낮에 녹는 호수의 표면 얼음

"선생님 호수의 얼음으로 덮여 있을 때 낮에 그 얼음들이 녹는다면 대기랑 닿은 윗면부터 녹나요? 호수의 물과 맞닿은 아래면부터 녹나요? 그리고 녹는 속도는 어떻게 구하나요?" (질문발췌 - 물화생지 카페)

 

아주 흥미로운 질문이다.

 

일단 호수 표면에 얼음이 형성된 상황부터 이해를 해보자

 

얼음이 얼었다는 것은 당연히 외부대기온도가 영하라는 것을 전제로 한다.

 

그래야 표면 부근의 물에서 대기로 열을 빼앗기면서 얼음이 되기 때문이다.

 

그럼 먼저 위 질문자에게 반문해야 한다.

 

외부대기온도는 영하냐 영상이냐?

 

외부 대기온도가 영상이라면 밖에서부터 녹기 시작하는 것은 자명하다.

 

그 이유는 복사라는 열전달 방식을 배제하고 오직 전도만 놓고 생각하더라도 얼음이라는 전도체 양단의 온도 중에서 외부가 고온부가 되기 때문에 전도되는 과정에 앞서 외부대기와 맞닿아 있는 얼음의 표면원자들이 받게 되는 에너지가 이미 얼음표면의 상태변화를 야기시키기 때문이다.

 

문제는 외부대기가 영하일 경우이다.

 

이 경우는 드디어 전도와 복사를 저울질해야 한다.

 

얼음의 표면반사율(알베도)이 50~70정도 된다고 하니 흡수율과 투과율을 적절히 잡고서

 

흡수는 주로 대기와 맞닿아 있는 부분에서, 투과는 주로 물과 맞닿아 있는 부분에서 영향을 줄 것이다.

 

일단 외부대기가 영하라서 아래에서 위로 열의 이동방향이 정해지는데

 

즉 다시 말해 외부대기로 열을 빼앗기면서 얼음이 두꺼워져 가는 과정이 진행 중이면서 동시에 투과된 빛에 의한 물전체 온도증가가 있게 된다는 것이다.

 

그럴 경우 어느게 우세할지는 정량적으로 따져보아야 한다.

 

외부대기의 온도에 따라 (태양빛에도 불구하고) 얼음이 녹기도 하고 더 얼기도 할 것이라는게 결론이다.

 

얼음이 얼거나 녹는 속도는 얼음이라는 전도체의 양단온도, 두께, 열전도계수 등에 의해 결정되는 단위시간당 통과하는 열량이 물과 얼음 사이의 상태변화열(잠열,변환열)과 같다고 놓고 풀면 되는 기본적인 일계미방이다.

 

1차 수정

 

그런데말야...태양광이 얼음상면에 쪼여질때 일단 표면원자가 진동을 할텐데 전도고 나발이고 쬐자마자 표면이 녹기 시작할 수도 있지 않을까?

 

그럼 위에서 얘기한 것의 연장이지만...표면에서의 흡수율,,,그게 결국 표면이 먹게 될 에너지인데 그 에너지가 표면(두께는 적절히 분자스케일 이상만 잡으면 될거 같고)을 상태변화시키기에 충분하면 더 볼 것도 없이 무조건 표면부터 녹는다 가 될 수도 있을 것 같다.

 

거기다가 추가로 따져볼 수 있는게 표면 반사율에 따른 표면부근 대기온도의 변화다.

 

즉 엄밀하게 말하면 외부대기온도가 두리뭉실한 대기가 아니라 표면과 접하고 있는 최근접대기의 온도를 말하는 거다.

 

낮에 태양광이 있으면 이 최근접대기온도는 항상 영상일 수도 있지 않을까?

 

모르는것 투성이군 ㅋ  이래서야 답을 할 수 가 없네