얼음은 왜 물에 뜨는데 빙산은 대부분 잠길까? 밀도와 해수면 차이

얼음은 물보다 밀도가 낮아 수면에 떠요. 다만 빙산은 눈에 보이는 흰 봉우리보다 물속에 잠긴 부분이 훨씬 커서, 수면 위 모습만 보고 전체 부피를 가늠하기 어려워요.

빙산의 약 90%가 물 아래에 있다는 설명은 대략적인 비율이에요. 실제로 얼마나 잠기는지는 얼음 속 공기, 바닷물의 염분과 온도 같은 조건에 따라 조금씩 달라져요.

물을 얼리면 무거워지는 게 아니라 부피가 늘어나요

같은 양의 물을 얼려도 얼음이 액체 물보다 더 많은 공간을 차지해요. 물 분자의 개수와 전체 질량이 갑자기 늘어서가 아니라, 얼어붙은 상태에서 분자들이 배열되는 방식이 달라지기 때문이에요.

액체 상태의 물 분자들은 움직이며 서로 간격을 바꿔요. 얼음이 될 때에는 수소 결합이 비교적 열린 결정 구조를 만들어, 같은 무게를 담는 데 필요한 부피가 커져요. 분자를 작은 공처럼 빽빽하게 쌓은 고체와는 다른 성질이에요.

대기압 부근의 순수한 물은 얼 때 부피가 대략 9% 늘어나요. 예를 들어 물 1L를 얼렸을 때 얼음의 부피가 약 1.09L가 된다는 뜻이지, 무게가 9% 늘었다는 뜻은 아니에요. 용기에 빈 공간이 없다면 이런 팽창이 문제를 일으킬 수 있어요.

밀도는 일정한 부피 안에 들어 있는 물질의 무게를 비교할 때 쓰는 말이에요. 얼음이 되면서 질량은 거의 같아도 부피가 커지면 단위 부피당 질량은 작아져요. 그래서 물에서 얼음으로 바뀌는 과정을 무게가 줄어드는 현상과 혼동하지 않아야 해요.

액체 물과 얼음의 분자 배열 · 단순화한 개념도

일반적인 물질은 식어서 고체가 되면 더 촘촘해지는 경우가 많아요. 물은 예외적인 구조를 지녀서 고체인 얼음의 밀도가 액체 물보다 낮아요. 그래서 얼음을 물에 넣으면 바닥으로 가라앉지 않고 일부를 물 밖에 드러낸 채 떠요.

빙산에서 보이는 10%와 물속 90%는 무엇을 뜻할까요

얼음이 떠 있을 때는 물이 떠받치는 힘인 부력과 얼음의 무게가 균형을 이뤄요. 이때 물에 잠긴 부피가 밀어낸 물의 무게는 떠 있는 얼음의 무게와 같아요. 이를 이용하면 눈에 보이지 않는 부분의 크기도 대략 설명할 수 있어요.

물보다 얼음의 밀도가 조금 작으므로, 충분히 큰 부피가 물에 잠겨야 무게를 떠받칠 수 있어요. 빙산이 대체로 부피의 약 9할을 물속에 두는 이유예요. 이는 질량의 90%가 물 아래 있다는 뜻으로 곧바로 바꿔 말하기보다, 잠긴 부피의 비율로 읽는 것이 정확해요.

물체가 가라앉느냐 뜨느냐는 겉모양만으로 정해지지 않아요. 같은 얼음이라면 넓고 납작한 모양과 높고 좁은 모양이 물속에 잠기는 형태는 달라도, 물의 밀도가 같고 얼음의 성질도 같다면 잠긴 부피의 비율은 비슷해요.

일부 얼음이 물 밖에 노출되어 있다는 사실은 얼음이 물을 밀어내지 않는 부분도 있다는 뜻이에요. 실제 빙산 관측에서는 물속으로 이어지는 경계가 눈에 보이지 않기 때문에 보이는 부분만으로 안전한 거리나 수심을 판단하는 일은 피해야 해요.

빙산 수면선 위·아래의 부피 대비 · 설명 삽화

바닷물은 염류가 녹아 있는 만큼 같은 부피의 담수보다 일반적으로 밀도가 높아요. 같은 얼음을 담수와 바닷물에 각각 띄우면 바닷물 쪽에서 아주 조금 더 높이 뜰 수 있어요. 그래도 눈으로 전체 빙산의 부피를 추정할 만큼 큰 차이는 아니에요.

