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문제 정의
- 그래서 실험 장치에서도 미세한 기류를 형성할 수 있는 팬을 설치하고, 기류가 솟는 고드름 생성에 어떤 영향을 미치는지 알아보았다. 그러나 아주 미세한 기류 조차도 실험 장치에서는 솟는 고드름 생성에 영향을 준다(Fig.
- 솟는 고드름과 비슷한 겨울철의 특이한 기상 현상으로서 경상남도 밀양의 얼음골에서는 겨울에 결빙이 일어나지 않고, 여름에 물이 어는 기이한 현상이 나타나는데, 이러한 현상은 주변의 중규모 대기 순환과 관련하여 설명되고 있다(이순환 외, 2004). 본 연구에서는 2006년 1월부터 2009년 2월까지 자연적으로 발생하는 솟는 고드름을 관측하고 분석하였으며, 솟는 고드름 생성장치를 개발하여 실험실에서 솟는 고드름의 생성 원리와 최적의 생성 조건을 밝혔다.
- 지금까지 신비하고 기이한 현상으로만 알려져 왔던마이산 은수사의 솟는 고드름을 야외에서 실험하여 재현하고 그 원리를 적용, 실험실에서 만들 수 있는실험 장치를 개발하여 연구했다. 솟는 고드름의 형태는 자연 상태에서 꼭지형(30.
제안 방법
- 0℃부터 -25℃까지 0.2℃ 간격으로 실험장치 내부의 온도를 유지하면서 최적의 솟는 고드름 생성 온도를 알아보았다. -2℃ 이상에서는 실험 용기의 물이 어는데 시간이 많이 걸리고, 윗부분이 약간 부풀어 오르는 정도로서 솟는 고드름이 만들어지지 않았다.
- 2006년 1월 3일, 마이산 은수사를 처음 방문하여 솟는 고드름을 확인하였고, 2006년부터 2009년까지 겨울마다 취수단과 배나무 아래에 용기(스테인레스재질의 밥그릇(주발), 200 mL 용량)를 설치하여 취수단 약수물을 이용하여 솟는 고드름 생성을 실험하였다. 동시에 계룡산 금수산장 뒷마당과 아파트 베란다 (대전시내, 16충)에도 용기를 설치하여 실험하였다.
- 또한, 냉동고 내부와 실험 용기 주변의 온도를 측정하기 위해 디지털 온도계(NAW-912) 4개를 설치했고, PC에 연결된 MBL(Microcomputer-Based Laboratory) 실험 장치(KDS-1031)를 통해 실시간 기온과 수온 변화를 기록하였다. 2층 철망을 설치하여 기류의 수직 흐름과 장치 내부의 상하간 온도 변화가 생길 수 있도록 하였고, 더 많은 실험 용기를 설치할 수 있는 공간을 확보했다. 실험 장치 바닥에는 미세한 상승 기류를 만들어내는 작은 팬을 설치했고, 관측과 촬영 및 실험 장치 상부의 온도 조절을 위해 전구를 달았다.
- 실험 장치 바닥에는 미세한 상승 기류를 만들어내는 작은 팬을 설치했고, 관측과 촬영 및 실험 장치 상부의 온도 조절을 위해 전구를 달았다. 또한 미세한 흔들림 조차도 솟는 고드름 생성에 방해가 되기 때문에 냉동 장치의 On/Off 중에 발생하는 작은 흔들림을 방지하기 위해 진동 차단 장치를 개발하여 장착했다. 이 실험 장치를 이용하여 531개의솟는 고드름을 재현하였고, 실험에 사용된 아이스 트레이의 큐브(21개)에서 최대 71.
- 본 연구에서는 은수사의 취수단과 청실배나무 아래에 용기를 설치하여 솟는 고드름을 수집했다. 또한 연구자가 쉽게 접근할 수 있는 충남 공주시 계룡산과 대전 시내에서 용기를 설치하여 솟는 고드름 생성을 실험하였다.
