얼음

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1. 개요

얼음은 온도와 압력 조건에 따라 다양한 상으로 존재하며, 물이 고체 상태로 변한 것이다. 결정 구조에 따라 비결정질 얼음과 결정질 얼음으로 나뉘며, 2010년 기준으로 17가지 상이 알려져 있다. 일상적인 얼음은 육방정계 결정인 얼음 I_h이며, 압력과 온도 변화에 따라 여러 다른 결정질 상으로 변한다. 얼음은 융해열이 커서 냉각제로 사용되며, 자연계에서는 빙권의 중요한 구성 요소로 기후 변화에 큰 영향을 미친다. 최근에는 기후 변화로 인해 얼음이 감소하면서 해수면 상승, 기후 시스템 변화 등의 문제가 발생하고 있으며, 미래에도 이러한 경향이 심화될 것으로 예상된다. 물 외에도 이산화탄소와 같은 휘발성 물질의 고체 상도 얼음으로 불리며, 자성체에서도 얼음과 유사한 성질을 보이는 스핀 얼음이 발견된다.

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얼음
얼음 정보
미네소타 덜루스 운하 공원에서 촬영된 얼음 블록
기본 정보
밀도	0.9167–0.9168 g/cm³
굴절률	1.309
화학식	H₂O
기계적 성질
영률	3,400~37,500 kg-힘/cm²
인장 강도	5~18 kg-힘/cm²
압축 강도	24~60 kg-힘/cm²
포아송 비	0.36 (±0.13)
열적 성질
열전도율	0.0053(1 + 0.0015 θ) cal/(cm s K), θ = 온도 (°C)
선형 팽창	5.5 × 10⁻⁵
비열	0.5057 - 0.001863 θ cal/(g K), θ = 절대 온도 (°C)
기타
유전 상수	~95
녹는점	0 °C (273.15 K, 32 °F)
매우 낮은 온도	-253.15 °C (20 K, -423.67 °F)

2. 얼음의 종류와 상

얼음은 온도와 압력 조건에 따라 다양한 상(phase)으로 존재하며, 크게 비결정질 얼음과 결정질 얼음으로 나뉜다.

2010년 기준으로 얼음의 상은 17가지가 알려져 있다.

; 비결정질 얼음

비정질 얼음은 비정질 고체로 결정 구조가 존재하지 않는다. 밀도에 따라 저밀도 비정질 얼음(LDA), 대기압 이상에서 발견되는 고밀도 비정질 얼음(HDA), 초고밀도 비정질 얼음(VHDA)으로 나뉜다. 저밀도 비정질 얼음(LDA)은 대기압 또는 그 이하에서 형성된다.

성간 매질의 물은 비정질 얼음이 지배적이어서 우주에서 가장 흔한 물 형태일 가능성이 높다. 저밀도 비정질 얼음(LDA)은, 초급냉 유리질 물로도 알려져 있으며, 지구의 야광운을 담당할 수 있고, 일반적으로 차갑거나 진공 조건에서 증착을 통해 형성된다. 고밀도 비정질 얼음(HDA)은 일반적인 얼음 Ih 또는 LDA를 GPa 압력에서 압축하여 형성된다. 초고밀도 비정질 얼음(VHDA)은 1~2 GPa 압력 하에서 160 K로 약간 가온된 HDA이다.

; 결정질 얼음

일상에서 볼 수 있는 얼음과 눈은 모두 육방정계이며, 얼음 I_h라 불린다. 압력을 높이고 온도를 변화시키면 십여가지의 서로 다른 상을 형성할 수 있다.

높은 압력과 다양한 온도에 노출되면 얼음은 다양한 밀도에서 19가지의 별개의 알려진 결정질 상으로 형성될 수 있으며, 관찰되지 않은 가상의 제안된 얼음 상도 있다. 주의를 기울이면, 이러한 상 중 적어도 15가지(알려진 예외 중 하나는 얼음 X)는 준안정 형태로 주변 압력과 저온에서 회수될 수 있다. 이러한 유형은 결정 구조, 양성자 배열, 및 밀도에 따라 구분된다.

thumb

상	성질
얼음 I_h	육방정계 결정으로, 일상적으로 볼 수 있는 거의 모든 얼음은 여기에 속하고 극히 일부만이 얼음 I_c이다.
얼음 I_c	준안정한 입방정계 결정이다. 130~150 K 사이의 온도에서 형성되며, 200 K까지는 안정하고 그 이상에서는 얼음 I_h가 된다. 대기권 상층에서 종종 발견된다.
얼음 II	잘 정렬된 삼방정계 결정이다. 얼음 I_h를 190~210 K에서 압축하면 형성되며, 열을 가하면 얼음 III가 된다.
얼음 III	정방정계 결정으로, 물을 300 MPa의 압력에서 250 K로 냉각시키면 형성된다.
얼음 IV	준안정한 삼방정계 결정이며 압력과 온도만을 조절해서는 얻을 수 없다.
얼음 V	단사정계 결정으로, 물을 500 MPa의 압력에서 253 K로 냉각시키면 형성된다. 다른 상에 비해서 가장 복잡한 구조를 가지고 있다.
얼음 VI	정방정계 결정으로, 물을 1.1 GPa의 압력에서 270 K로 냉각시키면 형성된다.
얼음 VII	입방정계 결정이며 수소 원자의 위치가 불규칙하다.
얼음 VIII	얼음 VII와 비슷하나 조금 더 규칙적이다. 얼음 VII를 5 °C 정도로 냉각시키면 형성된다.
얼음 IX	정방정계 결정으로 얼음 III을 208 K에서 165 K로 냉각시키면 형성된다. 140 K 이하의 온도와 200 ~ 400 MPa의 압력에서 안정하며, 밀도가 1.16 g/cm³으로 보통 얼음보다 높다.
얼음 X	40 ~ 45 GPa의 압력에서 형성된다. 얼음 VII가 70 GPa의 압력에서 얼음 X로 변화할 것이라는 예상이 있다.
얼음 XI	강유전성을 지닌다.
얼음 XII	정방정계 결정으로 얼음 V와 얼음 VI가 안정한 조건에서 준안정하다.
얼음 XIII	얼음 V의 수소가 정렬된 형태다.
얼음 XIV	얼음 XII의 수소가 정렬된 형태다.
얼음 XV	영하 143 °C에서 무려 1만 기압의 압력을 가해 만든 얼음이다.

압력 하에서 두 가지 준안정 상의 얼음도 있는데, 모두 완전히 수소 무질서이다. 이것들은 얼음 IV와 얼음 XII이다. 얼음 XII는 1996년에 발견되었다. 2006년에는 얼음 XIII와 얼음 XIV가 발견되었다. 얼음 XI, 얼음 XIII, 얼음 XIV는 각각 얼음 I_h, 얼음 V, 얼음 XII의 수소-정렬 형태이다. 2009년에는 극도로 높은 압력과 −143 °C에서 얼음 XV가 발견되었다.

; 중밀도비정밀얼음(MDA)

요즘 새로 발견된 중밀도비정밀얼음(MDA)도 있다.

일반적으로 액체 상태인 화합물의 고체 상태를 얼음이라 부르는 경우도 있는데, 대표적으로 이산화탄소의 고체 상태인 드라이 아이스가 있다.

2. 1. 비결정질 얼음

비정질 얼음은 비정질 고체로 결정 구조가 존재하지 않는다. 밀도에 따라 저밀도 비정질 얼음(LDA), 대기압 이상에서 발견되는 고밀도 비정질 얼음(HDA), 초고밀도 비정질 얼음(VHDA)으로 나뉜다. 저밀도 비정질 얼음(LDA)은 대기압 또는 그 이하에서 형성된다.

