빙정
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1. 개요
빙정은 수증기가 얼어 만들어지는 고체 입자이며, 다양한 형태를 가질 수 있다. 빙정핵은 빙정을 형성하는 고체 입자로, 동결핵과 승화핵이 있으며, 점토 입자나 화산재 등도 빙정핵이 될 수 있다. 빙정은 육각형 결정 격자를 가지며, 온도와 습도에 따라 기둥, 침, 판, 수상 등 다양한 형태로 성장한다. 빙정의 형성은 기온, 빙정핵, 대기의 과포화 상태가 필요하며, 물리화학적 조건에 따라 성장하고, 다양한 기상 현상을 일으킨다.
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| 빙정 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 대기 중에서 수증기가 승화하여 형성된 얼음의 결정체 |
| 특징 | |
| 모양 | 육각형의 판상 기둥 모양 바늘 모양 나뭇가지 모양 등 다양함 |
| 형성 과정 | 과냉각된 물방울이 응결핵을 중심으로 얼어붙음 수증기가 승화하여 직접 얼음 결정으로 성장 |
| 성장 조건 | 온도와 습도에 따라 결정의 모양과 크기가 달라짐 |
| 대칭성 | 대부분의 빙정은 대칭적인 형태를 띔 |
| 관련 현상 | |
| 눈 | 빙정이 모여 지상으로 내리는 강수 현상 |
| 우박 | 빙정이 성장하여 덩어리 형태로 내리는 강수 현상 |
| 무지개 | 빙정에 의한 빛의 굴절과 반사로 나타나는 광학 현상 |
| 무리해 | 빙정에 의한 빛의 굴절로 태양 주변에 나타나는 무리 |
| 채운 | 빙정에 의한 빛의 굴절과 반사로 태양이나 달 주위에 나타나는 색깔이 있는 고리 |
| 쌍무지개 | 빙정 내에서 두 번의 반사로 인해 나타나는 무지개 |
| 기둥해 | 태양이나 달 아래 수직으로 나타나는 빛의 기둥 |
| 추가 정보 | |
| 참고 자료 | 미국 기상 학회 용어집 - 빙정 얼음 결정 헤일로 |
2. 빙정핵
빙정핵은 수증기가 빙정이 만들어질 때 생겨나는 고체 입자이다.
일반적으로 대기 중에서 빙정이 형성되려면 기온이 빙점(0℃ 이하)이고, 빙정핵이 존재하며, 대기가 과포화 상태이거나 물방울이 부유하고 있어야 한다. 빙정핵이 없으면 다른 조건이 갖춰져 있어도 물방울이 과냉각되거나 과포화 상태로 남는다. 그러나 약 -33℃ 이하가 되면 빙정핵이 없어도 얼기 시작하고, 약 -42℃에서 거의 모든 물방울이 얼어붙는다. 또한 진동 등의 외부 자극이 있으면 그보다 높은 온도에서 얼기 시작하는 경우가 있다.[27]
빙정핵은 결정화 과정에서 핵 형성을 촉진한다. 물방울에 빙정핵이 충돌하거나, 빙정핵이 중력, 분자간력 등의 인력으로 주위의 수증기를 끌어당겨 물 분자가 수 나노미터 정도의 집단을 형성한다. 이것이 일정 크기를 넘으면 안정화되어 결정 성장이 시작되고, 급속히 진행된다.[27]
과냉각된 물방울 속에 빙정이 있으면, 빙정 주위보다 과냉각 물방울 주위가 포화 수증기압이 높아 과냉각 물방울은 증발하기 쉽고, 증발한 수증기는 빙정에 승화하여 더욱 급성장한다(라이밍). 또한, 성장에 따라 커지면서 받는 중력이 증가하고, 차츰 낙하를 시작하는데, 작은 빙정이나 과냉각 물방울은 낙하가 느리므로 빙정은 이들에 접근하여 더욱 성장한다.[27]
물체 표면은 빙정핵과 같은 역할을 하므로, 과냉각되기 어렵고 빙정이 생기기 쉽다.[27]
2. 1. 빙정핵의 종류
과냉각 물방울이 언 것을 동결핵이라고 하고, 수증기가 직접 승화되어 핵이 된 것을 승화핵이라고 한다. 점토 입자나 화산재 등도 빙정핵이 될 수 있다.[27]3. 빙정의 형성
빙정은 액체 상태의 물이 얼거나, 기체 상태의 수증기가 승화할 때 생성된다. 대기 중에서 얼음이 얼어붙을 때 빙정의 형태가 더 잘 형성된다.
