Article 21. 빙하가 녹은 물은 왜 에메랄드 빛일까?

 

 

 

뉴질랜드 퀸스타운에 설치된 세계최초 번지점프대 아래는 빙하가 녹은 카와라우 강

 

일본 훗카이도 비에이 흰수염폭포

 

 

빙하가 녹은 강이나 호수는 파란색이 아닌 에메랄드 색깔을 띠고 있다. 

필자가 직접 본 뉴질랜드 퀸스타운의 세계최초 번지점프 브리지 아래에는 빙하가 녹은 카와라우 강물이 에메랄드 색깔을 띠고 흐르고 있고, 일본 훗카이도 비에이 지역의 흰수염 폭포 아래의 강도 에메랄드 색깔의 띠고 있다.

 

뉴질랜드 폭스빙하를 트래킹하고 있다.

 

뉴질랜드 폭스빙하

 

심지어 빙하가 녹은 물 뿐만 아니라 뉴질랜드의 산위에 있는 폭스 빙하도 에메랄드 색깔을 띠고 있다.

 

왜 일반적인 강이나 바닷물 처럼 푸른색이 아니고 에메랄드 색깔일까?

 

먼저 물의 색깔부터 알아 보자

 

1. 물, 바닷물의 색깔

 

컵에 따른 물은 투명하다. 그래서 우리는 물은 색깔이 없다고 생각한다.

그러나 호수나 강, 바다는 투명하지 않고 파란색으로 보이고 깊을수록 더 진해진다.  

 

 

 

호수나 강, 바다가 바닥이 있어 투명하지 않는다고 생각할수 있으나, 바다속에 있어도 바다는 투명하게 보이지 않고 파란색으로 보인다. 이 정도면 물이 파란색이지 않을까 하는 의심할 여지가 있다.

 

 

2. 분자의 흡수와 방출

 

 

순수한 물에서 빛이 투과했을때 흡수 되는 것은 일반적으로 광자와 물 분자의 상호작용에 의해 결정된다. 물 분자는 주위의 다른 물 분자들과 수소 결합을 하고 있다. 이때 빛이 물 분자에 들어왔을때, 물 분자 결합은 당겨지거나 구부러지며 빛 에너지를 흡수하면서 열 에너지로 변환된다.

물 분자는 빛 에너지를 흡수하여 분자가 휘어지는 현상[5]

 

그럼 분자는 어떤 원리로 흡수 되고 방출 하는지 알아 보자

 

분자에 따라 다르겠지만, 분자의 세 가지 전자 에너지 준위가 있다고 가정 해보자. 분자의 일반적인 상황은 낮은 에너지 레벨에 모두 전자로 채워져 있고 가시광선의 파란색인 단파장쪽의 (가장 높은 에너지) 전자 중 하나를 비어 있는 에너지 준위로 끌어올릴 가능성이 높다. 전자를  높은 에너지 준위로로 끌어올리려면 일반적으로 에너지가 높은 자외선이 필요하기 때문이다. 아래 그림의 왼쪽은 빨간색과 파란색 화살표는 전자가 파란색과 빨간색 파장의 광자를 흡수하여 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 점프를 하는 것을 표현한 것이고, 오른쪽은  분자 흡수 스펙트럼으로 나타낸 것이다. 

 

파란색 흡수선의 더 큰 세기로 표현된 것은  방출(흡수의 반대)에서는 전자가 여기 상태에서 비어 있는 낮은 에너지 준위로 떨어질 때 광자가 방출되면서 빛이 나게 된다.  이 경우, 일부 방출선은 다른 방출선보다 더 밝게 된다. 

분자 내의 세 가지 전자 에너지 준위와 파란색과 빨간색 빛의 흡수율 비교[6]

 아래에는 분자의 기존 에너지 준위에서  진동 준위가 모두 포함될 때 추가되는 분자 에너지 준위를 나타낸 것이며. 두꺼운 화살표 선 옆에 얇은 파란색과 빨간색 화살표는 진동 모드의 존재가 전자 전이 파장 근처에서 더 많은 전자 전이가 발생할 수 있음을 표현한 것으로 흡수 스펙트럼에 더 많은 스펙트럼 선이 추가되는 것이다.