성간 매질의 물은 비정질 얼음이 지배적이어서 우주에서 가장 흔한 물 형태일 가능성이 높다.^[32] 저밀도 비정질 얼음(LDA)은, 초급냉 유리질 물로도 알려져 있으며, 지구의 야광운을 담당할 수 있고, 일반적으로 차갑거나 진공 조건에서 증착을 통해 형성된다.^[33] 고밀도 비정질 얼음(HDA)은 일반적인 얼음 Ih 또는 LDA를 GPa 압력에서 압축하여 형성된다. 초고밀도 비정질 얼음(VHDA)은 1~2 GPa 압력 하에서 160 K로 약간 가온된 HDA이다.^[34]

2. 2. 결정질 얼음

일상에서 볼 수 있는 얼음과 눈은 모두 육방정계이며, 얼음 I_h라 불린다. 압력을 높이고 온도를 변화시키면 십여가지의 서로 다른 상을 형성할 수 있다.^[21]

높은 압력과 다양한 온도에 노출되면 얼음은 다양한 밀도에서 19가지의 별개의 알려진 결정질 상으로 형성될 수 있으며, 관찰되지 않은 가상의 제안된 얼음 상도 있다.^[21] 주의를 기울이면, 이러한 상 중 적어도 15가지(알려진 예외 중 하나는 얼음 X)는 준안정 형태로 주변 압력과 저온에서 회수될 수 있다.^[22]^[23] 이러한 유형은 결정 구조, 양성자 배열,^[24] 및 밀도에 따라 구분된다.

thumb

상	성질
얼음 I_h	육방정계 결정으로, 일상적으로 볼 수 있는 거의 모든 얼음은 여기에 속하고 극히 일부만이 얼음 I_c이다.
얼음 I_c	준안정한 입방정계 결정이다. 130~150 K 사이의 온도에서 형성되며, 200 K까지는 안정하고 그 이상에서는 얼음 I_h가 된다. 대기권 상층에서 종종 발견된다.
얼음 II	잘 정렬된 삼방정계 결정이다. 얼음 I_h를 190~210 K에서 압축하면 형성되며, 열을 가하면 얼음 III가 된다.
얼음 III	정방정계 결정으로, 물을 300 MPa의 압력에서 250 K로 냉각시키면 형성된다.
얼음 IV	준안정한 삼방정계 결정이며 압력과 온도만을 조절해서는 얻을 수 없다.
얼음 V	단사정계 결정으로, 물을 500 MPa의 압력에서 253 K로 냉각시키면 형성된다. 다른 상에 비해서 가장 복잡한 구조를 가지고 있다.
얼음 VI	정방정계 결정으로, 물을 1.1 GPa의 압력에서 270 K로 냉각시키면 형성된다.
얼음 VII	입방정계 결정이며 수소 원자의 위치가 불규칙하다.
얼음 VIII	얼음 VII와 비슷하나 조금 더 규칙적이다. 얼음 VII를 5 °C 정도로 냉각시키면 형성된다.
얼음 IX	정방정계 결정으로 얼음 III을 208 K에서 165 K로 냉각시키면 형성된다. 140 K 이하의 온도와 200 ~ 400 MPa의 압력에서 안정하며, 밀도가 1.16 g/cm³으로 보통 얼음보다 높다.
얼음 X	40 ~ 45 GPa의 압력에서 형성된다. 얼음 VII가 70 GPa의 압력에서 얼음 X로 변화할 것이라는 예상이 있다.
얼음 XI	강유전성을 지닌다.
얼음 XII	정방정계 결정으로 얼음 V와 얼음 VI가 안정한 조건에서 준안정하다.
얼음 XIII	얼음 V의 수소가 정렬된 형태다.
얼음 XIV	얼음 XII의 수소가 정렬된 형태다.
얼음 XV	영하 143 °C에서 무려 1만 기압의 압력을 가해 만든 얼음이다.

압력 하에서 두 가지 준안정 상의 얼음도 있는데, 모두 완전히 수소 무질서이다. 이것들은 얼음 IV와 얼음 XII이다. 얼음 XII는 1996년에 발견되었다. 2006년에는 얼음 XIII와 얼음 XIV가 발견되었다.^[25] 얼음 XI, XIII, XIV는 각각 얼음 I, V, XII의 수소-정렬 형태이다. 2009년에는 극도로 높은 압력과 −143 °C에서 얼음 XV가 발견되었다.^[26]

2. 2. 1. 얼음 Ih

일상에서 볼 수 있는 얼음과 눈은 모두 육방정계이며, 얼음 I_h라 불린다.^[171]^[172] 녹는점은 일반적인 기압에서 섭씨 0도이다. 단, 압력을 변화시킴으로써 상변화를 일으켜 결정 구조와 물리적 성질이 다른 다양한 고압상 얼음이 된다는 것이 알려져 있다. 2021년 현재, 높은 압력 상태에서 얼음 II부터 얼음 XIX(19)까지 발견되었다. 특히, 매우 높은 압력 하에서는 수소 결합이 줄어들어 물 분자의 배열이 변한다. 이처럼 다양한 상이 존재하는 것을 다형이라고 한다. 무색투명(물 이외의 불순물이나 공기가 섞이지 않는 경우)이며, 육방정계의 결정을 가진다.

2. 2. 2. 얼음 Ic

입방정계이며 얼음 I_h보다 약간 불안정한 얼음 I_c는 준안정한 형태로 주변 압력과 저온에서 회수될 수 있는 여러 상 중 하나이다.^[22]^[23] 대기권 상층에서 발견되기도 한다.

2. 2. 3. 얼음 II ~ 얼음 XIX

일상에서 볼 수 있는 얼음과 눈은 모두 육방정계이며, 얼음 I_h라 불린다. 압력을 높이고 온도를 변화시키면 십여가지의 서로 다른 상을 형성할 수 있다.^[21]

높은 압력과 다양한 온도에 노출되면 얼음은 다양한 밀도에서 19가지의 별개의 알려진 결정질 상으로 형성될 수 있다.^[21] 주의를 기울이면, 이러한 상 중 적어도 15가지는 준안정 형태로 주변 압력과 저온에서 회수될 수 있다.^[22]^[23] 이러한 유형은 결정 구조, 양성자 배열,^[24] 및 밀도에 따라 구분된다.

thumb

일반적인 육방정계의 얼음인 얼음 Ih을 시작으로, 얼음 II, 얼음 III, 얼음 IV, 얼음 V, 얼음 VI, 얼음 VII, 얼음 VIII, 얼음 IX, 얼음 X, 얼음 XI, 얼음 XII, 얼음 XIII, 얼음 XIV, 얼음 XV, 얼음 XVI, 얼음 XVII, 얼음 XVIII, 얼음 XIX의 20종이 발견되었다.

압력 하에서 두 가지 준안정 상의 얼음도 있는데, 모두 완전히 수소 무질서이다. 이것들은 얼음 IV와 얼음 XII이다. 얼음 XII는 1996년에 발견되었다. 2006년에는 얼음 XIII와 얼음 XIV가 발견되었다.^[25] 얼음 XI, XIII, XIV는 각각 얼음 I, V, XII의 수소-정렬 형태이다. 2009년에는 극도로 높은 압력과 −143 °C에서 얼음 XV가 발견되었다.^[26]

2018년에는 다이아몬드 속에서 얼음 VII이 발견되어, 이로 인해 국제광물학회는 얼음 VII을 광물로 분류했다.^[186]

2. 2. 4. 중밀도비정질얼음(MDA)

2010년 기준으로 얼음의 상은 17가지가 알려져 있으며, 크게 비결정형 얼음과 결정형 얼음으로 나눌 수 있다. 비결정질 얼음은 비정질 고체로 결정 구조가 존재하지 않는다. 대기압 또는 그 이하에서 형성되는 저밀도 비정질 얼음(LDA), 대기압 이상에서 발견되는 고밀도 비정질 얼음(HDA)과 초고밀도 비정질 얼음(VHDA)으로 나뉜다.^[34] 우주에서는 육각형 결정질 얼음이 매우 드물지만, 성간 매질의 물은 비정질 얼음이 지배적이어서 우주에서 가장 흔한 물 형태일 가능성이 높다.^[32] 저밀도 ASW(LDA)는 지구의 야광운을 담당할 수 있으며, 차갑거나 진공 조건에서 증착을 통해 형성된다.^[33] 고밀도 ASW(HDA)는 일반적인 얼음 Ih 또는 LDA를 GPa 압력에서 압축하여 형성된다. 매우 고밀도 ASW(VHDA)는 1~2 GPa 압력 하에서 160 K로 약간 가온된 HDA이다.

3. 얼음의 물리적 성질

얼음은 물 분자 간의 수소 결합으로 인해 독특한 물리적 성질을 나타낸다. 물 분자는 하나의 산소 원자에 두 개의 수소 원자가 공유 결합으로 결합된 H–O–H로 구성된다.^[5] 수소 결합은 약하지만 물과 얼음의 구조를 제어하는 데 매우 중요하다.^[5]

; 결정

: 무색투명(물 이외의 불순물이나 공기가 섞이지 않는 경우)이며, 육방정계의 결정을 가진다. 녹는점은 일반적인 기압에서 섭씨 0도이다. 단, 압력을 변화시킴으로써 상변화를 일으켜 결정 구조와 물리적 성질이 다른 다양한 고압상 얼음이 된다는 것이 알려져 있다. 이 경우, 우리가 평소에 보는 "보통" 얼음은 "얼음 I"이라고 불린다. 2021년 현재, 높은 압력 상태에서 얼음 II부터 얼음 XIX(19)까지 발견되었다.^[171]^[172] 특히, 매우 높은 압력 하에서는 수소 결합이 줄어들어 물 분자의 배열이 변한다. 이처럼 다양한 상이 존재하는 것을 다형이라고 한다.