일반적으로 대기 중에서 빙정이 형성되려면 다음과 같은 세 가지 조건이 필요하다.
- 기온이 빙점 이하(0℃ 이하)일 것
- 빙정핵이 존재할 것
- 대기가 과포화 상태이거나 물방울이 떠 있는 상태일 것
빙정핵이 없으면 다른 조건이 갖춰져 있어도 물방울이 과냉각되거나 과포화 상태로 남는다. 하지만 약 -33℃ 이하가 되면 빙정핵이 없어도 얼기 시작하고, 약 -42℃에서는 거의 모든 물방울이 언다. 또한 진동 등의 외부 자극이 있으면 그보다 높은 온도에서 얼기 시작하는 경우도 있다.
빙정핵은 결정화 과정에서 핵 형성을 촉진한다. 물방울에 빙정핵이 충돌하거나, 빙정핵이 주변의 수증기를 끌어당겨 물 분자가 수 나노미터 정도의 집단을 형성한다. 이것이 일정 크기를 넘으면 안정화되어 결정 성장이 시작되고, 급속히 진행된다.
과냉각된 물방울 속에 빙정이 있으면, 빙정 주위보다 과냉각 물방울 주위의 포화 수증기압이 높아 과냉각 물방울은 증발하기 쉽다. 증발한 수증기는 빙정에 승화하여 더욱 빠르게 성장한다. 성장에 따라 커지면서 받는 중력이 증가하고, 점차 낙하하기 시작한다. 작은 빙정이나 과냉각 물방울은 낙하 속도가 느리므로, 빙정은 이들에 접근하여 더욱 성장한다.
물체 표면은 빙정핵과 같은 역할을 하므로, 과냉각되기 어렵고 빙정이 생기기 쉽다.
구름의 빙정은 육방정계에서 유래하는 60도, 120도(90도는 오타로 판단)가 되는 면이 공통적으로 존재하므로, 태양이나 달 등의 빛을 굴절시켜 무리와 같은 원형, 원호형의 빛을 만들어 낸다.[27]
3. 1. 빙정의 구조
상온 및 대기압에서 물 분자는 V자 모양을 가지며, 두 개의 수소 원자는 105° 각도로 산소 원자에 결합한다.[3] 빙정은 육각형 결정 격자를 가지는데, 이는 물 분자가 육각형으로 층을 이루어 배열된다는 것을 의미한다.[1]
더 차갑고 건조한 대기에서 느리게 결정이 성장하면 더 많은 육각형 대칭이 생성된다.[2] 주변 온도와 습도에 따라, 빙정은 초기 육각형 기둥에서 여러 대칭 모양으로 발달할 수 있다.[4] 가능한 빙정 형태로는 기둥, 침, 판, 수상이 있으며, 혼합된 패턴도 가능하다.[1] 이러한 대칭적인 모양은 대기 중의 수증기에서 직접 얼음이 형성될 때 일어나는 증착 성장 때문이다.[5]
3. 2. 빙정의 형태
상온 및 대기압에서 물 분자는 V자 모양을 가지며, 두 개의 수소 원자는 105° 각도로 산소 원자에 결합한다.[3] 빙정은 육각형 결정 격자를 가지는데, 이는 물 분자가 육각형으로 층을 이루어 배열된다는 것을 의미한다.[1]더 차갑고 건조한 대기에서 느리게 결정이 성장하면 더 많은 육각형 대칭이 생성된다.[2] 환경 온도와 습도에 따라, 빙정은 초기 육각형 기둥에서 여러 대칭 모양으로 발달할 수 있다.[4]
빙정의 가능한 형태는 기둥, 침, 판, 수상 등이 있으며, 혼합된 패턴도 가능하다.[1] 이러한 대칭적인 모양은 대기 중의 수증기에서 직접 얼음이 형성될 때 일어나는 증착 성장 때문이다.[5] 대기 중 먼지 입자의 작은 공간도 물을 모아 얼어붙어 빙정을 형성할 수 있으며, 이를 핵생성이라고 한다.[6][7][8]
3. 3. 특이한 형태의 빙정