빙산은 모양이 매우 불규칙하고 물속에서 한쪽으로 길게 뻗기도 해요. 위에서 보이는 수평 면적이나 봉우리 높이에 9를 곱해 숨은 길이를 계산하는 방법은 맞지 않아요. 약 90%는 대체로 부피에 관한 설명이지, 아래 방향 길이를 일정 비율로 늘리라는 공식이 아니에요.

컵에 든 얼음이 녹아도 수위가 거의 그대로인 까닭

컵에 얼음이 떠 있을 때 얼음은 자기 무게에 해당하는 물을 밀어내요. 얼음이 완전히 녹으면 그 무게와 같은 양의 액체 물이 생기므로, 순수한 물에 순수한 얼음을 띄운 이상적인 조건에서는 녹기 전후 수위가 같아요.

얼음 전체의 부피가 물보다 컸는데도 수위가 오르지 않는 점이 이상하게 느껴질 수 있어요. 수면 위에 올라온 얼음의 부피까지 전부 물속에 들어가 있었던 것이 아니기 때문이에요. 녹은 물의 부피는 처음 얼음이 밀어낸 물의 부피와 같아져요.

투명한 컵에 물을 채우고 얼음을 띄운 뒤 수면에 표시를 해 보세요. 시간이 지나 얼음이 녹은 다음 같은 눈높이에서 비교하면 원리를 볼 수 있어요. 다만 물이 증발하거나 컵 바깥에 맺힌 물방울이 섞이면 눈금이 조금 달라질 수 있으니 정밀 측정 결과처럼 단정할 필요는 없어요.

같은 무게의 얼음을 컵 물속에 완전히 누르고 있는 상황과 얼음이 자유롭게 떠 있는 상황도 달라요. 손으로 얼음을 누르는 동안은 외부 힘이 추가되지만, 손을 떼면 얼음은 부력과 무게가 균형을 이루는 자리로 올라와요. 컵 실험을 할 때는 얼음이 자유롭게 떠 있어야 해요.

바다에 떠 있는 얼음은 녹아도 해수면에 영향이 없을까요

민물컵의 답을 실제 바다에 그대로 옮길 때는 한 가지가 달라져요. 바닷물은 담수보다 밀도가 높고, 바다에 떠 있던 얼음은 녹으면 비교적 염분이 낮은 물을 남기기 때문이에요. 그래서 부유빙의 융해도 해수면을 아주 조금 높이는 효과가 있어요.

그 차이는 육지 빙하가 바다로 물을 새로 공급하는 효과보다 훨씬 작아요. 바다 얼음이 녹는 현상을 해수면 상승의 가장 큰 직접 원인으로 설명하면 비중이 뒤바뀌어요. 동시에 바다 얼음은 녹아도 수위 변화가 무조건 0이라고 쓰는 것 역시 정확하지 않아요.

해빙은 원래 바닷물이 얼어 만들어진 얼음이에요. 얼 때 소금 대부분이 주변 바닷물로 빠져나가지만, 새로 생긴 얼음에는 짠물이 주머니처럼 남을 수도 있어요. 반면 바닷물 위에 떠다니는 빙산은 주로 육지에서 형성된 빙하가 떨어져 나온 덩어리예요.

예를 들어 큰 얼음덩어리가 담수 호수에 떠 있는 상황이라면 컵 속 얼음과 같은 원리를 적용하기 쉬워요. 하지만 짠 바닷물 속에서 담수에 가까운 얼음이 녹는 상황은 기준이 달라요. 이 작은 차이를 설명할 때는 어떤 물에 어떤 얼음이 떠 있는지를 먼저 밝혀야 해요.

육지 빙하가 녹는 경우와 빙산이 녹는 경우는 달라요

산이나 대륙 위에 놓여 있던 빙하가 녹아 강이나 바다로 흘러들면, 원래 바닷속에 없던 물이 바다에 더해져요. 그래서 그 물은 해수면을 높이는 요인이 돼요. 큰 빙상이 있는 그린란드와 남극을 살펴볼 때 육지 얼음의 양을 중요하게 보는 이유이기도 해요.

떠 있는 얼음과 육지 얼음의 물 이동 비교 · 개념도

이미 바다에 떠 있는 빙산은 상황이 달라요. 바다에 들어온 순간부터 자신의 무게에 해당하는 바닷물을 밀어내고 있어요. 이후 녹는 단계에서 추가로 발생하는 수위 변화는 물과 소금의 밀도 차이에서 비롯된 작은 부분이에요.

