순수한 물은 0C에서 얼고 밀도는 4C에서 최대가 됩니다. 얼기 전에 최대 밀도에 도달하는 것입니다. 그런데, 물이 얼 때의 온도(어는점)와 밀도가 최대일 때의 온도(최대 밀도의 온도)는 다른 요인에 의해서 달라질 수 있습니다. 염분과 수압이 바로 그 요인들인데요. 염분에 따라서 어떻게 달라지는지 알아보겠습니다. (수압도 중요한 요인입니다.)

염분이 증가할수록 어는점과 최대 밀도의 온도는 낮아집니다. 그런데, 같은 염분 증가에 대해, 어는점보다는 최대 밀도의 온도가 더 빠르게 낮아집니다. 다음 그림은 이 원리를 그림으로 나타내 것입니다.

순수한 물(0퍼밀)은 0C에서 얼고 4C에서 밀도가 최대인데, 19퍼밀의 해수는 0C에서 밀도가 최대가 되며 -1C에서 업니다. 염분이 24.695퍼밀이 되면, 물은 -1.33C에서 최대 밀도에 도달함과 동시에 어는점에도 도달합니다. 전 세계 해양의 평균 염분이라 일컬어지는 35퍼밀의 해수에 대해서는, 어는점이 -1.8C, 최대 밀도의 온도가 -3.5C쯤 됩니다.

염분이 24.695퍼밀보다 작은 물의 경우 수온이 하강할 때, 물이 얼기 전에 최대 밀도에 도달하는 반면, 염분이 이보다 큰 물의 경우 수온이 하강할 때, 어는점에 도달하고 나서야 최대 밀도에 도달합니다. 이로 인해 두 가지의 독특한 현상이 일어납니다.

스칸디나비아 반도와 유럽으로 둘러싸인 발트 해는 주위 육지로부터 민물이 많이 유입되어 염분이 매우 낮습니다. 육지로부터 그나마 좀 떨어져 있는 곳에서도 표층수의염분이 6-8퍼밀에 불과합니다. 날씨가 추워져 표층수의 수온이 하강하면 표층수의 밀도가 높아져 침강하게 됩니다. 이런 현상이 지속되면서 해수는 연직 방향으로 순환을 일으킵니다. 냉각이 계속 되어 표층수의 온도가 최대 밀도의 수온보다 더 낮게 냉각되면 표층수는 하층의 해수보다 가벼워져서 더 이상 침강하지 못하게 됩니다. 그리고 냉각이 지속되어 어는점까지 냉각되면 얼어붙어 해수 표층에 얼음층을 형성합니다. 육지의 호수도 이러한 과정에 의해 표층에만 얼음층을 형성합니다.

해수의 염분은 보통 24.695 퍼밀보다 큽니다. 표층의 해수는 냉각됨에 따라 밀도가 증가하여 침강합니다. 그 다음에 표층을 대체한 해수도 냉각되어 침강합니다. 얼기 전까지 물덩어리는 온도가 낮을수록 더 무겁기 때문에 표층에서 냉각된 해수는 계속 침강합니다. 그로 인해 연직 방향의 해수 기둥 전체가 어는점에 도달할 수 있게 됩니다.

이 과정이 지속된다면 해수 전체가 얼어붙을 것입니다. 하지만, 침강하는 해수 덩이는 수압의 증가로 인해 단열수축되어 온도 증가를 을으킵니다. 따라서, 깊은 바다까지 얼어붙기는 어렵습니다. 그대신 수심이 매우 얕고 정적인 바다의 경우에는 해수 전체가 얼어붙을 수도 있습니다.


참고
1) Effect of temperature and salinity on seawater density
2) SIO 210 Talley Topic 2: Properties of seawater
3) http://www-ocean.tamu.edu/~duce/chapter07.html



푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net/