엄청난 녹아내림

목적

학생들은 육지와 바다에 있는 얼음이 녹아 수위가 높아지는 현상에 대해 두 가지 간단한 모의실험을 수행할 수 있다. 학생들은 세계 해수면에 미치는 여러 가지 영향을 알게 될 것이다.

학습 목표

학생들은 다음과 같은 것을 할 수 있을 것이다.

• 거의 동일한 두 가지 실험에서의 차이점에 대해서 설명할 수 있다.
• 해수면에 떠다니는 얼음이 녹았을 때는 수위를 높이는데 전혀 기여하지 않지만 육지 위의 얼음은 수위를 높인다는 것에 대해서 설명할 수 있다.
• 바다에 있는 빙하는 해수의 수위를 높이는데 영향을 미치지 않지만 육지에 있는 얼음은 영향을 미치는 이유에 대해서 설명할 수 있다.

평가

• 학생들에게 두 실험을 자세히 관찰하여 차이점에 대해서 서술하도록 한다. 학생들에게 이러한 차이점들이 서로 다른 결과를 만들어 내는 이유에 대해서 물어본다.
• 학생들에게 물이 고체상태(얼음)에서 액체상태(물)로 변하면 총 질량이 바뀌는지 아닌지에 대해서 물어본다.
• 학생들에게 두 실험의 물 중 어떤 것이 물의 주요 저장소인 해양으로 유입되는지 물어본다.
• 학생들에게 북극(물 위에 떠있는 빙하)과 남극(육지의 빙하)의 빙하가 녹게 되면 어떤 결과가 나타나는지에 대해서 묻는다.
• 학생들에게 극지방의 빙하들이 녹는 이유에 대해서 물어본다.

준비물

하나의 실험 세트에 필요한 준비물이다. 실험을 수행하는 수에 맞추어서 준비한다.

• 커다란 투명 그릇
• 얼음
• 커다란 돌이나 플랫폼 역할을 할 수 있는 유사한 물품(그릇 크기 반 정도의 크기)
• 물
• 오버헤드 마크
• 강한 전등

배경지식

해수면 높이 측정법

지구에서 지속적으로 일어나고 있는 기후 변화의 가장 심각한 문제 중 하나는 해수면 상승이다. 이는 많은 연안 지역에 위협을 가하고 있다. 해수면 수위를 확인하는 것은 상당히 어려운 일이다. 심지어 지난 수십 년 전만 해도 해수면 수위는 직접 측정하는 방법과 바다 위의 탐사선으로 측정하는 방법을 사용해 왔다. 그러나 지구관측 인공위성과 레이더 측정법의 도입으로 해수면 수위는 효과적이고 효율적으로 모니터링할 수 있게 되었다. 과거의 측정 방법은 주어진 자료의 지엽적인 측면만 제공하고 해상도도 매우 낮은 편이었지만 인공위성 측정법은 높은 공간 해상도를 나타낼 뿐만 아니라 반복적이며 자주 지구 전체를 관측할 수 있다.

고도 측정 기능을 가진 인공위성 중 유명한 것은 CryoSat과 Jason 2/3이다. European Copernicus Earth 관측 프로그램의 주력품인 Sentinel 3은 가장 최근에 추가된 것으로 최첨단 공간 해상도를 자랑한다.

그림 1 : 여러 개의 위성으로부터 얻은 자료를 취합하여 CryoSat이 만든 2013년 평균 해수면 지도. 붉은 부분은 높은 해수면(평균 해수면 20mm 이상)을 나타내고 파란 부분은 낮은 해수면(-20mm)을 나타낸다. 북극에서의 변화 양상은 걸프 난류 때문이다(ESA/CNES/CLS, http://www.esa.int/ spaceinimages/Images/2014/06/2013_sea-surface_topography).

그림 2: 2014년의 해수면을 1993~2013년의 전 세계 평균 해수면과 비교한 자료이다(NOAA Climate.gov map, adapted from Figure 3.25a in State of the Climate in 2014 report, https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/2014-state-cli mate-sea-level).

해수면 상승

서로 다른 시기에 얻은 자료를 비교함으로서 해수면 변화의 경향을 알아 볼 수 있다. 모든 자료들을 분석한 결과 지난 150여 년 동안 해수면이 상승했음은 명백했다(그림 3).

그림 3 : 이 그래프는 장기간 측정된 조수 간만의 차이와 최근 인공위성 측정값을 토대로 하여 1880년 이후 전 세계 바다의 해수면 누적 변화를 보인 것이다. 평균 해수면이 수인치(1inch = 25.4mm) 변했음을 나타낸다. 이것은 해수면의 높이를 나타내는 것이며 육지의 융기 및 침강은 무시했다. 인공위성 자료는 해수면만 측정한 것이고 장기간 조수 간만의 차이 측정값을 이용한 자료는 해양의 크기와 모양이 시간이 지남에 따라 느리게 변하기 때문에 일부 수정된 요소가 있다(평균적으로 해저는 지난 빙하기에 최고조, 즉 20,000년 전 이후부터 점차 가라앉고 있다.). 색칠된 띠는 사용된 방법의 정밀도와 측정 자료의 오차 값의 범위를 나타낸다 (the United States Environmental Protection Agency, https://www3.epa.gov/climatechange/science/indicato rs/oceans/sea-level.html).