상온 및 대기압에서 물 분자는 V자 모양을 가지며, 두 개의 수소 원자는 105° 각도로 산소 원자에 결합한다.[3] 빙정은 육각형 결정 격자를 가지는데, 이는 물 분자가 육각형으로 층을 이루어 배열됨을 의미한다.[1]더 차갑고 건조한 대기에서 결정 성장이 느려지면 더 많은 육각형 대칭이 생성된다.[2] 환경 온도와 습도에 따라, 빙정은 초기 육각형 기둥에서 여러 대칭 모양으로 발달할 수 있다.[4] 가능한 형태로는 기둥, 침, 판, 수상 등이 있으며, 혼합된 패턴도 가능하다.[1] 이러한 대칭적인 모양은 대기 중의 수증기에서 직접 얼음이 형성될 때 일어나는 증착 성장 때문이다.[5] 대기 중 먼지 입자의 작은 공간도 물을 모아 얼어붙어 빙정을 형성할 수 있으며,[6][7] 이를 핵생성이라고 한다.[8] 눈송이는 추가적인 수증기가 기존의 빙정에 얼어붙을 때 형성된다.[9][10]
빙정 형태는 빙정 핵의 차이, 기온, 습도, 기류 등의 조건 조합에 따라 다양하다. 눈 결정은 빙정 단독이거나 그 집합체이다. 하나의 눈 조각 안에도 서로 다른 종류의 빙정이 모여 있을 수 있다.
보통 구름 속에서 만들어진 초기 빙정이나 극한 시 지상에서 보이는 세빙은 단순한 육각 판, 육각 기둥, 바늘 형태를 띤다. 이들이 성장하여 눈처럼 큰 결정이 되면 복잡한 형태로 조합되는 경우가 많다.
3. 3. 1. 삼방정계 및 입방정계 결정
과냉각된 물은 어는점 이하에서 액체 상태로 존재하는 물을 말한다.[11] 과냉각된 물에서 형성된 얼음 결정은 층상 육각형 구조에 적층 결함이 있다. 이로 인해 얼음 결정은 온도에 따라 삼방정계 또는 입방정계 대칭을 나타낸다. 삼방정계 또는 입방정계 결정은 과냉각이 발생하는 상층 대기에서 형성된다.[12][13]3. 3. 2. 사각형 결정
그래핀 산화물의 적층된 시트에서는 헬륨과 같은 작은 분자와 달리 물이 통과할 수 있다. 두 겹의 그래핀 사이에 물을 가두면 실온에서 사각형 얼음 결정이 형성된다. 연구자들은 높은 압력과 모든 분자 사이에 존재하는 인력인 반 데르 발스 힘이 이러한 형성을 촉진한다고 믿는다. 이 물질은 얼음의 새로운 결정상이다.[3][14]4. 빙정의 물리화학
일반적으로 대기 중에서 빙정이 형성되려면 기온이 빙점(0℃) 이하이고, 빙정핵이 존재하며, 대기가 과포화 상태이거나 물방울이 떠 있어야 한다는 세 가지 조건이 필요하다. 빙정핵이 없으면 다른 조건이 갖춰져 있어도 물방울이 과냉각되거나 과포화 상태로 남는다. 다만, 약 -33℃ 이하에서는 빙정핵 없이도 얼기 시작하고, 약 -42℃에서 거의 모든 물방울이 언다. 또한 진동 등 외부 자극이 있으면 그보다 높은 온도에서 얼기 시작하는 경우가 있다.
상온 및 대기압에서 물 분자는 V자 모양을 갖는다. 두 개의 수소 원자는 105° 각도로 산소 원자에 결합한다.[3] 빙정은 육각형 결정 격자를 가지며, 이는 물 분자가 육각형으로 층을 이루어 배열된다는 것을 의미한다.[1]
더 차갑고 건조한 대기에서 느리게 결정이 성장하면 더 많은 육각형 대칭이 생성된다.[2] 환경 온도와 습도에 따라 빙정은 초기 육각형 기둥에서 여러 대칭 모양으로 발달할 수 있다.[4] 빙정의 가능한 형태는 기둥, 침, 판, 수상이다. 혼합된 패턴도 가능하며,[1] 이러한 대칭적인 모양은 대기 중의 수증기에서 직접 얼음이 형성될 때 일어나는 증착 성장 때문이다.[5]
물체 표면은 대기 중의 빙정핵과 같은 역할을 하므로 과냉각되기 어렵고, 빙정이 생기기 쉽다.