; 밀도

일반적인 얼음 I_h는 0℃에서 약 0.917 g/cm³의 밀도를 가지며, 액체 상태의 물보다 밀도가 낮아 물에 뜬다.^[6]^[1] 물은 4℃에서 최대 밀도(약 1.00 g/cm³)를 가지며, 온도가 낮아지면서 밀도가 감소하는 특이한 현상을 보인다.^[1] 이러한 밀도 차이로 인해 호수나 강이 표면부터 얼어붙고, 수중 생물이 겨울에도 생존할 수 있다.^[10]

이 빙산은 물보다 밀도가 낮기 때문에 크기에 관계없이 물에 뜰 수 있습니다.

물이 얼면 부피가 증가하는데(담수의 경우 약 9%),^[8] 어는 동안의 팽창 효과는 극적일 수 있다. 얼음 팽창은 자연에서 암석의 동결융해 풍화의 기본적인 원인이며, 동결 융기로 인한 건물 기초 및 도로 손상의 원인이기도 하다.^[9] 또한, 물이 얼 때 팽창하는 물의 압력으로 인해 수도관이 파열되어 주택이 침수되는 일반적인 원인이기도 하다.^[9]

얼음은 액체 상태의 물보다 밀도가 낮기 때문에 얼음은 물에 뜬다. 이로 인해 수역의 아래쪽부터 얼어붙는 것을 방지한다. 대신, 떠다니는 얼음 아래에 동물과 식물의 서식 환경이 조성되어 아래쪽을 풍한과 같은 단기적인 기상 변화로부터 보호한다.^[10]

알타, 노르웨이 근처 고원에서 발견되는 소위 깃털 얼음. 이 결정은 −30°C(−22°F) 이하의 온도에서 형성되며 많은 공기를 함유하고 있어 가벼워서 얇은 가지에 매달려 있을 수 있습니다.

초고압에서는 얼음의 상 중 부피가 작은 얼음이 더 안정하며 물보다 밀도가 커서, 다른 물질처럼 부피가 작아지는 방향으로 결정이 형성된다.

; 부피 팽창

상압에서 얼음 I_h는 주로 부피가 커지는 방향으로 결정이 생성된다. 물이 얼음으로 변할 때 부피가 약 9% 증가한다. 이 얼음은 물보다 밀도가 가볍기 때문에 물에 뜨며, 이 때문에 수중 생물이 겨울에도 죽지 않고 버틸 수 있다. 이러한 부피 팽창은 암석의 동결 융해 작용을 일으키고, 건물 기초 및 도로를 손상시키며, 수도관 파열 등의 원인이 된다. 냉동된 동물 세포의 경우, 세포의 자유수(free water)가 같은 분자수의 물보다 부피가 커진 얼음에 의하여 이러한 압력을 견디지 못한 세포막이 파괴되고 날카로운 끝에 의하여 세포소기관이 파괴되면서 세포의 구조가 완전히 무너진다. 심한 동상에서 피부 괴사가 일어나거나 냉동 고기의 맛이 떨어지는 이유 중 하나가 바로 세포 내의 자유수를 모두 동결방지제로 교환해야 하기 때문이다.수도관 동파의 경우, 물을 흐르게 해 주면 동결이 잘 되지 않아 동파를 예방할 수 있다.

초고압에서는 얼음의 상 중 부피가 작은 얼음이 더 안정하며 물보다 밀도가 커서, 다른 물질처럼 부피가 작아지는 방향으로 결정이 형성된다.

; 열적 성질

얼음은 융해열이 커서 녹을 때 많은 열을 흡수한다. 1kg의 얼음을 녹이는 데 1kg의 물을 0℃에서 80℃까지 데우는 열량이 필요하다. 이러한 성질은 냉각제로 활용될 수 있게 한다.

상압에서 얼음 I_h는 주로 부피가 커지는 방향으로 결정이 생성된다. 이 얼음은 물보다 밀도가 가볍기 때문에 물에 뜨며, 이 때문에 수중 생물이 겨울에도 죽지 않고 버틸 수가 있다. 또한 냉동된 동물 세포의 경우, 세포의 자유수(free water)가 같은 분자수의 물보다 부피가 커진 얼음에 의하여 이러한 압력을 견디지 못한 세포막이 파괴되고 날카로운 끝에 의하여 세포소기관이 파괴되면서 (예를 들어 세포소기관막 바로 옆에 있던 물이 얼어 틈새를 비집고 들어가거나 세포소기관 내부의 물이 얼어 터진다.) 세포의 구조가 완전히 무너진다. 심한 동상에서 피부 괴사가 일어나거나 냉동 고기의 맛이 떨어지고, 냉동인간 기술 실현이 어려운 이유 중 하나가 바로 세포 내의 자유수를 모두 동결방지제로 교환하기 때문이다.

이러한 성질 때문에 발생하는 그 외의 현상은 수도관 동파 등이 있는데, 이 경우에 물을 흐르게 해 주면 동결이 잘 되지 않아 동파를 예방할 수 있다.

초고압에서는 얼음의 상 중 부피가 작은 얼음이 더 안정하며 물보다 밀도가 커서, 다른 물질처럼 부피가 작아지는 방향으로 결정이 형성된다.

1기압 환경에서는 얼음은 0℃ 이상에서 녹아 물이 되고, 물은 0℃ 이하에서 응고하여 얼음이 된다. 611.657Pa 이하의 기압에서는 온도가 상승하면 얼음이 수증기로 승화한다.

얼음, 물, 수증기는 611.657Pa의 압력, 273.16K(0.01℃)의 삼중점에서 공존할 수 있다.^[182]^[183]

가압하의 많은 액체는 압력이 분자를 고정시키기 때문에 고온에서도 응고한다. 하지만 100MPa 부근의 물의 경우 강한 수소 결합에 의해 0℃ 이하에서도 녹아 있다. 이 고압하에서의 얼음의 용융은 빙하의 이동에 기여한다고 생각된다.^[184]

얼음의 결정 구조는 2021년 현재 20종의 다형과^[171]^[172] 다양한 밀도의 비정질 얼음/Amorphous ice^영어가 밝혀져 있다.

; 마찰 특성

얼음은 마찰 계수가 낮기 때문에 미끄럽다.^[36] 19세기에는 압력 용융, 즉 스케이트 날이 얼음에 압력을 가하여 얇은 층이 녹아 윤활을 제공한다는 설명이 선호되었다.^[36] 그러나 1939년 프랭크 P. 보우든과 T. P. 휴즈의 연구에 따르면, 압력 용융만으로는 스케이터가 경험하는 낮은 마찰을 설명하기 어렵다.^[37] 보우든과 휴즈는 마찰에 의한 얼음층 가열 및 용융을 주장했지만, 이 이론 또한 영하의 온도에서 정지 상태의 얼음이 미끄러운 이유를 완전히 설명하지 못한다.^[36]

이후 연구에서는 계면의 얼음 분자가 아래쪽 얼음 덩어리의 분자와 제대로 결합하지 못하고 액체 물 분자처럼 자유롭게 움직일 수 있다는 점이 제시되었다.^[37] 이 분자들은 반액체 상태를 유지하여 윤활을 제공한다.^[37] 그러나 원자간력 현미경을 사용한 실험에서 얼음에 대한 높은 마찰 계수가 나타나 이 가설에 대한 논란이 있다.^[37] 얼음의 마찰 특성을 제어하는 메커니즘은 여전히 연구 중인 분야이다.^[38] 2014년 연구에서는 마찰 가열이 대부분의 일반적인 조건에서 가장 중요한 과정임을 보여주었다.^[39]

고즈카 타카히코 피겨 스케이팅 - 얼음의 낮은 마찰 특성 때문에 가능한 행위

3. 1. 밀도

일반적인 얼음 I_h는 0℃에서 약 0.917 g/cm³의 밀도를 가지며, 액체 상태의 물보다 밀도가 낮아 물에 뜬다.^[6]^[1] 물은 4℃에서 최대 밀도(약 1.00 g/cm³)를 가지며, 온도가 낮아지면서 밀도가 감소하는 특이한 현상을 보인다.^[1] 이러한 밀도 차이로 인해 호수나 강이 표면부터 얼어붙고, 수중 생물이 겨울에도 생존할 수 있다.^[10]

물이 얼면 부피가 증가하는데(담수의 경우 약 9%),^[8] 어는 동안의 팽창 효과는 극적일 수 있다. 얼음 팽창은 자연에서 암석의 동결융해 풍화의 기본적인 원인이며, 동결 융기로 인한 건물 기초 및 도로 손상의 원인이기도 하다.^[9] 또한, 물이 얼 때 팽창하는 물의 압력으로 인해 수도관이 파열되어 주택이 침수되는 일반적인 원인이기도 하다.^[9]

얼음은 액체 상태의 물보다 밀도가 낮기 때문에 얼음은 물에 뜬다. 이로 인해 수역의 아래쪽부터 얼어붙는 것을 방지한다. 대신, 떠다니는 얼음 아래에 동물과 식물의 서식 환경이 조성되어 아래쪽을 풍한과 같은 단기적인 기상 변화로부터 보호한다.^[10]

초고압에서는 얼음의 상 중 부피가 작은 얼음이 더 안정하며 물보다 밀도가 커서, 다른 물질처럼 부피가 작아지는 방향으로 결정이 형성된다.

