美연구진, 구름에서 빗방울 생기는 ‘임계 핵 생성’ 조건 계산… 정확한 기상예측 가능해져

얼음이 만들어지는 시간 = 백만분의 1초!

미국 연구진이 베일에 가려있던 얼음 생성과정의 비밀을 풀었다. - Flickr 제공

미국 연구진이 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 물분자가 얼음으로 변하는 과정을 처음으로 규명했다. 현재까지 정확히 알려지지 않았던 자연현상을 새롭게 규명한 것으로 더 정확한 일기예보 시스템을 만들 수 있고 ‘인공강우’를 만들 때도 적용할 수 있을 것으로 보인다.

미국 프리스턴대 생명공학과 파블로 데베네데티 교수팀은 물 분자가 모여 ‘결정 핵’을 형성하는 데 걸리는 시간은 불과 '백만분의 1초’에 불과한 찰나의 순간이라는 것을 알아냈다고 3일 밝혔다.

구름 속의 얼음은 처음엔 작은 알갱이에 불과하지만 주변 수증기가 붙어 더 큰 덩어리를 형성해 무거워지면 비나 눈이 돼 내린다. 온도가 떨어지면 주변 물분자들은 서로 뭉쳐 작은 방울을 형성하기 때문이다. 방울의 크기가 커져 ‘임계핵’이라 부르는 지점에 도달하면 자발적으로 얼음결정이 형성된다는 사실은 알려져 있었지만 그 과정을 명확히 규명한 것은 연구팀이 처음이다.

연구팀은 ‘연산장치(CPU)’ 2100만 개를 합쳐 놓은 고성능 슈퍼컴퓨터를 활용해 4096개 가상 물 분자가 얼음이 되는 과정을 분석했다. 그 결과 물분자들이 임계핵을 형성하는 시간이 백만분의 1초에 불과하고, 최초로 핵을 형성하는 온도는 43도로 높은 고도 구름의 상태와 유사하다는 사실을 알아냈다.

얼음의 입자는 보통 육각형 형태로 알려져 있지만 육면체 형태도 존재하며 서로 결합돼 있다. 연구팀은 얼음의 초기 핵형성의 과정에서 큐브 형태의 얼음이 중요한 역할을 한다는 사실도 밝혔다.

데베네데티 교수는 “상대적으로 불안정한 육면체 형태의 얼음이 많아지면 서로 뭉치려는 힘이 강해 구에 가까운 모양이 만들어져 안정적인 상태의 얼음이 형성된다”며 “이번 연구는 실험수준에서 예측됐던 것보다 더 빠른 속도로 얼음의 임계핵이 형성된다는 사실을 밝혔다는 의미가 있다”고 말했다.

연구결과는 과학학술지 미국 ‘국립과학원회보(PNAS)’ 6월 29일자에 게재됐다.

연구팀이 슈퍼컴퓨터를 통해 시뮬레이션한 얼음 생성 과정. 얼음은 육면체 형태(파란색)와 육각형 형태(빨간색)의 분자가 함께 결합된 상태다. - 프리스턴대 제공