- 온도를 조절할 수 있는 냉동 장치가 아래쪽에 설치되어 있는 냉동고(유니크(주), FS-80-1) 를 개조하여 관측과 촬영이 가능하도록 윗부분을 투명하게 만들고, 개방할 수 있게 했다. 또한, 냉동고 내부와 실험 용기 주변의 온도를 측정하기 위해 디지털 온도계(NAW-912) 4개를 설치했고, PC에 연결된 MBL(Microcomputer-Based Laboratory) 실험 장치(KDS-1031)를 통해 실시간 기온과 수온 변화를 기록하였다. 2층 철망을 설치하여 기류의 수직 흐름과 장치 내부의 상하간 온도 변화가 생길 수 있도록 하였고, 더 많은 실험 용기를 설치할 수 있는 공간을 확보했다.
- 은수사(진안군 마령면 동촌리 3번지) 본당으로부터 동쪽으로 약 25 m 지점에 취수단이 위치하며, 더 동쪽으로(취수단으로부터 7 m) 오래된 청실배나무가 있는데, 이 지점이 마이산에서 솟는 고드름이 가장 많이 형성되는 것으로 알려진 장소이다. 본 연구에서는 은수사의 취수단과 청실배나무 아래에 용기를 설치하여 솟는 고드름을 수집했다. 또한 연구자가 쉽게 접근할 수 있는 충남 공주시 계룡산과 대전 시내에서 용기를 설치하여 솟는 고드름 생성을 실험하였다.
- 솟는 고드름의 씨앗이라고 할 수 있는 숨구멍이 얼지 않은 부분에서 생기는 것인지, 아니면 먼저 살얼음이 생긴 후에 그 살얼음이 깨지면서 형성되는 것인지는 아직 확실하지 않은데, 이것에 대한 추후 연구가 필요하다. 본실험 장치에서는 살얼음이 얼어가는 과정에서 삼각형또는 사각형의 격자 모양을 이루고, 동시에 이 격자로부터 막 형태의 얼음이 아래 방향으로 얼어 가는것을 관측했다. 표면에 이룬 격자 모양의 살얼음 중에서 가장 나중까지 얼지 않는 곳이 숨구멍을 형성하는 것으로 추론되지만, 추가적인 연구가 필요하다.
- 솟는 고드름 생성의 최적 온도: 실험 장치 내부가 안정된 대기 상태에서 증류수를 사용하여 솟는 고드름이 가장 잘 만들어지는 최적의 기온을 찾기 위해 아이스 트레이 2개(42큐브)로 2번씩 실험하였다. 0℃부터 -25℃까지 0.
- 3은 인공적으로 솟는 고드름을 만들 수 있는실험 장치이다. 온도를 조절할 수 있는 냉동 장치가 아래쪽에 설치되어 있는 냉동고(유니크(주), FS-80-1) 를 개조하여 관측과 촬영이 가능하도록 윗부분을 투명하게 만들고, 개방할 수 있게 했다. 또한, 냉동고 내부와 실험 용기 주변의 온도를 측정하기 위해 디지털 온도계(NAW-912) 4개를 설치했고, PC에 연결된 MBL(Microcomputer-Based Laboratory) 실험 장치(KDS-1031)를 통해 실시간 기온과 수온 변화를 기록하였다.
- 용기와 물의 종류에 따른 솟는 고드름의 생성률: 용기의 종류에 따라 솟는 고드름의 생성률을 알아보기 위해 -13℃에서 아이스 트레이(플라스틱), 사기 그릇, 스테인리스 용기 등으로 실험하였다. 스테인리스 용기와 사기그릇에서는 표면이 약간 부풀어 오르거나, 작은 돌기 정도의 얼음 결정이 생성될 뿐 솟는 고드름이 거의 만들어지지 않았다.
- 용기의 상하부간 온도차와 기포의 역할을 통해 생성되는 숨구멍을 강조하여 실험 장치에서 만들어지는 솟는 고드름의 생성과정을 정리했다. 솟는 고드름이 만들어지는 과정에서 숨구멍이 형성된 이후에도 과냉각수가 계속 공급되면서 성장하기 위해서는 첫째, 숨구멍이 형성된 이후에도 용기의 밑 부분이 계속 냉각되어야 한다.
- 동시에 계룡산 금수산장 뒷마당과 아파트 베란다 (대전시내, 16충)에도 용기를 설치하여 실험하였다. 초저녁에 용기에 물을 담아(6개-12개) 암석 위와 시멘트 구조물 등에 올려놓고, 다음날 아침 솟는 고드름 생성 여부와 최저기온을 관측했다. Fig.