3. 2. 부피 팽창

상압에서 얼음 I_h는 주로 부피가 커지는 방향으로 결정이 생성된다. 물이 얼음으로 변할 때 부피가 약 9% 증가한다. 이 얼음은 물보다 밀도가 가볍기 때문에 물에 뜨며, 이 때문에 수중 생물이 겨울에도 죽지 않고 버틸 수 있다. 이러한 부피 팽창은 암석의 동결 융해 작용을 일으키고, 건물 기초 및 도로를 손상시키며, 수도관 파열 등의 원인이 된다. 냉동된 동물 세포의 경우, 세포의 자유수(free water)가 같은 분자수의 물보다 부피가 커진 얼음에 의하여 이러한 압력을 견디지 못한 세포막이 파괴되고 날카로운 끝에 의하여 세포소기관이 파괴되면서 세포의 구조가 완전히 무너진다. 심한 동상에서 피부 괴사가 일어나거나 냉동 고기의 맛이 떨어지는 이유 중 하나가 바로 세포 내의 자유수를 모두 동결방지제로 교환해야 하기 때문이다.수도관 동파의 경우, 물을 흐르게 해 주면 동결이 잘 되지 않아 동파를 예방할 수 있다.

초고압에서는 얼음의 상 중 부피가 작은 얼음이 더 안정하며 물보다 밀도가 커서, 다른 물질처럼 부피가 작아지는 방향으로 결정이 형성된다.

3. 3. 열적 성질

얼음은 융해열이 커서 녹을 때 많은 열을 흡수한다. 1kg의 얼음을 녹이는 데 1kg의 물을 0℃에서 80℃까지 데우는 열량이 필요하다. 이러한 성질은 냉각제로 활용될 수 있게 한다.

상압에서 얼음 I_h는 주로 부피가 커지는 방향으로 결정이 생성된다. 이 얼음은 물보다 밀도가 가볍기 때문에 물에 뜨며, 이 때문에 수중 생물이 겨울에도 죽지 않고 버틸 수가 있다. 또한 냉동된 동물 세포의 경우, 세포의 자유수(free water)가 같은 분자수의 물보다 부피가 커진 얼음에 의하여 이러한 압력을 견디지 못한 세포막이 파괴되고 날카로운 끝에 의하여 세포소기관이 파괴되면서 (예를 들어 세포소기관막 바로 옆에 있던 물이 얼어 틈새를 비집고 들어가거나 세포소기관 내부의 물이 얼어 터진다.) 세포의 구조가 완전히 무너진다. 심한 동상에서 피부 괴사가 일어나거나 냉동 고기의 맛이 떨어지고, 냉동인간 기술 실현이 어려운 이유 중 하나가 바로 세포 내의 자유수를 모두 동결방지제로 교환하기 때문이다.

이러한 성질 때문에 발생하는 그 외의 현상은 수도관 동파 등이 있는데, 이 경우에 물을 흐르게 해 주면 동결이 잘 되지 않아 동파를 예방할 수 있다.

초고압에서는 얼음의 상 중 부피가 작은 얼음이 더 안정하며 물보다 밀도가 커서, 다른 물질처럼 부피가 작아지는 방향으로 결정이 형성된다.

1기압 환경에서는 얼음은 0℃ 이상에서 녹아 물이 되고, 물은 0℃ 이하에서 응고하여 얼음이 된다. 611.657Pa 이하의 기압에서는 온도가 상승하면 얼음이 수증기로 승화한다.

얼음, 물, 수증기는 611.657Pa의 압력, 273.16K(0.01℃)의 삼중점에서 공존할 수 있다.^[182]^[183]

가압하의 많은 액체는 압력이 분자를 고정시키기 때문에 고온에서도 응고한다. 하지만 100MPa 부근의 물의 경우 강한 수소 결합에 의해 0℃ 이하에서도 녹아 있다. 이 고압하에서의 얼음의 용융은 빙하의 이동에 기여한다고 생각된다.^[184]

얼음의 결정 구조는 2021년 현재 20종의 다형과^[171]^[172] 다양한 밀도의 비정질 얼음/Amorphous ice^영어가 밝혀져 있다.

3. 4. 마찰 특성

얼음은 마찰 계수가 낮기 때문에 미끄럽다.^[36] 19세기에는 압력 용융, 즉 스케이트 날이 얼음에 압력을 가하여 얇은 층이 녹아 윤활을 제공한다는 설명이 선호되었다.^[36] 그러나 1939년 프랭크 P. 보우든과 T. P. 휴즈의 연구에 따르면, 압력 용융만으로는 스케이터가 경험하는 낮은 마찰을 설명하기 어렵다.^[37] 보우든과 휴즈는 마찰에 의한 얼음층 가열 및 용융을 주장했지만, 이 이론 또한 영하의 온도에서 정지 상태의 얼음이 미끄러운 이유를 완전히 설명하지 못한다.^[36]

이후 연구에서는 계면의 얼음 분자가 아래쪽 얼음 덩어리의 분자와 제대로 결합하지 못하고 액체 물 분자처럼 자유롭게 움직일 수 있다는 점이 제시되었다.^[37] 이 분자들은 반액체 상태를 유지하여 윤활을 제공한다.^[37] 그러나 원자간력 현미경을 사용한 실험에서 얼음에 대한 높은 마찰 계수가 나타나 이 가설에 대한 논란이 있다.^[37] 얼음의 마찰 특성을 제어하는 메커니즘은 여전히 연구 중인 분야이다.^[38] 2014년 연구에서는 마찰 가열이 대부분의 일반적인 조건에서 가장 중요한 과정임을 보여주었다.^[39]

4. 자연계의 얼음

캐나다 북서부 준주(Northwest Territories)의 얼어붙은 풍경. 물 위에 떠 있는 큰 얼음 원반이 선명하게 보인다.

지구 표면에서 물이 얼음 형태로 존재하는 모든 부분을 통칭하는 용어는 '''빙권'''이다. 얼음은 특히 물 순환과 관련하여 전 지구적 기후의 중요한 구성 요소이다. 빙하와 적설은 담수 저장의 중요한 메커니즘이며, 시간이 지남에 따라 승화되거나 녹을 수 있다. 눈 녹은 물은 계절적 담수의 중요한 원천이다.^[54]^[55] 세계기상기구(World Meteorological Organization)는 기원, 크기, 모양, 영향 등에 따라 여러 종류의 얼음을 정의한다.^[40] 클래스레이트 하이드레이트(Clathrate hydrate)는 결정 격자 내에 가스 분자가 갇혀 있는 얼음 형태이다.^[41]^[42]

|thumb|260px|right|폭포의 물방울이 얼어붙어 다양한 형태를 만들기도 한다.

흐르는 물에 형성되는 얼음은 고요한 물에서 형성되는 얼음보다 균일하거나 안정적이지 못하다. 부서진 얼음 조각들이 쌓이는 얼음 막힘은 강에서 가장 큰 위험 요소로, 홍수를 일으키거나^[60] 강 안팎의 구조물, 강 위의 선박을 손상시킬 수 있다.^[61] 얼음 막힘은 수력 발전 시설 가동을 완전히 중단시킬 수도 있다. 강에서의 심한 얼음 흐름은 선박에 손상을 입히고, 항해를 유지하기 위해 쇄빙선을 사용해야 할 수도 있다.

