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4-1. 물의 순환
4-1-1. 물은?
그림 4-1-1. 물 분자 사이의 수소결합( http://en.wikipedia.org/wiki/Properties_of_water)
물 분자는 2개의 수소원자와 1개의 산소원자로 구성되며 H2O라는
간단한 화학식을 가진다. 직경 약 0.275nm 그리고 수소 간의 사이각이 약 105o인 V자
형태의 물질이다. 물의 분자는 양극(수소)과 음극(산소)의 양 끝단을 가지고 있어서 분자끼리
인력이 발생하여 수소결합 이루며 지구 지표상에 가장 많이 존재하는 분자이다(그림 4-1-1).
그런데 물은 이와 같은 수소결합 때문에 다른 물질과 구별되는 여러 가지 특징을 보인다.
① 물은 상온 및 상압에서 물질의 3상(기체,액체,고체)이 모두 존재하는 유일한 물질이다.
② 물은 천연적으로 바다를 이룰 만큼 다량의 액체로 존재하는 유일한 무기물이다.
③ 물은 물질 중에 비열이 가장 커서 지구상의 기온을 조절하는 천연의 에어컨과 같다.
④ 액체인 물이 얼면 체적이 팽창하면서 고체인 얼음이 되는데 얼음은 물보다 밀도가 작아 고체가 액체 위에 뜨는
유일한 물질이다(그림 4-1-2).
⑤ 물은 다른 물질을 녹이는 능력이 매우 탁월한 만능용제이다.
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그림 4-1-2. 온도에 따른 물의 단위체적 변화
(http://www.chem1.com/acad/sci/aboutwater.html) |
물은 위와 같은 물리화학적 특징을 가질 뿐만 아니라 생명의 탄생과 인간 생존에 관련된 다양한
특성을 가지고 있다.
① 물은 모든 생물체가 탄생한 생명의 기원이다. 지구는 다른 행성에는 거의 발견되지 않은 물이
풍부하게 있으며 표면의 대부분(70%)이 물로 덮여있어 흔히 지구를 Water Planet(물의 행성)
혹은 Blue Planet(푸른 행성)라고 부른다(그림 4-1-3).
② 우리 몸의 3분의 2는 물이다. 이 가운데 1~2% 부족해도 심한 갈증을 느끼고 10%가 손실되면
탈수되어 사망한다.
③ 사람은 음식없이는 몇 주간 버티지만 물 없으면 단 5일도 생존하기 어렵다.
④ 세상에 다른 물질은 대체할 수 있지만(예를 들어 석유대신 석탄, 석유대신 지열에너지 등),
물은 대체제가 없다.
⑤ 세계보건기구(WHO)가 밝힌 바에 따르면 인류 질병의 80% 이상이 물과 관계된다고 한다.
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그림 4-1-3. 물의 행성 지구
(http://johnwhitehouse.mycouncillor.org.uk/categories/Environment) |
4-1-2. 물의 기원
이렇게 소중한 물은 그러면 어디에서 온 것일까? 사실 지금까지 지구상의 물의
기원이 무엇인지 혹은 왜 다른 태양계 행성과 달리 지구에 물이 많은 것인지에 대한 과학적 설명은
지금까지 명쾌하지 않다(위키피디아, 2010). 그러나 지금까지 주장되고 있는 몇 가지 유력한 요인을
소개하면 다음과 같다.
① 초기의 지구가 충분히 냉각되어 대기 중의 휘발성 가스가 붙잡혀 안정화되고 물을 보유할 수
있게 되었다.
② 소행성대 외각에서 온 물을 다량 함유한 혜성이 지구와 충돌하여 대양에 물을 공급하였다.
③ 박테리아의 광합성 혹은 광물작용에 의해 생화학적으로 생성되었다. >
4H2S+CO2--> CH4+2H2O+4S
④ 지구의 암석내의 수화광물(hydrous minerals)로부터 서서히 물이 배출되었다.
⑤ 광분해(빛의 작용에 의한 물질의 광화학적 분해)가 지표상 화학적 결합 고리를 끊었다.
여러 가지 학설 중에서 혜성에 의해 지구상의 물이 모두 공급되었을 것이라는 주장은
비현실적이라고 하며 지구 생성 초기부터 상당량의 물은 존재하였다고 한다.