요약하면 1993년부터 2014년까지 해수면은 매년 2.9 ± 0.4mm 정도 상승했다. 이는 20년 안에 6cm에 이른 것이다. 그리고 상승 속도 역시 증가하고 있다. 해수면 상승에 주원인은 지구 온난화로 인해 육지에서 녹는 빙하이다. 이것은 벌써 전 세계 해안가에서 측정 가능하다. 높아진 해수면은 그림 4에서 나타낸 것처럼 홍수 발생 횟수의 증가로 나타낼 수 있다.

그림 4 : 이 지도는 미국 27개의 해안가에서 작은 홍수로 인해 물이 지역의 한계점을 넘어서는 횟수를 나타내는 것이다. 그래프에 있는 각각의 작은 막대는 첫 10년 동안 측정된 값(주황색, 1950년대)과 가장 최근 10년 값(보라색, 2010년대)을 비교한 것이다 (United States Environmental Protection Agency, https://www.epa.gov/climate-indicators/climate-change-indicators-co astal-flooding).

바다 빙하와 육지 빙하

빙하가 떠 있는 북극과 비교하면 남극에는 육지에 가장 큰 빙하가 있다. 아르키메데스의 원리에 따르면 북극에 떠 있는 빙하 덩어리는 자신이 가진 무게와 동일하게 해수에 힘을 가한다. 따라서 떠 있는 빙하가 녹는 것은 해수에 전혀 영향을 미치지 않는다. 반면에 그린란드나 남극과 같은 육지의 빙하가 녹는 것은 해수면의 상승에 영향을 미친다. CryoSat-2와 같은 레이더 측정 장치가 있는 인공위성은 육지와 바다에 있는 얼음 층의 두께를 관측하는데 도움을 준다(그림 5).

그림 5 : CryoSat-2 인공위성의 측정을 기반으로 한 북극 빙하 색 코드 고도 지도(BBC News, 2011년 6월 21일; CPOM/UCL/ESA).

아르키메데스의 부력 원리

가장 위대한 고대 수학자이자 과학자인 시러큐스 출신의 아르키메데스는 자신의 이름을 딴 부력의 원리를 발견했다. 쉽게 말해 유체에 담겨 있는 물체는 물체가 유체에 미치는 무게와 동일한 부력의 힘을 받는다는 것이다.

그림 6 : 떠 있는 물체와 이 물체의 무게와 부력 사이의 균형을 나타내는 주요 인자를 표기한 그림. 부력은 밀려나간 액체의 무게와 동일하다.

예를 들어 만약 바다에 떠 있는 얼음층의 깊이를 계산하고 싶으면 아래의 방법으로 풀이한다.

F_g = F_a

그리고:

F_g = m_ice ∙ g
F_a = m_w ∙ g

여기서 와 는 각각 얼음 층 질량과 물의 질량을 나타낸다. 얼음 층의 두께는 , 표면적은 , 물에 잠긴 두께는 이다. 이것으로 얼음 층의 부피를 알아낼 수 있다 V_ice = A , 물의 부피는 V_w = A ∙ h이다.  이것은 다음을 나타낸다.

m_ice = m_w ⇔ ρ_iceV_ice = ρ_wV_w ⇔ ρ_ice ∙A ∙ d = ρ_w ∙ A ∙ h ⇔ ρ_iced = ρ_wh

⇒ h/d = ρ_ice / ρ_w

심지어 얼어버린 바다 빙하는 사실상 거의 담수로 염분이 거의 없다. 그러므로 일반 얼음의 밀도를 적용해도 된다. 액체상태의 해수는 평균 3.5%의 염분을 포함하고 있는데 이는 해수의 밀도를 증가시킨다.

이것은 얼음 층의 90% 정도가 바다 아래에 있음을 의미한다.

전체 활동 설명

소개

지구 온난화로 인한 해수면 상승은 우리 모두에게 영향을 미치고 우리는 다음 세대를 위해 책임감을 가져야 한다. 다음 실험은 해수면 상승에 미치는 주된 요인에 대해 알려준다 : 빙하의 녹음.

다음 질문을 통해 활동을 준비한다.

질문 1 : 물을 어떻게 녹일 수 있나요?

토의를 통한 예상 답안: 얼음은 열을 가하거나 소금에 절이게 되면 녹는다. 참고: 학생들에게 해수는 담수보다 더 낮은 온도에서 녹는다는 것을 말해준다.

질문 2 : 지구에서 얼음을 찾을 수 있는 곳은 어디인가요?

토의를 통한 예상 답안 : 빙하, 극지방, 높은 산지, 겨울 호수

질문 3 : 모든 얼음이 녹는다고 상상해보자. 해수면은 어떻게 될까요?

토의를 통한 예상 답안 : 얼음이 물로 바뀌기 때문에 해수면은 상승해요.

