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빙정

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전형적인 육각 대칭을 보여주며 성장하는 빙정의 근접 사진

빙정(氷晶, ice crystal)은 육방정계 기둥, 육각 판, 수지상 결정을 포함하여 대칭적인 모양을 가진 고체 상태의 물(얼음)이다.[1] 빙정은 다양한 대기광학 현상과 권운 형성의 원인이 된다.[1][2]

형성

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전형적인 빙정 모양인 육각 판(위)과 육각 기둥(아래)의 예시

주변 온도와 압력에서 물 분자는 V자 모양을 띤다. 두 개의 수소 원자는 산소 원자와 105° 각도로 결합한다.[3] 빙정은 육각형 결정 격자를 가지는데, 이는 물 분자가 얼면서 층을 이룬 육각형으로 스스로 배열됨을 의미한다.[1]

더 차갑고 건조한 대기에서 결정이 천천히 성장할수록 더 많은 육각 대칭이 나타난다.[2] 환경 온도와 습도에 따라 빙정은 초기 육각기둥 형태에서 여러 대칭적인 모양으로 발전할 수 있다.[4] 빙정이 가질 수 있는 모양으로는 기둥, 서릿발, 판, 덴드라이트 등이 있다. 혼합된 패턴도 가능하다.[1] 이러한 대칭적 모양은 석출 성장에 의한 것으로, 이는 대기 중의 수증기에서 얼음이 직접 형성될 때 발생한다.[5] 대기 중 먼지 입자의 작은 틈새에 물이 모여 얼어붙으면서 빙정을 형성하기도 한다.[6][7] 이를 핵 생성이라고 한다.[8] 눈송이는 기존의 빙정 위에 추가적인 수증기가 얼어붙을 때 형성된다.[9][10]

빙정 위에 물이 더 얼어붙으면 눈송이가 만들어진다.

삼방정계 및 입방정계 결정

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과냉각된 물은 녹는점 이하에서도 여전히 액체 상태인 물을 말한다.[11] 과냉각된 물에서 형성된 빙정은 층을 이룬 육각형 구조에 적층 결함이 있다. 이로 인해 온도에 따라 빙정이 삼방정계 또는 입방정계 대칭을 나타내게 된다. 삼방정계 또는 입방정계 결정은 과냉각이 발생하는 상층 대기에서 형성된다.[12][13]

사각형 결정

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물은 헬륨과 같은 더 작은 분자와 달리 그래핀 산화물의 적층된 시트를 통과할 수 있다. 두 층의 그래핀 사이에 끼었을 때, 물은 실온에서 사각형 빙정을 형성한다. 연구자들은 높은 압력과 모든 분자 사이에 존재하는 인력인 반데르발스 힘이 이러한 형성을 유도한다고 믿는다. 이 물질은 얼음의 새로운 결정상이다.[3][14]

기상 현상

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권운 속 빙정에 빛이 반사되어 만들어진 무리. 이 특정 무리는 46° 무리라고 불린다.

빙정은 산란이라 불리는 과정을 통해 빛을 반사하여 하늘에 세빙이나 무리와 같은 광학적 현상을 만들어낸다.[1][2][15]

권운과 얼음 안개는 빙정으로 구성된다.[1][16] 권운은 종종 온난전선이 다가오고 있다는 신호인데, 여기서 따뜻하고 습한 공기가 상승하여 빙정으로 얼어붙는다.[17][18] 빙정끼리 서로 마찰하면 번개가 발생하기도 한다.[19][20] 빙정은 보통 수평으로 떨어지지만,[21] 전기장에 의해 서로 뭉쳐져 다른 방향으로 떨어질 수도 있다.[22][23]

탐지

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주사전자현미경으로 촬영한 수지상 빙정. 가색상은 컴퓨터로 생성된 것이다.

항공우주공학계는 위험한 비행 조건을 식별하기 위해 빙정 환경을 탐지할 수 있는 레이더를 설계하기 위해 노력하고 있다. 빙정은 따뜻한 항공기 표면에 닿으면 녹았다가 환경 조건에 따라 다시 얼어붙을 수 있다. 엔진 주변에 얼음이 쌓이면 항공기가 손상된다.[24][25] 기상 예보에서는 물방울의 가로와 세로 길이를 비교하여 강수 유형을 식별하는 이중 편파 기상 레이더를 사용한다.[26] 빙정은 수평 방향으로 더 길기 때문에[15] 탐지가 가능하다.

