7절에서 완전히 묘사되었다고 결론짓는다.^[29] 또한, 구름이 가득 찼을 때 땅에 비를 쏟아내는 것도 관찰되었다(전도서 11장 3절).

라마야나의 아디티야흐리다얌(태양신에 대한 헌시)은 기원전 4세기로 거슬러 올라가는데, 22절에서 태양이 물을 데워 비로 내린다고 언급하고 있다. 기원전 500년경, 그리스 학자들은 강물의 많은 부분이 비에서 비롯된다고 추측했다. 비의 기원 또한 그 당시 알려져 있었다. 그러나 이 학자들은 땅을 통해 올라오는 물이 강에 큰 영향을 미친다는 믿음을 유지했다. 이러한 사고의 예로는 아낙시만드로스(기원전 570년)^[30]와 크세노파네스(기원전 530년)가 있다.^[31] 전국 시대의 중국 학자들인 제니쯔(기원전 320년)와 여씨춘추(기원전 239년)도 비슷한 생각을 가지고 있었다.^[32]

물의 순환이 닫힌 순환이라는 아이디어는 클라조메나이의 아낙사고라스(기원전 460년)와 아폴로니아의 디오게네스(기원전 460년)의 작품에서 찾아볼 수 있다. 플라톤(기원전 390년)과 아리스토텔레스(기원전 350년) 모두 물의 순환의 일부로서 침투에 대해 추측했다. 아리스토텔레스는 그의 저서 ''기상학''에서 태양이 지구의 수력 순환에 역할을 한다고 정확하게 가설을 세웠다.^[33]^[34] 후한 시대의 중국 과학자 왕충(27–100 AD)은 그의 ''논형''에서 지구의 물 순환을 정확하게 묘사했지만 동시대 사람들에게는 무시당했다.^[35]

르네상스 시대까지, 완전한 물의 순환을 위해서는 강에 공급되는 강수량만으로는 불충분하며, 바다에서 위로 밀려 올라오는 지하수가 강물의 주요 기여 요인이라는 잘못된 가정이 있었다. 잉글랜드의 바르톨로메우스(1240년), 레오나르도 다 빈치(1500년)와 아타나시우스 키르허(1644년)도 마찬가지였다.

강이 유지되는 데 빗물만으로 충분하다고 주장한 최초의 출판물은 베르나르 팔리시(1580년)였으며, 그는 종종 현대적인 물의 순환 이론을 발견한 사람으로 여겨진다. 팔리시의 이론은 1674년 피에르 페로의 연구에서 과학적으로 테스트되기 전까지는 검증되지 않았다. 심지어 그 당시에도 이러한 믿음은 19세기 초까지 주류 과학에서 받아들여지지 않았다.^[36]

6. 인간 활동이 물 순환에 미치는 영향

인간은 농업, 댐 건설, 산림 벌채 및 조림, 지하수 채취, 하천에서의 취수, 도시화 등 다양한 활동을 통해 물 순환에 영향을 미친다.

6. 1. 지역적 영향

인간의 활동은 지역 또는 지방 수준에서 물의 순환을 변화시킬 수 있다. 이는 토지 이용 및 토지 피복의 변화로 인해 발생한다. 이러한 변화는 강수량, 증발, 홍수, 지하수 및 다양한 용도로 사용 가능한 담수에 영향을 미친다.^[20]

농지를 도시 지역으로 전환하거나 산림을 개간하는 것은 토지 이용 변화의 예시이다. 이러한 변화는 토양이 표면수를 흡수하는 능력에 영향을 미칠 수 있다. 산림 벌채는 지역 및 지방 수준에 영향을 미치는데, 토양 수분, 증발 및 강수량을 감소시킨다. 또한 산림 벌채는 강수 패턴에 영향을 미칠 수 있는 지역 온도 변화를 일으킨다.^[20]

대수층 고갈 또는 과도한 취수 및 화석수의 펌핑은 전체 수권의 물의 양을 증가시킨다. 이는 원래 땅에 있던 물이 이제 대기와 접촉하여 증발할 수 있게 되었기 때문이다.^[20]

6. 2. 전 지구적 영향

지난 1세기 이상 동안 물의 순환 주기가 가속화되고 있다. 즉, 증발량과 강수량이 모두 증가하고 있다.^[43] 이는 기온 상승이 증발을 촉진하기 때문이며, 지구 온난화의 영향으로 예상되었다.

빙하 후퇴 또한 물 순환 변화의 한 예이다. 강수에 의한 빙하로의 물 공급량이 융해 및 승화에 의한 감소량을 따라가지 못하고 있다.

7. 물 순환과 생물지구화학적 순환

물의 순환은 생지화학적 순환의 하나이지만, 지구 표면과 지하에서의 물의 흐름은 다른 생지화학 물질 순환의 핵심 요소이다.^[23] 유출수는 침식된 퇴적물과 인이 육지에서 수역으로 이동하는 거의 모든 과정의 원인이다.^[24] 대양의 염분은 육지로부터 용해된 염의 침식 및 이동에서 비롯된다. 호수의 문화적 부영양화는 주로 비료에 과도하게 사용된 인이 농지에서 유출되어 강을 따라 운반되기 때문에 발생한다. 유출수와 지하수 흐름 모두 육지에서 수역으로 질소를 운반하는 데 중요한 역할을 한다.^[25] 미시시피강 출구의 저산소 수역은 비료에서 유래한 질산염이 농지에서 유출되어 하천 시스템을 따라 멕시코만으로 흘러 들어가는 결과이다. 유출수는 또한 침식된 암석과 토양의 이동을 통해 탄소 순환에도 역할을 한다.^[26]

물의 순환은 생태계 내의 다른 물질 순환 (탄소 순환, 질소 순환 등)에도 영향을 준다. 물이 지구 표면을 흐르면서 토양, 광물, 수용성 물질 등을 함께 운반한다. 육지에서 흘러오는 지표류에 의해 바다에는 끊임없이 염분(염 이온)이 유입되지만, 물이 바다에서 증발할 때는 염분이 그대로 해수 중에 남기 때문에 일반적으로 해수의 염분 농도는 상승하는 경향이 있다.

사람의 체액 염분 농도는 약 0.9%로 유지되는데, 이는 진화 과정에서 척추동물이 육상화했을 당시의 해수 농도에 그 삼투압 조절 능력을 고정했기 때문이다. 이후 해수 농도는 상승하여 현재는 약 3.5%이다.

참조

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