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[똑똑 라이브러리 | 과학] 스키장에 엘사 등장, 겨울왕국 만드는 인공 눈의 비밀!

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-자연 눈 vs 인공 눈
-눈 오지 않아도 하얀 세상 만들어주는 '제설기'의 원리
-인공 눈 만들어주는 '미생물'이 있다!

“나랑 같이 눈사람 만들래~♪” 톡톡 친구들도 겨울왕국의 엘사와 안나처럼올라프 눈사람을 만들기 위해 눈이 오길 손꼽아 기다리고 있나요? 그런데 올겨울에는 기상이변으로 인해 이례적으로 따뜻한 겨울날씨가 계속되면서 눈이 내리지 않고 있어요. 지구온난화로 인해 앞으로는 눈을 보기가 더 힘들어질 것이라고 하는데요.

그런데 이상하게 눈꽃축제장과 스키장에는 눈이 소복이 쌓여있네요. 겨울왕국의 엘사가 나와 마법이라도 부린 걸까요? 스키장과 눈꽃축제 등에 사용되는 눈은 다름 아닌 가짜 눈, ‘인공 눈’인데요. 인공 눈은 어떻게 만들어지는 것인지 함께 알아보아요.

-이 기사는<톡톡> 2월호 '똑똑 라이브러리'에 4p분량으로 실린 내용입니다.
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자연 눈 vs 인공 눈
자연 눈과 인공 눈은 무엇이 다를까요? 자연 눈은 하늘 위 높은 곳에서 수증기가 서서히 얼어서 만들어진 결정체입니다. 반면 인공 눈은 말 그대로 사람이 만든 자연 눈의 대용품이에요. 즉, 가짜라는 거죠! 그래서 자연 눈과 인공 눈을 확대해보면 결정체 모양이 다른 것을 확인할 수 있어요.

자연 눈의 결정체는 잔가지들이 여섯 방향으로 뻗은 모양으로, 육각형의 기본 구조를 가지고 있어요. 반면 인공 눈 결정체는 상대적으로 단순하고 뾰족뾰족하게 생겼죠. 자연 눈은 하늘에서 천천히 떨어지면서 결정체가 만들어지지만, 인공 눈은 짧은 시간에 빠르게 얼어서 결정 모양이 생길 시간이 부족하기 때문이에요.

결정체 모양의 차이로 자연 눈과 인공 눈은 설질도 다르답니다. 자연 눈은결정체 모양에서 알 수 있듯 입자 사이의 공간이 많아 밟을 때 ‘뽀드득’하는소리가 나요. 또한 상대적으로 잘 미끄러지지 않아요. 하늘에서 내리는 눈이기 때문에 공기량과 습도에 따라 설질도 다르고요. 반면 인공 눈은 입자가 딱딱하고 뾰족해서 잘 뭉쳐지고 잘 미끄러져요. 이러한 특성 때문에 스키장에서는 상대적으로 더 잘 미끄러지는 인공 눈을 주로 사용합니다.

눈이 오지 않아도하얀 세상 만들어주는 ‘제설기’의 원리
눈이 오지 않는 3월에도 인공 눈 덕분에 스키를즐길 수 있게 됐는데요. 인공 눈은 ‘제설기’라는 기계로 만들어집니다. 아주 작은 입자로 된 물을 공중에 뿌리고, 그 물이 땅에 떨어지기 전에 수증기를 순식간에 얼려서 인공 눈을 만들어낸답니다. 신기하죠?

제설기가 분사한 수증기가 눈으로 변하는 현상은 ‘단열 팽창’의 원리로 설명할 수 있습니다. 단열 팽창이란 외부와 열 교환이 일어나지 않는 상태에서 부피가 팽창할 때 기온이 내려가는 현상을 말해요.

그렇다면 부피가 늘어날 때 온도는 왜 낮아질까요? 공기 중의 기체 분자들은 움직이지 못할 정도로 좁은 공간에 있으면 꼼짝 않고 가만히 있어요. 그러다가 부피가 팽창해 기체 분자들이 움직일 수 있는 공간이 넓어지면 힘차게 움직입니다. 이때 기체 분자들이 움직이며 자체 에너지를 소모하고, 주변의 열에너지를 가져가기 때문에 주변의 온도가 낮아지게 돼요.

제설기는 이 단열 팽창의 원리를 이용한 기계예요. 좁은 노즐에서 압축 공기가 빠져나오면서 기계주변 온도를 떨어뜨립니다. 그러면 다른 노즐에서 분사된 수증기가 급속도로 얼어서 인공 눈이 만들어져요. 그래서 제설기를 작동할 때는 영하 3도 이하, 습도는 60% 이하라는 조건이 충족돼야 합니다. 습도가 조건보다 높을 때에는 물방울이 열을 잘 빼앗기지 못해 눈의 형태가 잘 만들어지지 않기 때문이에요.

인공 눈 만들어주는 ‘미생물’이 있다?
그런데 기온과 습도 조건이 충족되지 않는 날씨에도 인공 눈을 만들 수 있는 방법이 있다고 해요! 과학자들이 제설기로 인공 눈을 만드는 것보다 저렴하고, 조건도 필요 없는 방법을 찾았거든요. 그 방법은 바로 ‘미생물’을 이용하는 것이랍니다.

▲ 슈도모나스 시린게 [사진 출처=simple.m.wikipedia.org]

‘슈도모나스 시린게’라는 세균은 기온이 내려가면 자신이 붙어 살고 있는 식물의 세포를 깨뜨려 영양분을 얻는 과정에서 냉해를 유발합니다. 보통 영하 5도까지는 얼음이 얼지 않기 때문에 농작물이 냉해를 입지 않아요. 그런데 이 세균이 식물에 살고 있으면 영하 2~3도만 돼도 농작물에 얼음이 생겨 피해가 생기곤 합니다.

그 이유는 슈도모나스 시린게의 세포벽 외부에 ‘빙핵활성단백질’이 있기 때문이에요. 이 단백질은 얼음을 쉽게 만드는 데 필요한 빙핵을 제공해 상대적으로 높은 온도에서도 물을 얼게 만들어요. 스키장에서는 슈도모나스 시린게의 건조 분말을 물에 섞어 공기 중에 뿌리는 방법으로 인공 눈을 만들고 있습니다.

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에듀진 기사 원문: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=32349

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