분자의 전자 및 진동 에너지 준위[6]

 

추가로, 분자는 진동 모드 외에도 회전 모드를 갖고 있다. 분자 전체가 특정 주파수로 축을 중심으로 회전할 수 있으며, 이 주파수는 다시 양자화된다. 분자를 한 회전 모드에서 다른 회전 모드로 여기시키는 데는 일반적으로 매우 적은 에너지만 필요하다. 회전 모드와 관련된 추가 양자화된 에너지 상태가 에너지 다이어그램에 포함되면 허용 에너지 레벨은 아래 그림으로 표현이 될수 있고 점선으로 표시된 것처럼 매우 가까운 간격이 된다. 흡수선 파장의 해당 변화는 전자 또는 전자-진동 전이와 비교할 때 나노미터 미만 범위에 존재하여 전자, 진동 및 회전 모드를 갖는 최종 결과는 결과적으로 분자 흡수 스펙트럼이 흡수선의 조밀한 집합이 되어 스펙트럼 응답이 나노미터보다 큰 계측기로 측정할 때 파장의 연속 함수로 나타나게 되는 것이다.

분자의 전자, 진동, 회전 에너지 준위[6]

 

 

 

우리는 아래 두개의 포스팅에서 물체가 원자 단위에서 빛에 의해 색깔이 어떻게 나타내는지 알아 보았으니 참고하기 바란다.

 

2024.04.23 - [Science Article] - Article 1 ( Part 1). 빛은 검은색을 흡수하고 흰색은 반사한다

Article 1 ( Part 1). 빛은 검은색을 흡수하고 흰색은 반사한다

2024.05.22 - [Science Article] - Article 1 (Part 2). 빛은 검은색을 흡수하고 흰색은 반사한다

Article 1 (Part 2). 빛은 검은색을 흡수하고 흰색은 반사한다

 

3. 바닷물의 흡수 스펙트럼

 

분자의 빛에 대한 흡수 원리를 알아보았으니 이제 물의 색깔을 나타낼수 있는 흡수 스펙트럼 특성을 알아 보자.

물 분자에 빛이 들어 왔을때 파장에 따라 가시광선 대한 흡수율이 다르게 나타나는데, 장파장인 빨간색과 빛을 많이 흡수하고 단파장인 청록색 영역은 흡수율이 낮다. 물질에서 흡수를 많이 한다는것은 투과 되지 않아서 그 색깔이 나타나지 않고, 흡수를 적게 한다는것은 투과가 되면서 그 색깔을 나타낼 수 있다는 의미이다.  

 

Understanding the basics of underwater lignting by Aaron Steiner on behalf of DeepSea Power &Light

 

그래서 바다의 깊이에 따라 물의 흡수율을 보면 아래와 같다. 빛에서 빨간색은 표면 근처에서 흡수되고 파란색만이 더 깊은 물로 침투할 수 할수 있다. 즉,  빛이 물을 통과하면서  깊이가 깊을수고 파장이 긴 빨간색은 파장이 짧은 파란색보다 더 빨리 흡수된다. 그래서 파장이 짧고 에너지가 높은 파란색은 깊은 바다까지 흡수되지 않고 내려가서 바다는 진한 청록색으로 보이는 것이다.  

 

https://freedivinguae.com/

 

 

4. 바닷물 색깔의 차이

 

바다도 어떤곳은 파란색, 어떤곳은 진한 파란색, 어떤곳은 에메랄드 빛을 나타내듯이 색깔이 다 다르다.

 

바닷물에는 부유 고형물, 생물학적 물질, 용해된 유기물과 같은 물 속의 다른 물질들에 의해 빛이 흡수되는데, 파란색 단파장에서 더 많이 흡수된다.

 

Light attenuation in water © FlyFishingScience

 

 

그래서 해안이나 하구 수역에서는 유기물과 기타 용해된 물질의 농도가 일반적으로 더 높아서  빛의 흡수가 증가하여 파란색이 추가 흡수 되면서 색깔이 녹색으로 이동한다. 이런 이유로 해안 수역이 열린 바다보다  더 녹색으로 보이는 이유이다.