대상 데이터
- 4 cm 크기의 솟는 고드름이 생성되었다. 2006 년 1월부터 2009년 2월까지 마이산과 계룡산, 아파트 베란다에서 총 48회 실험으로 3 cm 이상의 솟는 고드름 107개를 수집했다(Table 1).
- 2. Experimental device for the natural ice spikes (L) in the Mai Mountain area and the formed ice spike (R, height3.4 cm).
- 동시에 계룡산 금수산장 뒷마당과 아파트 베란다 (대전시내, 16충)에도 용기를 설치하여 실험하였다. 초저녁에 용기에 물을 담아(6개-12개) 암석 위와 시멘트 구조물 등에 올려놓고, 다음날 아침 솟는 고드름 생성 여부와 최저기온을 관측했다.
- 실험 장치 내부 기온을 -13℃로 유지하여 42개 큐브에 증류수와 수돗물, 0.1, 0.5, 1, 3%의 소금물을 대상으로 실험했다. 솟는 고드름은 순수한 물인 증류수에서 가장 잘 만들어지고, 수돗물에서도 만들어 진다.
- 실험실에서 재현한 솟는 고드름을 분석하여 그 생성 원리를 규명했으며, 솟는 고드름 생성과정을 확인하기 위하여 대전MBC의 협조를 받아 동영상을 촬영 (2006. 5. 13)할 수 있었다. 이 동영상은 한국과학창의재단 (http://www.
- 또한 미세한 흔들림 조차도 솟는 고드름 생성에 방해가 되기 때문에 냉동 장치의 On/Off 중에 발생하는 작은 흔들림을 방지하기 위해 진동 차단 장치를 개발하여 장착했다. 이 실험 장치를 이용하여 531개의솟는 고드름을 재현하였고, 실험에 사용된 아이스 트레이의 큐브(21개)에서 최대 71.4%의 생성률로 솟는 고드름을 만들 수 있게 되었다.
성능/효과
- 개발한 실험 장치에서 안정된 기류 조건과 -12- -13℃ 온도 유지 등으로 솟는 고드름 재현에 성공하기 시작하여(2006년 5월부터) 21개 큐브를 갖는 아이스 트레이에서 최대 15개(71.4%)의 솟는 고드름이 만들어질 수 있게 되었다(Fig. 8).
- 5 cm이다. 넷째, 솟는 고드름이 생성될 수 있는 물은 증류수에서 가장 잘 형성되었으며 수돗물에서도 만들어졌지만, 소금과 색소 등이 포함된 물에서는 만들어지지 않았다.
- 물이 얼음으로 변하면서 늘어나는 부피만큼 용기 내에 압력이 가해져서 과냉각수가 계속 숨구멍으로 솟아 올라오는 힘이 작용해야 한다. 둘째, 물의 특성 (4℃에서 최고 밀도)으로 숨구멍을 통해 솟아오르는 물은 최소밀도를 갖는 물인데, 이 물은 용기 안에서 항상 최저온도를 갖게 됨으로서 결빙이 쉽게 될 수 있는 조건을 이루어 솟는 고드름 성장에 도움을 준다.
- 실험 장치를 이용하여 솟는 고드름의 생성조건을 실험한 결과, 첫째, 기류가 차단된 안정한 상태에서 솟는 고드름 생성의 최적 온도는 -12--13℃ 이다. 둘째, 솟는 고드름이 생성되기 위해서는 아외에서와 달리 실험 장치에서는 대기 상태가 안정되어야 하며 미세한 흔들림조차도 솟는 고드름 생성에 영향을 준다. 셋째, 플라스틱 재질의 용기(아이스 트레이)에서 솟는 고드름이 가장 잘 만들어지며 최적의 아이스 트레이의 큐브 크기는 3.
- 둘째, 솟는 고드름이 생성되기 위해서는 아외에서와 달리 실험 장치에서는 대기 상태가 안정되어야 하며 미세한 흔들림조차도 솟는 고드름 생성에 영향을 준다. 셋째, 플라스틱 재질의 용기(아이스 트레이)에서 솟는 고드름이 가장 잘 만들어지며 최적의 아이스 트레이의 큐브 크기는 3.3 cmx3.9cmx3.5 cm이다. 넷째, 솟는 고드름이 생성될 수 있는 물은 증류수에서 가장 잘 형성되었으며 수돗물에서도 만들어졌지만, 소금과 색소 등이 포함된 물에서는 만들어지지 않았다.