빙하가 바다로 갈라져 떨어지는 현상과, 떨어져 나온 빙산이 나중에 녹는 현상도 나눠 봐야 해요. 육지에 있던 얼음이 바다로 이동하는 시점부터 부피를 밀어내는 영향이 생기므로, 빙산이 녹아 사라지는 장면만으로 해수면 변화의 시작 시점을 판단할 수는 없어요.

해수면에는 육지 얼음에서 새로 들어오는 물뿐 아니라 따뜻해진 바닷물이 팽창하는 영향도 작용해요. 따라서 해빙 면적의 감소, 빙하 질량의 감소, 해수면 높이의 변화는 서로 관련은 있지만 같은 수치를 나타내지는 않아요.

또 빙산의 겉면이 부서지는 모습과 지구 전체 해수면 변화는 관찰하는 규모가 달라요. 눈앞의 빙산이 한 조각 녹았다고 세계 바다의 수면 변화가 눈에 띄는 것은 아니에요. 반대로 개별 장면에서 변화가 작아 보인다고 장기간의 육지 빙하 손실을 가볍게 볼 수도 없어요.

호수는 왜 바닥보다 수면에서 먼저 얼기 쉬울까요

이 성질은 겨울 호수에도 나타나요. 담수는 대략 4℃ 부근에서 밀도가 가장 높아져 아래로 내려가기 쉬워요. 수면의 물이 더 차가워져 얼음이 되면 밀도가 낮아 물 위에 남고, 그 아래에는 액체 물이 유지될 여지가 생겨요.

수면에 생긴 얼음층은 바람과 공기와의 직접 접촉을 줄이고 아래쪽 물을 어느 정도 단열해요. 그렇다고 모든 호수의 바닥이 겨울 내내 얼지 않는다는 뜻은 아니에요. 얕은 연못이나 매우 추운 환경에서는 전체가 얼 수 있고 물의 흐름도 영향을 줘요.

바닷물은 소금 때문에 어는점과 밀도 변화가 담수와 달라요. 호수에서 배운 4℃ 밀도 특성을 바다 전체에 그대로 적용하면 틀릴 수 있어요. 일상에서 얼음을 관찰할 때는 담수인지 바닷물인지부터 구분하면 원리를 더 정확하게 이해할 수 있어요.

같은 호수라도 물이 깊고 바람이 강한 곳과 얕고 잔잔한 곳의 결빙 모습은 달라요. 물의 밀도 특성은 얼음이 수면에 생기는 이유를 설명하는 핵심이지만, 실제 얼음 두께는 기온의 지속 시간과 물의 흐름 같은 조건에도 영향을 받아요. 겉에서 얼음이 보인다는 이유만으로 그 위에 올라가면 안 돼요.

집에서 밀도와 부력을 구분하는 간단한 관찰

준비물은 투명한 컵 두 개, 물, 같은 크기의 얼음 몇 개, 수면을 표시할 종이테이프예요. 물이 흐를 수 있으니 받침을 두고, 뜨거운 물이나 깨지기 쉬운 얇은 유리컵을 사용하지 않아도 돼요.

1. 첫 번째 컵에 물을 담아 얼음 하나를 띄우고, 측면에서 수면선을 표시해요. 얼음이 위로 나온 높이만 보지 말고 물에 잠긴 범위도 함께 살펴요.
2. 얼음이 완전히 녹을 때까지 두고 수면선과 다시 비교해요. 순수한 담수와 얼음의 경우 눈금 차이가 매우 작을 것이고, 작은 차이는 증발이나 관찰 오차도 생각해야 해요.
3. 두 번째 컵에는 물과 얼음을 같은 조건으로 준비하되, 이쪽은 얼음이 물 밖 별도 받침에 놓였다가 녹은 물이 컵 안으로 들어오도록 생각해 보세요. 처음부터 컵 속에 떠 있던 얼음과 달리 새로운 물이 더해진 경우라는 점을 비교하는 개념 실험이에요.

컵의 높이가 아니라 같은 컵에 표시된 수면선을 비교해야 결과를 오해하지 않아요. 물을 추가로 붓거나 얼음을 손으로 눌러 잠기게 하면 조건이 바뀌어요. 얼음이 녹는 동안 컵을 다른 곳으로 옮기지 않고 수평한 받침에 두는 것도 비교에 도움이 돼요.

실제 바닷물을 만들거나 수위 차이를 눈으로 꼭 확인할 필요는 없어요. 바다에 뜬 담수 얼음이 녹으면서 생기는 작은 변화는 일반 컵 눈금으로 재현하기 어려워요. 컵 실험에서 수위가 거의 같아 보였다는 사실만으로 해수면 변화도 정확히 0이라고 결론 내리지는 않아요.