 

왼쪽은 하와이 와이키키 해변, 오른쪽은 하와이 카일루아의 해변의 래니카이 비치

 

 

바닷물의 색깔은 이제 이해가 되었다. 그러면 이제 빙하가 녹은 물은 왜 에메랄드 인지 알아 보자 

 

5. 빙하의 색깔

 

왼쪽 : 한국일보 게티이미지뱅크 , 오른쪽 : 데일리안 ⓒ gettyimagesbank

 

 

 

일반적으로 얼음은 투명한 색을 나타내지만 빙하는  푸른빛을 띠는데 이는 바닷물과 같은 원리이다. 빙하속의 얼음은 매우 밀도가 높아 공기 방울이 거의 없어 산란되지 않아 장파장의 빨간색 빛은 흡수하고 단파장인 파란색 빛은 더 깊숙히 투과하면서 파란색 빛만 남아 반사하기 때문에 푸른색으로 보인다.

 

6. 빙하가 녹아서 흐르는 강물

 

뉴질랜드 퀸스타운의 세계최초 번지점프 대가 설치되어 있는 카와라우 강

 

그러면 빙하가 녹아서 흐르는 물은 왜 에메랄드 빛일까? 

 이것은 빙하가 흐르면서 바닥의 석회석을 깍아 내려온 석회(탄산칼슘)와 소다(탄산나트륨) 성분을 포함하고 있다. 이 광물입자가 강 바닥에 가라 않으면서 산란되는 빛이 우유빛이 도는 에메랄드 색깔을 나타낸다.

 

 

 

 

뉴질랜드 폭스 빙하가 녹은 작은 웅덩이도 주변의 석회석에 의해 에메랄드 색깔을 나타내고 있다.

 

 

 

 

 

7. 열대 바다도 에메랄드 색깔이다.

한국일보, 게티이미지 뱅크

 

몰디브는 에메랄드 빛의 바다로 많은 사람들이 찾고 있는 곳이다. 몰디브는 빙하가 녹은 물도 아니고, 부유물도 없이 맑고 투명하다. 그런데 맑고 투명한 에메랄드 빛을 띠고 있다. 몰디부 주변은 산호초 군락이다. 산호초는 산호에서 분비된 탄산칼슘 골격을 바탕으로 형성된 수중 생태계이다. 산호는 촉수를 이용해 플랑크톤을 잡아 삼킨 뒤, 몸속 플랑크톤이 광합성으로 만든 에너지를 양분 삼아 살아간다. 그러나 수온 변화로 플랑크톤 수가 급격히 줄어들면서 산호의 골격이 드러나는 백화현상이 발생하고 있다. 

안타깝게도 우리가 원하는 몰디브의 바다색은 산호가 백화현상으로 더욱 더 에메랄드 빛을 띄고 있는 것이다. 

 

결국, 바다의 에메랄드 빛은 산호에서 분비된 탄산칼슘에 의해 에메랄드 빛을 띠게 된다.

 

하와이 하나우마베이는 산호와 물고기들이 있어 스노클링으로 유명하다

 

 

8. 수영장 수심도 낮고, 석회석도 없는데 물이 파란색인 이유는 ?

 

수영장은 수심도 낮고, 석회석도 없는데 물이 파란 이유는, 바닥이 파란색이기 때문이다. 

바닥의 색깔에 따라 바닥의 색깔이 반사되어 수영장 물의 색깔을 띄게 된다.

 

출처: 나무위키

 

 

Reference

1. https://flyfishingscience.co.uk/

2. https://pace.oceansciences.org

3.https://www.oceanopticsbook.info

4. Understanding the basics of underwater lignting by Aaron Steiner on behalf of DeepSea Power &Light

5. Chun-Chieh Yu, Kuo-Yang Chiang, Masanari Okuno, Takakazu Seki, Tatsuhiko Ohto, Xiaoqing Yu, Vitaly Korepanov, Hiro-o Hamaguchi, Mischa Bonn, Johannes Hunger, and Yuki Nagata, "Vibrational couplings and energy transfer pathways of water's bending mode," Nature Communications 11 (1), 5977 (2020).

6. https://www.oceanopticsbook.info/