- 5% 정도로 만들어 졌다. 실험 장치 내부 온도를 -12--13℃로 유지했을 때, 솟는 고드름이 가장 잘 생성되어 42개 큐브 중 평균 13개 정도에서 만들어졌고(평균생성률 30.3%, -13℃에서 생성률 39%), 하나의 큐브에서 2개가 형성되는 경우도 있었다. -20℃ 이하의 낮은 온도에서는 솟는 고드름이 거의 생성되지 않았다(Fig.
- 1%)이 많이 형성되었다. 실험 장치를 이용하여 솟는 고드름의 생성조건을 실험한 결과, 첫째, 기류가 차단된 안정한 상태에서 솟는 고드름 생성의 최적 온도는 -12--13℃ 이다. 둘째, 솟는 고드름이 생성되기 위해서는 아외에서와 달리 실험 장치에서는 대기 상태가 안정되어야 하며 미세한 흔들림조차도 솟는 고드름 생성에 영향을 준다.
후속연구
- 5% 이하). 그 이유는 실험 장치 내부의 냉기 흐름과 수증기 조건, 하부에서의 냉각 조건 등에서 야외에서의 조건과 다르기 때문으로 추론되지만, 이 부분에 대해서는 추가적인 연구가 더 필요하다. 한편, 같은 온도와 조건에서도 경우에 따라서 많은 솟는 고드름이 만들어지기도 하고, 전혀 생성되지 않기도 했다.
- 필요하다. 또한 실험 장치에서 같은 조건으로 솟는 고드름을 재현했을 때, 어떤 큐브에서는 잘 만들어 졌지만, 다른 큐브에서는 발생하지 않는 경우가 많은데, 그 원인에 대해서도 좀 더 자세한 연구가 필요하다. 본 연구의 실험 장치로 만들어지는 솟는 고드름 재현 실험은 학생들에게 과학 수업을 위한 프로그램으로 활용될 수 있으며(한국과학창의재단, 2008), 과학체험 관광 상품으로도 활용할 수 있을 것이다.
- 또한 실험 장치에서 같은 조건으로 솟는 고드름을 재현했을 때, 어떤 큐브에서는 잘 만들어 졌지만, 다른 큐브에서는 발생하지 않는 경우가 많은데, 그 원인에 대해서도 좀 더 자세한 연구가 필요하다. 본 연구의 실험 장치로 만들어지는 솟는 고드름 재현 실험은 학생들에게 과학 수업을 위한 프로그램으로 활용될 수 있으며(한국과학창의재단, 2008), 과학체험 관광 상품으로도 활용할 수 있을 것이다.
- 숨구멍으로 물이 계속 솟아오르면서 얼어가는 과정으로 솟는 고드름이 성장한다(Jamieson, 2006; Knight, 1998). 솟는 고드름의 씨앗이라고 할 수 있는 숨구멍이 얼지 않은 부분에서 생기는 것인지, 아니면 먼저 살얼음이 생긴 후에 그 살얼음이 깨지면서 형성되는 것인지는 아직 확실하지 않은데, 이것에 대한 추후 연구가 필요하다. 본실험 장치에서는 살얼음이 얼어가는 과정에서 삼각형또는 사각형의 격자 모양을 이루고, 동시에 이 격자로부터 막 형태의 얼음이 아래 방향으로 얼어 가는것을 관측했다.
- 본실험 장치에서는 살얼음이 얼어가는 과정에서 삼각형또는 사각형의 격자 모양을 이루고, 동시에 이 격자로부터 막 형태의 얼음이 아래 방향으로 얼어 가는것을 관측했다. 표면에 이룬 격자 모양의 살얼음 중에서 가장 나중까지 얼지 않는 곳이 숨구멍을 형성하는 것으로 추론되지만, 추가적인 연구가 필요하다. 숨구멍으로 물이 올라오면서 솟는 고드름이 성장하는 시간은 10-30분 정도의 짧은 시간이다.
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