얼음 원반은 강물에 떠 있는 원형 얼음 형성물로, 와류에서 형성되며 낮은 속도로 지속적으로 회전한다.^[62]^[63]

잔잔한 물 위에는 해안에서부터 얼음이 생성되기 시작하여 얇은 층이 표면을 따라 퍼져나가고, 이후 아래쪽으로 성장한다. 호수의 얼음은 일차 얼음, 이차 얼음, 중첩 얼음, 응집 얼음의 네 가지 유형으로 분류된다.^[64]^[65] 일차 얼음이 먼저 생성되고, 이차 얼음은 열 흐름 방향과 평행하게 일차 얼음 아래에서 생성된다. 중첩 얼음은 비나 얼음 갈라진 틈을 통해 스며나온 물이 얼음 표면 위에 형성되며, 눈이 쌓이면서 안정화된다. 빙판 충돌(ice shove)은 얼음 팽창 및/또는 바람의 작용으로 얼음이 호숫가로 밀려들어와 해안선을 구성하는 퇴적물을 이동시키는 현상이다.^[66]

판상 얼음(Shelf ice)은 바람에 의해 떠다니는 얼음 조각들이 바람받이 해안에 쌓여 형성된다.^[67] 섬유상 얼음(candle ice)은 호수 표면에 수직으로 기둥 모양으로 발달하며, 수평 구조가 부실하여 얼음이 깨질 경우 빠져나오기 어렵다.^[68]

4. 1. 대기 중의 얼음

눈 결정은 아주 작은 과냉각된 구름 방울(지름 약 10 μm)이 얼면서 생성된다. 이러한 방울들은 -18°C보다 낮은 온도에서도 액체 상태를 유지할 수 있는데, 그 이유는 얼기 위해서는 방울 속의 몇몇 분자가 우연히 모여 얼음 격자와 유사한 배열을 형성해야 하기 때문이다. 실험에 따르면 구름 방울의 이러한 "균일" 핵 생성은 -35°C보다 낮은 온도에서만 발생한다.^[69] 더 따뜻한 구름에서는 에어로졸 입자 또는 "얼음 핵"이 방울 속에(또는 방울과 접촉하여) 존재하여 핵 역할을 해야 한다. 점토, 사막 먼지 및 생물학적 입자가 효과적일 수 있지만,^[70] 어느 정도인지는 불분명하다. 구름 씨뿌리기에는 인공 핵이 사용된다.^[71] 그런 다음 방울은 수증기가 얼음 표면에 응축되어 성장한다.^[72]

빙판은 동결비를 특징으로 하는 일종의 겨울 폭풍으로, 도로와 전력선을 포함한 표면에 얼음 코팅을 생성한다. 미국에서는 겨울철 기상 현상의 4분의 1이 착빙을 생성하며, 공공시설은 피해를 최소화하기 위해 준비를 해야 한다.^[73]

우박은 구름 속에서 과냉각된 물방울이 먼지나 흙과 같은 응결핵과 접촉하여 얼 때 형성된다. 폭풍의 상승 기류는 우박을 구름의 상층부로 날려 보낸다. 상승 기류가 소멸되면 우박은 떨어지고 다시 상승 기류로 들어가 위로 올라간다. 우박의 지름은 5mm 이상이다.^[74] METAR 코드에서 GR은 지름이 최소 6.4mm 이상인 큰 우박을, GS는 작은 우박을 나타내는 데 사용된다.^[75] 북미에서 가장 자주 보고되는 우박 크기는 19mm, 25mm, 44mm이다.^[76] 큰 우박에서는 추가적인 냉각으로 인해 방출되는 잠열이 우박의 외각을 녹일 수 있다. 그러면 우박은 '습윤 성장'을 거칠 수 있는데, 이때 액체 상태의 외각이 다른 작은 우박을 모읍니다.^[78] 우박은 얼음층을 얻고 상승할 때마다 점점 더 커진다. 우박이 폭풍의 상승 기류가 지탱할 수 없을 만큼 무거워지면 구름에서 떨어진다.^[79] 우박을 생성하는 구름은 종종 녹색을 띠는 것으로 식별할 수 있다.^[80]^[81] 성장률은 약 -13°C에서 최대가 되고, 과냉각된 물방울이 드물어짐에 따라 -30°C 이하에서는 거의 0에 가까워진다. 이러한 이유로 우박은 중위도 대륙 내부에서 가장 흔하며, 동결 고도가 3,350m 고도보다 낮을 때 우박 형성이 훨씬 더 가능성이 높기 때문이다.^[82] 대륙 상공의 강한 뇌우에 건조한 공기가 혼입되면 증발 냉각을 촉진하여 뇌우 구름의 동결 고도를 낮추어 우박이 성장할 수 있는 부피를 더 크게 만들어 우박의 빈도가 증가할 수 있다. 따라서 열대 지방에서는 중위도보다 훨씬 더 높은 뇌우 빈도에도 불구하고 우박이 실제로 덜 흔한데, 이는 열대 지방의 대기가 훨씬 더 깊은 곳에서 따뜻해지는 경향이 있기 때문이다. 열대 지방의 우박은 주로 고도가 높은 곳에서 발생한다.^[83]

얼음 알갱이(METAR 코드 ''PL''^[75])는 작고 반투명한 얼음 공으로 구성된 강수의 한 형태로, 일반적으로 우박보다 작다.^[84] 이러한 강수 형태는 미국 국립기상청에서 "싸락눈"이라고도 한다.^[85] (영국 영어에서는 "싸락눈"이 비와 눈이 섞인 것을 의미한다.) 얼음 알갱이는 일반적으로 습한 온난 전선이 더 차고 건조한 대기층 사이에 있을 때, 동결비와 함께 형성된다. 그곳에서 빗방울은 증발 냉각으로 인해 얼고 크기가 줄어든다.^[86] 소위 눈 알갱이 또는 싸락눈은 여러 개의 물방울이 눈송이에 얼어붙어 부드러운 공 모양이 될 때 형성된다.^[87] 소위 "다이아몬드 더스트"(METAR 코드 ''IC''^[75])라고도 하는 얼음 바늘이나 얼음 결정은 상공의 약간 더 높은 습도를 가진 공기가 더 차가운 지표 기반의 공기와 혼합될 때 -40°C에 가까운 온도에서 형성된다.^[88]

4. 2. 지표면의 얼음

지구상에서 가장 큰 빙상은 그린란드와 남극 대륙을 거의 완전히 덮고 있는 두 개의 빙상이다. 이 빙상의 평균 두께는 1km가 넘으며 수백만 년 동안 존재해 왔다.^[53]^[167]

육지에 있는 다른 주요 빙상으로는 빙원, 빙원(빙하의 일종), 빙하류, 빙하가 있다. 특히 힌두쿠시 지역은 많은 빙하가 있어 "세계의 제3극"으로 알려져 있으며, 이 빙하는 약 80,000km²의 면적을 덮고 있고 총 부피는 3,000~4,700km³이다.^[54] 이 빙하는 약 20억 명의 사람들에게 물을 공급하는 강으로 유입되는 녹은 물 때문에 "아시아의 물 저장고"라고 불린다.^[55]

영구동토층은 2년 이상 지속적으로 0℃ 이하를 유지하는 토양이나 수중 퇴적물을 말한다.^[56] 영구동토층 내의 얼음은 모공 속 얼음, 맥상얼음(얼음쐐기라고도 함), 매몰된 지표면 얼음, 퇴적물 내 얼음(지하수가 얼어서 생긴 얼음)의 네 가지 범주로 나뉜다.^[57] 오페이스는 북극과 아북극 하천 계곡에서 형성되는 층상 얼음으로, 하천 바닥에 얼어붙은 얼음이 일반적인 지하수 배출을 막아 국지적인 지하수면이 상승하고, 얼어붙은 층 위로 물이 배출되어 형성된다. 그러면 이 물이 얼어붙어 지하수면이 더욱 상승하고 이러한 순환이 반복된다. 그 결과 종종 수 미터 두께의 층상 얼음 퇴적물이 형성된다.^[58] 설선과 설원은 서로 관련된 개념으로, 설원은 얼음 퇴적물의 평형점(설선)으로 침식되는 곳 위에 쌓인다.^[59]

물이 떨어지면서 다시 얼면 매달리는 고드름이나 땅 위에 종유석과 같은 구조물을 형성할 수 있다.^[89] 경사진 지붕에서는 얼음이 쌓여 빙벽이 생길 수 있는데, 이는 녹은 물이 제대로 배수되는 것을 막아 손상을 입히는 누수로 이어질 수 있다.^[90]

높은 상대습도로 인해 표면에 수증기가 달라붙어 얼면 다양한 형태의 대기 결빙이나 서리가 발생한다. 건물 내부에서는 단열되지 않은 창문 표면에 얼음이 생기는 것을 볼 수 있다.^[91] 상고대는 특히 계곡과 같이 저지대에서 환경에서 흔히 볼 수 있다.^[92] 남극에서는 온도가 매우 낮아 정전기적 인력이 증가하여 눈 위의 상고대가 바람에 날리면서 러브그래스와 같은 공 모양인 유키마리모가 된다.^[93]