각주

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  1. 1 2 3 4 5 6 “ice crystal”. 《Glossary of Meteorology》. American Meteorological Society. 2023년 3월 29일에 확인함.
  2. 1 2 3 “Ice Crystal Halos”. 《its.caltech.edu》. 2014년 1월 13일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2023년 3월 30일에 확인함.
  3. 1 2 Puiu, Tibi (2015년 3월 27일). “Sandwiching water between graphene makes square ice crystals at room temperature” (미국 영어). 《ZME Science》. 2023년 3월 30일에 확인함.
  4. ↑ Visconti, Guido (2001). 《Fundamentals of physics and chemistry of the atmosphere》. Berlin: Springer. ISBN 3-540-67420-9. OCLC 46320998.
  5. ↑ “Sublimation and deposition - Energy Education”. 《energyeducation.ca》. 2023년 4월 10일에 확인함.
  6. ↑ Utah, University of. “We've been thinking of how ice forms in cirrus clouds all wrong” (영어). 《phys.org》. 2023년 3월 30일에 확인함.
  7. ↑ “How ice crystals form in clouds”. 《Wiley Analytical Science Magazine》. 2023년 3월 29일에 확인함.
  8. ↑ UCL (2016년 12월 9일). “Understanding how ice crystals form in clouds” (영어). 《UCL News》. 2023년 4월 10일에 확인함.
  9. ↑ “Growth Rates and Habits of Ice Crystals between −20° and −70°C - Google Search”. 《www.google.com》. 2024년 3월 10일에 확인함.
  10. ↑ “How do snowflakes form? Get the science behind snow” (영어). 《www.noaa.gov》. 2016년 12월 19일. 2023년 3월 30일에 확인함.
  11. ↑ “Supercool Clouds” (영어). 《earthobservatory.nasa.gov》. 2014년 12월 20일. 2023년 4월 10일에 확인함.
  12. ↑ Murray, Benjamin J.; Salzmann, Christoph G.; Heymsfield, Andrew J.; Dobbie, Steven; Neely, Ryan R.; Cox, Christopher J. (2015년 9월 1일). 《Trigonal Ice Crystals in Earth's Atmosphere》 (영어). 《Bulletin of the American Meteorological Society》 96. 1519–1531쪽. Bibcode:2015BAMS...96.1519M. doi:10.1175/BAMS-D-13-00128.1. ISSN 0003-0007. S2CID 120907603.
  13. ↑ “Cubic ice (ice Ic) structure”. 《water.lsbu.ac.uk》. 2023년 4월 10일에 확인함.
  14. ↑ Algara-Siller, 게리; Lehtinen, 오토; Wang, F. C.; Nair, R. R.; Kaiser, U.; Wu, H. A.; Geim, A. K.; Grigorieva, I. V. (2015). 《Square ice in graphene nanocapillaries》 (영어). 《Nature》 519. 443–445쪽. arXiv:1412.7498. Bibcode:2015Natur.519..443A. doi:10.1038/nature14295. ISSN 1476-4687. PMID 25810206. S2CID 4462633.
  15. 1 2 Gedzelman, S. D. (2003년 1월 1일), 〈OPTICS, ATMOSPHERIC | Optical Phenomena〉 (영어), Holton, 제임스 R. (편집), 《Encyclopedia of Atmospheric Sciences》, Oxford: Academic Press, 1583–1594쪽, doi:10.1016/b0-12-227090-8/00284-0, ISBN 978-0-12-227090-1, 2023년 3월 30일에 확인함
  16. ↑ “Ice fog”. 《Glossary of Meteorology》. American Meteorological Society. 2023년 3월 29일에 확인함.
  17. ↑ “Cirrus Clouds | Center for Science Education”. 《scied.ucar.edu》. 2023년 3월 30일에 확인함.
  18. ↑ “Cirrus clouds” (영어). 《Met Office》. 2023년 3월 30일에 확인함.
  19. ↑ Plait, 필 (2016년 11월 16일). “Ice Crystals Above Clouds Dance to the Tune of Electricity” (미국 영어). 《Slate》. ISSN 1091-2339. 2023년 3월 30일에 확인함.
  20. ↑ Canada, Environment and Climate Change (2011년 4월 15일). “How lightning works”. 《www.canada.ca》. 2023년 3월 30일에 확인함.
  21. ↑ Stillwell, 로버트 A.; Neely, 라이언 R.; Thayer, 제프리 P.; Walden, 본 P.; Shupe, 매슈 D.; Miller, 나다니엘 B. (2019년 11월 27일). 《Radiative Influence of Horizontally Oriented Ice Crystals over Summit, Greenland》 (영어). 《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》 124. 12141–12156쪽. Bibcode:2019JGRD..12412141S. doi:10.1029/2018JD028963. ISSN 2169-897X. S2CID 210640681.
  22. ↑ Libbrecht, 케네스 G. “Electric Snow Crystal Growth”. 《www.its.caltech.edu》. 2023년 3월 30일에 확인함.
  23. ↑ Latham, J.; Saunders, C. P. R. (1964). 《Aggregation of Ice Crystals in Strong Electric Fields》 (영어). 《Nature》 204. 1293–1294쪽. Bibcode:1964Natur.204.1293L. doi:10.1038/2041293a0. ISSN 1476-4687. S2CID 8747928.
  24. ↑ Heidman, 켈리 (2015년 8월 11일). “Flight Campaign Studies Radar Detection of Ice Crystal Icing”. 《NASA》. 2023년 3월 30일에 확인함.
  25. ↑ Lukas, 얀; Badin, 파벨 (2019년 6월 10일). 《High Altitude Ice Crystal Detection with Aircraft X-band Weather Radar》 (영어). 《SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility》 2. 256–264쪽. doi:10.4271/2019-01-2026. ISSN 2641-9637. S2CID 182542723.
  26. ↑ US Department of Commerce, NOAA. “Dual-Pol Products” (미국 영어). 《www.weather.gov》. 2023년 3월 30일에 확인함.
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