질문 4 : 해수면이 상승하게 되면 지구의 해안 지역에는 어떤 일이 일어날까?

토의를 통한 예상 답안 : 그 지방에는 홍수가 발생할 거예요.

질문 5 : 지도를 보고 북극지방과 남극지방의 가장 큰 차이점이 무엇인지 대답해봅시다. 어느 쪽이 북극이고 어느 쪽이 남극일까요?

토의를 통한 예상 답안 : 북극해(북극)는 떠다니는 얼음으로 되어 있어요. 북극에는 육지에 해당하는 부분이 없어요. 남극(남극)은 두꺼운 얼음 층으로 뒤덮인 대륙입니다.

얼음 층이 녹으면 해수면에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 토론을 통해 의견을 모은다. 실험을 통해 질문에 대한 답을 얻을 것이다.

실험 준비 1

• 그릇 안에 넣을 돌이나 받침대
• 받침대가 물 밖으로 나올 수 있을 정도로 그릇에 물을 채운다.
• 오버헤드 마커를 이용해서 그릇에 물의 수위를 표시한다.
• 전등은 그릇을 비출 수 있도록 놓는다.

질문 6 : 우리 모형에서는 물 위로 올라온 돌 표면이 얼음으로 덮여있습니다. 지구에서 이와 같은 상황이 있을까요?

토의를 통한 예상 답안 : 이 모형은 그린란드의 산이나 남극에서 볼 수 있는 것과 같이 육지 위에 있는 얼음 덩어리를 나타낸 것이에요.

실험 과정 1

• 얼음을 받침대에 놓고 전등의 전원을 켠다.
• 얼음이 녹을 때까지 기다린다.

과제 1 : 실험 과정1에 대해 관찰한 것을 기록한다. 물의 수위에 주의를 기울인다.

예상 답안: 얼음은 느리게 녹고 수위는 변한다.

그림 7 : 실험 준비. 물이 채워진 플라스틱 컵은 얼음을 운반할 받침대로 사용된다(스스로 하기).

질문 7 : 물의 수위는 어떻게 되나요? 관찰 결과에 대해서 설명해보세요.

토의를 통한 예상 답안: 물의 수위는 높아져요. 이것은 그릇에 액체를 더 넣은 것과 비슷합니다.

실험 준비 2

• 그릇의 받침대를 없앤다.
• 오버헤드 마커를 이용해서 다시 물의 수위를 표시한다.

그림 8 : 두 번째 실험 준비. 받침대를 없앤 상태이다.

질문 8 : 두 번째 모형에서는 얼음이 물에 떠 있다. 이것은 지구의 무엇과 동일한 상황일까요?

토의를 통한 예상 답안 : 두 번째 모형은 북극해에 떠 있는 얼음 덩어리나 빙산이다.

실험 과정 2

• 얼음을 물에 넣고 전등의 전원을 다시 켠다.
• 얼음이 녹을 때까지 다시 기다린다.

과제 2 : 실험 과정2에 대한 관찰한 것을 기록한다. 물의 수위에 주의를 기울인다.

예상 답안: 얼음이 사라지는 것처럼 보인다.

질문 9 : 물의 수위는 어떻게 되나요? 관찰 결과에 대해 설명해보세요.

토의를 통한 예상 답안 : 물의 높이는 변하지 않습니다. 물이 얼음 상태로 있을 때 이전과 마찬가지로 물통 안에 물의 무게/질량만큼의 힘이 작용됩니다. 그러므로 아무것도 추가되지 않아요.

질문 10 : 실험을 토대로 두 가지 형태 중에서 해수면의 상승에 영향을 미치는 형태는 무엇일까요? 육지에 있는 얼음일까요? 떠다니는 얼음일까요?

토의를 통한 예상 답안 : 육지 얼음만 해수면 상승에 영향을 미칩니다. 물속에 있던 얼음이 밀어낸 만큼의 물을 얼음이 녹았을 때 다시 채우기 때문에 물에 떠 있던 얼음은 수위에 영향을 끼치지 않아요.

질문 11 : 육지 얼음이 녹아서 그 결과 발생한 물이 바다로 흘러가게 된다면 바다에는 어떤 영향이 있을까?

토의를 통한 예상 답안 : 해수면이 상승해요.

질문 12 : 그러한 상승을 어떻게 관측할 수 있을까요?

토의를 통한 예상 답안 : 해안 지역이 물에 잠겨 없어지게 됩니다. 얕은 섬들은 물속에 잠기게 됩니다.

결론

이 활동은 단순화한 모형을 사용하여 육지의 얼음과 떠다니는 얼음을 나타내고 각각의 얼음이 녹았을 때 해수면 상승에 어떤 영향을 미치는지에 대해 알려준다. 떠다니는 얼음은 아르키메데스 부력 원리의 직접적인 예시이다. 제시된 질문들의 도움을 받아 학생들은 이 개념이 기후 변화에 어떻게 관련이 있는지 이해할 수 있게 되고 실험을 수행하고 관측함으로써 결론을 도출할 수 있다.

 감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 송인옥 박사님과 심현진 교수님, 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.