때때로 물방울이 차가운 물체에 결빙되어 착빙이 되기도 한다. 연착빙은 포획된 공기의 비율이 높기 때문에 순수한 얼음의 4분의 1에서 3분의 2 사이의 밀도를 가지며,^[94] 이로 인해 연착빙은 흰색으로 보인다. 경착빙은 더 조밀하고 투명하며 선박이나 항공기에서 더 자주 나타난다.^[95]^[96] 차가운 바람은 특히 물체와 충돌할 때 '이류성 서리'라고 하는 현상을 일으킨다. 식물에서 발생하면 종종 식물에 피해를 준다.^[97] 농작물을 서리로부터 보호하기 위한 다양한 방법이 있는데, 단순히 덮는 것부터 풍력 기계를 사용하는 것까지 다양하다.^[99]^[98] 최근 수십 년 동안 관개용 스프링클러는 미리 얼음층을 생성하기에 충분한 물만 분사하도록 조정되어 식물에 갑작스러운 온도 충격을 피하고, 무게로 인한 피해를 주지 않도록 두껍지 않게 한다.^[99]

4. 3. 해상의 얼음

바다에서 발견되는 얼음은 물에 떠 있는 해빙(유빙), 해안선에 고정된 붙음얼음, 또는 해저에 붙어 있는 바닥얼음 형태일 수 있다.^[43] 붕괴되어 빙붕이나 해안 빙하에서 떨어져 나온 얼음은 빙산이 될 수 있다.^[44] 붕괴 사건의 결과로 눈과 얼음이 뒤섞인 느슨한 혼합물인 얼음 혼합물이 생성된다.^[45]

해빙은 여러 단계를 거쳐 형성된다. 처음에는 밀리미터 크기의 작은 결정체가 수면에 쌓이는데, 이것을 수정얼음이라고 한다. 크기가 다소 커지고 모양이 일정해지면서 수면이 위에서 볼 때 "기름기 있는" 모양이 되는데, 이 단계를 기름얼음이라고 한다.^[46] 그런 다음 얼음이 계속해서 뭉쳐져 빙판으로 알려진 평평하고 응집력 있는 조각으로 응고된다.^[47] 표면의 70% 이상이 얼음으로 덮여 있는 지역은 빙원으로 간주된다.^[48]

완전히 형성된 해빙은 해류와 바람에 의해 밀려서 최대 12m 높이의 압력 능선을 형성할 수 있다.^[49] 반면에 활발한 파도 활동은 해빙을 작고 규칙적인 모양의 조각인 팬케이크 얼음으로 줄일 수 있다.^[50] 때로는 바람과 파도 활동이 해빙을 완벽하게 구형의 조각인 얼음 알로 "연마"하기도 한다.^[51]^[52]

4. 4. 강과 호수의 얼음

흐르는 물에 형성되는 얼음은 고요한 물에서 형성되는 얼음보다 균일하거나 안정적이지 못하다. 부서진 얼음 조각들이 쌓이는 얼음 막힘은 강에서 가장 큰 위험 요소로, 홍수를 일으키거나^[60] 강 안팎의 구조물, 강 위의 선박을 손상시킬 수 있다.^[61] 얼음 막힘은 수력 발전 시설 가동을 완전히 중단시킬 수도 있다. 강에서의 심한 얼음 흐름은 선박에 손상을 입히고, 항해를 유지하기 위해 쇄빙선을 사용해야 할 수도 있다.

얼음 원반은 강물에 떠 있는 원형 얼음 형성물로, 와류에서 형성되며 낮은 속도로 지속적으로 회전한다.^[62]^[63]

잔잔한 물 위에는 해안에서부터 얼음이 생성되기 시작하여 얇은 층이 표면을 따라 퍼져나가고, 이후 아래쪽으로 성장한다. 호수의 얼음은 일차 얼음, 이차 얼음, 중첩 얼음, 응집 얼음의 네 가지 유형으로 분류된다.^[64]^[65] 일차 얼음이 먼저 생성되고, 이차 얼음은 열 흐름 방향과 평행하게 일차 얼음 아래에서 생성된다. 중첩 얼음은 비나 얼음 갈라진 틈을 통해 스며나온 물이 얼음 표면 위에 형성되며, 눈이 쌓이면서 안정화된다. 빙판 충돌(ice shove)은 얼음 팽창 및/또는 바람의 작용으로 얼음이 호숫가로 밀려들어와 해안선을 구성하는 퇴적물을 이동시키는 현상이다.^[66]

판상 얼음(Shelf ice)은 바람에 의해 떠다니는 얼음 조각들이 바람받이 해안에 쌓여 형성된다.^[67] 섬유상 얼음(candle ice)은 호수 표면에 수직으로 기둥 모양으로 발달하며, 수평 구조가 부실하여 얼음이 깨질 경우 빠져나오기 어렵다.^[68]

5. 인간 활동과 얼음

5. 1. 냉각 및 보존

얼음은 오랫동안 냉각 수단으로 귀중하게 여겨져 왔다. 기원전 400년 페르시아의 기술자들은 여름철 사막에서 얼음을 저장하는 기술을 개발했다.^[103]^[104] 겨울 동안 얼음은 수확용 연못과 인근 산에서 대량으로 운반되어 야크찰에 저장되었다. 야크찰은 최대 5000 m³에 달하는 큰 지하 공간으로, 열 전달에 강한 ''사루즈''로 만들어진 두꺼운 벽을 가지고 있었다. 야크찰에는 종종 카나트와 바람잡이 시스템이 포함되어 여름철 무더위에도 내부 온도를 극저온으로 낮출 수 있었다. 얼음의 용도 중 하나는 왕족을 위한 차가운 간식을 만드는 것이었다.^[103]^[104]

고대 야크찰이 얼음을 이용하여 복사 냉각을 제공하는 방식을 보여주는 개략도

얼음은 융해열이 크고, 녹는점이 0℃로 적절하며, 안전하고, 입수 및 처리가 용이하다는 특징을 가진다. 이러한 성질 덕분에 얼음은 주로 일회용 냉각제로서, 빙수, 음료 냉각, 빙과, 냉장고, 신선식품의 신선도 유지, 인체 냉각, 냉찜질, 아이스크림 제조 등 매우 광범위한 용도로 사용되고 있다.

인공적으로 냉각 효과를 얻는 기술이 등장하기 전까지는 얼음 자체가 유일한 냉매였기 때문에, 겨울이나 한랭지에서 얻은 천연 얼음을 녹지 않도록 보관하려는 노력이 기울여졌다. 일본에서는 이것을 빙실(氷室)이라 부르고, 영어로는 아이스하우스(icehouse)라고 한다. 역사적으로는 기원전 1780년경 메소포타미아 북부의 텔카에서 사용된 기록이 있다.^[180]

현재 얼음은 식품 보관 및 가공, 화학 제조, 콘크리트 혼합 및 양생, 소비자용 또는 포장 얼음 등 다양한 용도로 산업 규모로 생산된다.^[111] 대부분의 상업용 제빙기는 플레이크, 관형, 플레이트 등 세 가지 기본 유형의 조각 얼음을 생산한다.^[111] 대규모 배치식 제빙기는 하루 최대 75톤의 얼음을 생산할 수 있다.^[112] 가정용 냉장고에도 내장형 제빙기가 있어 일반적으로 얼음 조각이나 분쇄 얼음을 만들 수 있다.

얼음은 여전히 휴대용 냉장고에서 음식을 차갑게 하고 보존하는 데 사용됩니다.^[136]
얼음 조각이나 잘게 부순 얼음은 음료를 차갑게 하는 데 사용할 수 있습니다. 얼음이 녹으면서 열을 흡수하여 음료의 온도를 0°C 근처로 유지합니다.^[137]
얼음은 에어컨 시스템의 일부로 사용될 수 있으며, 배터리 또는 태양열 팬을 사용하여 얼음 위로 뜨거운 공기를 불어넣습니다. 이것은 특히 정전이 발생하고 표준 (전기식) 에어컨이 작동하지 않는 폭염 중에 유용합니다.^[138]

최근에는 겨울에 내린 많은 양의 눈과 얼음을 보관해 여름철 냉방에 이용하려는 시도나, 기온이 낮고 전력 수요도 적은 야간에 제빙하여 낮의 냉방에 활용하려는 서비스 등이 보급되고 있다.