구름의 빙정은 육방정계에서 유래하는 60도, 90도, 120도가 되는 면이 공통적으로 존재하므로, 태양이나 달 등의 빛을 굴절시켜 다양한 형태의 무리라 불리는 원형, 원호형의 빛, 대기광학 현상을 일으킨다.[27]
4. 1. 빙정의 성장
빙정핵은 결정화의 핵 형성을 촉진한다. 물방울에 빙정핵이 충돌하거나, 빙정핵이 인력(중력, 분자간력 등)으로 그 주위의 수증기를 끌어당겨 물 분자가 수 나노미터 정도의 집단을 형성한다. 이것이 일정 크기를 넘으면 안정화되어 결정 성장이 시작되고, 급속히 진행된다.과냉각된 물방울 속에 조금이라도 빙정이 있으면, 빙정 주위보다 과냉각 물방울 주위가 포화 수증기압이 높으므로, 과냉각 물방울은 증발하기 쉽다. 증발한 수증기는 빙정에 승화하여 더욱 급성장한다(라이밍). 성장에 따라 커지면서 중력이 증가하고, 차츰 낙하를 시작한다. 작은 빙정이나 과냉각 물방울은 낙하가 느리므로, 빙정은 이들에 접근하여 더욱 성장한다.
5. 기상 현상
빙정은 산란 과정에서 빛이 반사되어 하늘에 다이아몬드 더스트 및 고리와 같은 광학 현상을 일으킨다.[1][2][15] 권운과 빙설은 얼음 결정으로 만들어진다.[1][16] 권운은 종종 따뜻하고 습한 공기가 상승하여 얼음 결정으로 얼어붙는 온난 전선의 징조이다.[17][18] 얼음 결정이 서로 마찰하면 번개가 발생하기도 한다.[19][20]
구름의 빙정은 육방정계에서 유래하는 60도, 90도, 120도가 되는 면이 공통적으로 존재하므로, 태양이나 달 등의 빛을 굴절시켜, 다양한 형태의 운이라고 불리는 원형, 원호형의 빛, 대기광학 현상을 일으킨다.[27]
6. 빙정의 탐지
항공우주 공학 산업은 위험한 비행 조건을 식별하기 위해 얼음 결정 환경을 감지할 수 있는 레이더 설계를 위해 노력하고 있다. 얼음 결정은 따뜻한 항공기 표면에 닿으면 녹았다가 환경 조건에 의해 다시 얼 수 있는데, 엔진 주변에 얼음이 축적되면 항공기가 손상될 수 있다.[24][25] 기상 예보는 물방울의 가로 및 세로 길이를 비교하여 강수량 유형을 식별하는 차등 반사도 기상 레이더를 사용한다.[26] 얼음 결정은 가로 방향으로 더 크기 때문에[15] 레이더로 감지할 수 있다.
7. 빙정의 종류
빙정의 형태는 여러 가지가 있다. 이는 빙정핵의 차이, 기온, 습도, 기류 등의 차이와 같은 조건의 조합에 따라 달라진다. 눈 결정은 빙정 단독이거나, 그 집합체이다. 하나의 눈 조각 안에도 서로 다른 종류의 빙정이 집합해 있는 경우가 있다.
보통 구름 속에서 만들어진 초기 빙정이나, 극한 시에 지상에서 보이는 세빙의 경우, 단순한 육각 판이나 육각 기둥, 바늘과 같은 형태를 하고 있다. 성장하여 눈처럼 큰 결정이 되면, 그것들이 조합된 복잡한 형태를 한 것이 늘어난다. 한편, 서리나 수빙, 수면에 생기는 해빙이나 결빙 등의 경우, 이들과는 조금 다른 형태를 하고 있다. 게다가, 서릿발은 전혀 다른 형태를 하고 있다.
- 강수의 빙정 (눈·싸락눈·우박·어는 비·세빙)
- 서리
- 수빙
- 서릿발
- 해빙·결빙
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