5. 2. 얼음 채취 및 무역

16세기에서 17세기 영국에서는 템스 강 하구를 따라 저지대 지역에서 겨울 동안 얼음을 수확하여 대저택의 얼음 저장고에 보관하거나, 먼 바다에서 잡은 생선을 신선하게 유지하는 데 사용했다.^[105] 이는 중국에서 같은 활동을 본 영국인이 모방했다고 알려져 있다. 1823년 초부터 노르웨이에서 영국으로 얼음이 수입되었다.^[105]

미국에서는 1799년 뉴욕시에서 사우스캐롤라이나주 찰스턴으로 최초의 얼음 화물이 보내졌고,^[105] 19세기 전반기까지 얼음 채취는 큰 사업이 되었다. 프레데릭 튜더는 열대 지방으로의 장거리 얼음 운송을 위한 단열 제품을 개발하여 얼음 무역을 발전시켰다.^[106] 트리에스테는 이집트, 코르푸, 자킨토스로 얼음을 보냈고, 스위스는 프랑스로, 독일은 때때로 바이에른 호수에서 얼음을 공급받았다.^[105] 1930년대부터 1994년까지 헝가리 국회 의사당 건물은 발라톤 호에서 겨울에 수확한 얼음을 에어컨으로 사용했다.^[108]

얼음 저장고는 겨울에 생성된 얼음을 저장하여 일년 내내 사용할 수 있도록 하였고, 얼음 상자로 알려진 초기 형태의 냉장고는 안에 얼음 조각을 넣어 냉각했다. 많은 도시에서 여름 동안 정기적인 얼음 배달 서비스가 있었으나, 인공 냉동 기술의 등장으로 얼음 배달은 쓸모없게 되었다.^[136]

얼음은 여전히 얼음 및 눈 조각 행사에 사용된다. 예를 들어, 매년 손가강의 얼어붙은 표면에서 하얼빈 국제 빙설 조각제를 위해 얼음을 얻는 데 흔들톱이 사용된다.^[109]

일본에서는 나카가와 카헤이(中川嘉兵衛)가 1871년 (메이지 4년)에 홋카이도 하코다테에서 처음으로 천연 얼음 채빙 사업에 성공하였다. 고료카쿠(五稜郭) 외호에 카메다가와(亀田川)의 물을 끌어들여 채빙하는 방식으로, 이전에는 구하기 힘들었던 여름철 얼음을 저렴하게 판매하여 큰 칭찬을 받았다. 1872년 (메이지 5년) 신문잡지(新聞雑誌)와 1874년 (메이지 7년) 도쿄닛닛신문(東京日日新聞)은 나카가와 카헤이의 제빙 사업이 환자의 열을 내리고 더운 여름에 사람들의 기분을 좋게 하는 데 공헌했다고 평가했다.

5. 3. 스포츠 및 레크리에이션

얼음은 피겨 스케이팅, 아이스하키, 밴디, 얼음낚시, 얼음 등반, 컬링, 브룸볼, 봅슬레이, 루지, 스켈레톤을 이용한 썰매 경주와 같은 겨울 레크리에이션 및 스포츠의 중심적인 역할을 한다.^[132] 17세기 네덜란드 화가 헨드릭 아베르캄프의 작품 ''스케이팅의 즐거움'' 에서도 스케이트를 타는 사람들의 모습을 볼 수 있다.

얼음 위에서 행해지는 다양한 스포츠는 4년마다 열리는 동계 올림픽에서 국제적인 관심을 받는다.^[132]

돛을 이용해 얼음 위를 달리는 아이스 요팅은 수세기 동안 행해져 온 스포츠이다.^[133]^[134] 얼음 레이싱은 운전자가 호수 얼음 위에서 속도를 내며 차량의 미끄러짐을 제어하는 스포츠로, 빙상장에도 적용되었다.^[135]

5. 4. 기타 활용

얼음은 조각, 호텔, 이글루 등 예술 및 건축 분야에 활용된다.^[142]^[143]^[144] 얼음 조각은 큰 얼음 덩어리나 물을 분무하여 만들며,^[142] 주로 장식용으로 사용된다.^[142] 몇몇 추운 지역에서는 얼음 호텔이 계절에 따라 운영되기도 한다.^[143] 이글루는 눈을 이용하여 만든 임시 구조물이다.^[144]

극한 환경에서는 얼음 부두나 얼음길과 같은 임시 구조물로 활용되기도 한다. 1973년 남극 대륙 최초의 부유식 얼음 부두가 건설되어^[140]^[178] 화물선의 하역 작업에 사용되었다.^[140] 이 부두는 맥머도 해협의 얼어붙은 바닷물을 이용하여 만들었으며,^[140] 일부는 10년까지 지속될 수 있다.^[141] 수명이 다한 얼음 부두는 쇄빙선으로 바다로 예인하여 제거한다.^[141]^[178] 혹한 지역에서는 얼어붙은 호수나 강 위를 도로나 비행장으로 이용하거나 임시 철도를 부설하기도 한다.^[179]

1983년 남극 맥머도 기지의 얼음 부두에서 화물 작업 중인 USNS Southern Cross

제2차 세계 대전 중에는 얼음과 톱밥을 혼합한 파이크리트를 이용한 항공모함 건조 계획인 해버쿡 계획이 추진되기도 했다.^[145] 연합군은 파이크리트를 군함의 재료로 사용하는 방안을 연구했으나,^[145] 이 프로젝트는 기존 항공모함보다 더 많은 비용이 들고, 속도가 느리며, 녹는 것에 취약하다는 점이 밝혀져 중단되었다.^[146]

그 외에도 얼음은 타악기의 재료로 사용되기도 하며,^[147] 연료의 결합 및 성형, 빙상, 스케이트 링크, 화장실 변기 등 다양한 용도로 활용된다.

5. 5. 한국의 얼음 문화

한국은 전통적으로 겨울철에 강이나 호수에서 얼음을 채취하여 여름철에 사용하였다. 조선시대에는 석빙고를 만들어 얼음을 보관하고, 왕실과 귀족들이 사용하였다. 현대에는 제빙 기술의 발달로 냉장고, 에어컨, 제빙기 등을 통해 쉽게 얼음을 얻을 수 있게 되었다. 빙수, 냉면, 화채 등 얼음을 이용한 다양한 음식이 발달하였다.

6. 기후 변화와 얼음

=== 역사적 변화 ===

인간의 활동으로 인한 온실가스 배출 증가는 지구 에너지 수지의 불균형을 초래하여 열 축적을 야기하며, 이는 지구 온난화를 가속화 시킨다.^[148] 이 열의 약 90%는 해양 열 함량에 추가되고, 1%는 대기에 남고, 3~4%는 빙권의 주요 부분을 녹이는 데 사용된다.^[148] 1994년부터 2017년 사이에 전 세계적으로 28조 톤의 빙하가 사라졌으며, 특히 북극 해빙 감소가 가장 큰 손실(7.6조 톤)을 차지했다.^[149] 그 뒤를 남극의 빙붕 융해(6.5조 톤), 산악 빙하 후퇴(6.1조 톤), 그린란드 빙상 융해(3.8조 톤), 남극 빙상 융해(2.5조 톤), 그리고 남극해의 제한적인 해빙 손실(0.9조 톤)이 뒤따랐다.^[149]

해빙을 제외하고, 이러한 얼음의 손실은 해수면 상승의 주요 원인이며, 앞으로 더욱 심화될 것으로 예상된다. 특히, 부유하는 빙붕이 사라지고 더 이상 빙하를 지탱할 수 없게 되면 서남극 빙상의 융해가 상당히 가속화될 수 있다. 이는 해양 빙상 불안정성 과정을 촉발하여, 향후 지구 온난화에 따라 세기말까지 예상되는 해수면 상승을 수십 센티미터 더 증가시킬 수 있다.^[150]

그린란드와 남극의 빙하 손실은 대량의 담수 해빙수를 생성하는데, 이는 각각 대서양 자오선 역전 순환(AMOC)과 남극해 역전 순환을 방해한다.^[151] 열염 순환의 이 두 부분은 지구 기후에 매우 중요하며 높은 해빙수 유출이 지속되면 어느 한 순환, 또는 두 순환 모두 심각한 붕괴를 일으킬 수 있다. 이는 역전하기 매우 어렵기 때문에 기후 시스템의 전환점의 예로 간주될 것이다.^[151]

빙하 관련 전환점의 또 다른 예는 영구 동토층 해빙이다. 영구 동토층의 유기물 함량은 해빙되고 분해되기 시작하면 이산화탄소(CO₂)와 메탄 배출을 일으키지만,^[151] 빙하 융해는 지면을 액화시켜 이전 영구 동토층 위에 건설된 모든 것이 붕괴되도록 한다.

=== 미래 예측 ===

미래에 북극해는 몇몇 9월(빙하가 녹는 계절의 끝) 동안 해빙의 대부분을 잃을 가능성이 높지만, 겨울 동안 일부 빙하는 다시 얼 것이다.^[153] 이는 얼음-알베도 피드백으로 인해 지역 및 전 세계 기후에 영향을 미칠 것이다.^[154] 1992년부터 2018년 사이에 전 세계적으로 발생한 해빙 손실(거의 대부분이 북극에서 발생)은 같은 기간 동안 발생한 온실가스 배출량의 10%와 같은 영향을 이미 미쳤다.^[155] 만약 매년 6월부터 9월까지(태양이 계속 빛나는 극지방의 낮) 모든 북극 해빙이 사라진다면, 북극의 온도는 1.5°C 이상 증가하고, 전 세계 온도는 약 0.19°C 증가할 것이다.^[156]

2100년까지 그린란드와 남극 대륙을 제외한 산악 빙하의 최소 4분의 1이 녹을 것이며,^[158] 지구 온난화가 2°C에 도달한 후 약 200년 후에는 비극지 산악지대의 모든 빙관이 사라질 가능성이 높다.^[163]^[164] 서남극 빙상은 매우 취약하며, 온난화가 더 진행되지 않더라도 사라질 가능성이 높다.^[159]^[160]^[161]^[162] 하지만 완전히 사라지려면 약 2,000년이 걸릴 수 있다.^[163]^[164] 그린란드 빙상은 1.7°C와 2.3°C 사이의 지속적인 온난화로 대부분 사라질 것이지만,^[165] 완전히 사라지려면 약 10,000년이 걸린다.^[163]^[164] 마지막으로, 남극 동부 빙상은 완전히 녹는 데 최소 10,000년이 걸릴 것이며, 이는 5°C와 10°C 사이의 온난화를 필요로 한다.^[163]^[164]

지구상의 모든 빙하가 녹으면 해수면이 약 70m 상승할 것이며,^[166] 그중 53.3m는 남극 동부에서 발생할 것이다.^[167] 지각 융기로 인해 빙하가 없는 땅은 결국 그린란드에서는 평균 301m 높아지고, 남극 대륙에서는 494m 높아질 것이다.^[168] 서남극 빙상, 산악 빙하 및 그린란드 빙상의 손실로 인한 전 세계 온도에 대한 영향은 각각 0.05°C, 0.08°C, 0.13°C로 추산되며,^[156] 남극 동부 빙상이 없으면 온도가 0.6°C 증가할 것이다.^[163]^[164]

6. 1. 역사적 변화

인간의 활동으로 인한 온실가스 배출 증가는 지구 에너지 수지의 불균형을 초래하여 열 축적을 야기하며, 이는 지구 온난화를 가속화 시킨다.^[148] 이 열의 약 90%는 해양 열 함량에 추가되고, 1%는 대기에 남고, 3~4%는 빙권의 주요 부분을 녹이는 데 사용된다.^[148] 1994년부터 2017년 사이에 전 세계적으로 28조 톤의 빙하가 사라졌으며, 특히 북극 해빙 감소가 가장 큰 손실(7.6조 톤)을 차지했다.^[149] 그 뒤를 남극의 빙붕 융해(6.5조 톤), 산악 빙하 후퇴(6.1조 톤), 그린란드 빙상 융해(3.8조 톤), 남극 빙상 융해(2.5조 톤), 그리고 남극해의 제한적인 해빙 손실(0.9조 톤)이 뒤따랐다.^[149]

해빙을 제외하고, 이러한 얼음의 손실은 해수면 상승(SLR)의 주요 원인이며, 앞으로 더욱 심화될 것으로 예상된다. 특히, 부유하는 빙붕이 사라지고 더 이상 빙하를 지탱할 수 없게 되면 서남극 빙상의 융해가 상당히 가속화될 수 있다. 이는 해양 빙상 불안정성 과정을 촉발하여, 향후 지구 온난화에 따라 세기말까지 예상되는 해수면 상승을 수십 센티미터 더 증가시킬 수 있다.^[150]

그린란드와 남극의 빙하 손실은 대량의 담수 해빙수를 생성하는데, 이는 각각 대서양 자오선 역전 순환(AMOC)과 남극해 역전 순환을 방해한다.^[151] 열염 순환의 이 두 부분은 지구 기후에 매우 중요하며 높은 해빙수 유출이 지속되면 어느 한 순환, 또는 두 순환 모두 심각한 붕괴를 일으킬 수 있다. 이는 역전하기 매우 어렵기 때문에 기후 시스템의 전환점의 예로 간주될 것이다.^[151]

빙하 관련 전환점의 또 다른 예는 영구 동토층 해빙이다. 영구 동토층의 유기물 함량은 해빙되고 분해되기 시작하면 이산화탄소(CO₂)와 메탄 배출을 일으키지만,^[151] 빙하 융해는 지면을 액화시켜 이전 영구 동토층 위에 건설된 모든 것이 붕괴되도록 한다.

6. 2. 미래 예측

미래에 북극해는 몇몇 9월(빙하가 녹는 계절의 끝) 동안 해빙의 대부분을 잃을 가능성이 높지만, 겨울 동안 일부 빙하는 다시 얼 것이다.^[153] 이는 얼음-알베도 피드백으로 인해 지역 및 전 세계 기후에 영향을 미칠 것이다.^[154] 1992년부터 2018년 사이에 전 세계적으로 발생한 해빙 손실(거의 대부분이 북극에서 발생)은 같은 기간 동안 발생한 온실가스 배출량의 10%와 같은 영향을 이미 미쳤다.^[155] 만약 매년 6월부터 9월까지(태양이 계속 빛나는 극지방의 낮) 모든 북극 해빙이 사라진다면, 북극의 온도는 1.5°C 이상 증가하고, 전 세계 온도는 약 0.19°C 증가할 것이다.^[156]

2100년까지 그린란드와 남극 대륙을 제외한 산악 빙하의 최소 4분의 1이 녹을 것이며,^[158] 지구 온난화가 2°C에 도달한 후 약 200년 후에는 비극지 산악지대의 모든 빙관이 사라질 가능성이 높다.^[163]^[164] 서남극 빙상은 매우 취약하며, 온난화가 더 진행되지 않더라도 사라질 가능성이 높다.^[159]^[160]^[161]^[162] 하지만 완전히 사라지려면 약 2,000년이 걸릴 수 있다.^[163]^[164] 그린란드 빙상은 1.7°C와 2.3°C 사이의 지속적인 온난화로 대부분 사라질 것이지만,^[165] 완전히 사라지려면 약 10,000년이 걸린다.^[163]^[164] 마지막으로, 남극 동부 빙상은 완전히 녹는 데 최소 10,000년이 걸릴 것이며, 이는 5°C와 10°C 사이의 온난화를 필요로 한다.^[163]^[164]

지구상의 모든 빙하가 녹으면 해수면이 약 70m 상승할 것이며,^[166] 그중 53.3m는 남극 동부에서 발생할 것이다.^[167] 지각 융기로 인해 빙하가 없는 땅은 결국 그린란드에서는 평균 301m 높아지고, 남극 대륙에서는 494m 높아질 것이다.^[168] 서남극 빙상, 산악 빙하 및 그린란드 빙상의 손실로 인한 전 세계 온도에 대한 영향은 각각 0.05°C, 0.08°C, 0.13°C로 추산되며,^[156] 남극 동부 빙상이 없으면 온도가 0.6°C 증가할 것이다.^[163]^[164]

6. 3. 한국에 미치는 영향

7. 비수성 얼음

물 외에도 여러 휘발성 물질의 고체 상이 '얼음'으로 불린다. 일반적으로 휘발성 물질은 융점 또는 승화점이 100 K (-173 °C) 이상이거나 그 근처일 경우 얼음으로 분류된다. 가장 잘 알려진 예는 드라이아이스인데, 이는 이산화탄소의 고체 형태이며 승화/석출점은 194.7 K (-78.5 °C)이다.^[169]

일부 절연성 자성체에서 얼음의 "자기적 유사체"도 발견된다. 이 자성체에서 자기 모멘트는 물 얼음 속 양성자의 위치를 모방하고, 물 얼음 속 양성자 배열의 기하학적 좌절에서 비롯되는 Bernal-Fowler 얼음 규칙과 유사한 에너지 제약을 따른다. 이러한 물질을 스핀 얼음이라고 한다.^[170]

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