4-1-3. 태양에너지와 물 순환
물은 지구상 표면과 지하의 도처에 존재한다. 비교적 얕은 지하 심도에 물이
많으며, 지하 심도가 깊어질수록 물은 적어진다. 물은 최대 약 4km 심도까지 존재하는데 0~800 m
구간에 약 50%가 그리고 800~4 km 구간에 나머지 50% 부존한다고 알려져 있다(이강근, 2009).
부존하는 위치상으로 보면 바다(해양)에 염수(saline water) 형태로 거의 대부분의
물(97.5%)이 있으며 담수(fresh water)는 2.5%에 불과하다(그림 4-1-4). 그리고 그 담수의 대부분(69%)은
빙하 및 만년설로 되어 있어 인간이 경제적으로 이용하기 어렵다. 인간이 가용한 수자원의 형태는
대부분 땅 밑에 지하수의 형태로 저장되어 있다. 우리나라 사람들이 일반적으로 많을 것이라고
생각하는 지표수 및 담수 호수의 물은 담수 자원 중 0.1%에 불과하다. 그러나 지표수는 물의 총량은
적으나 순환속도가 빨라 유용한 수자원이 된다.
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| 그림 4-1-4. 지구상의 물의 부존 형태(이진용, 2003) |
한편 물은 어느 한 곳에 머물러 있는 것이 아니라 끊임없이 자리를 옮기며 순환하는데
그 시작과 끝을 구분하기 어렵다(그림 4-1-5). 물의 순환을 흔히 우리는 수문순환(hydrologic cycle)이라고 하는데
물이 바다(호수) 등에서 대기로 증발하였다가 지상에 강수(비, 눈 등)로 하강하여 하천유출, 용천, 지하수의
형태로 다시 바다 등으로 유입되는 과정을 말한다. 이러한 수문순환의 과정에 참여하는 요소로는 강수,
증발, 증산, 지표유출, 침투(토양수), 응결, 해양, 지하수 등이 있다.
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| 그림 4-1-5. 물의 순환과 순환 요소(USGS) |
그런데 물이 스스로 이렇게 옮겨 다니지는 못할 것인데 어떻게 물이 순환하는 것일까?
을 움직이게 하는 가장 중요한 동력(에너지)은 태양에너지이다. 기본적으로 증발을 일으키는 것은 태양열
때문이다. 바다나 호수에서 대기 중으로 올라간 수증기는 무거워지면 지구중력에 의해 지표로 내려오게 되는데
이것이 강우, 강설이다. 이렇게 내려온 물은 지하로 들어가 지하수가 되기도 하고 식물에 의해 잡히기도 한다.
또 강이나 호수에 내려온 물은 사람에 직접 이용되기도 하지만 결국 하천을 통하여 원래의 바다로 돌아간다.
미세규모에서 보면 모세관 현상도 물 혹은 수분을 움직이는 동력이 되기도 한다.
전 세계적으로 보면 물은 매년 32x1013 m3 정도가 바다에서 대기로
증발되고 그리고 6x1013 m3 정도가 육지에서 대기로 증발된다고 한다. 또 매년 물은
38x1013 m3 정도가 하늘에서 육지 및 바다로 강하하며, 그 중에서 25%인 9.3x1013
m3의 물이 육지에 내려 담수가 된다고 한다.
물은 여러 가지 다양한 경로로 순환을 하게 되는데 그러며 원래의 자리로 돌아오는데(이것을
수문순환 주기라고 한다) 얼마나 걸리는 것일까? 사실 하나 하나의 물 분자가 마다 수문순환의 주기는 매우
다를 것이다. 그러나 일반적으로 물이 한번 순환하는데 걸리는 시간은 빠르게는 수 시간 길게는 수 백년이
걸린다고 한다. 특히 극지방의 영구빙설 혹은 빙하는 말 그대로 한번 순환하는데 수 만년 이상의 매우 긴
시간이 필요하다.
물이 한 위치에서 머무는 시간을 우리는 체류시간(residence time)이라고 하는데 체류시간이 길면 수문순환의
주기도 길다. 대기 중의 수증기는 대체로 약 9일의 체류시간을 가지며 지하수의 경우 수천~수만년의 체류시간을
보인다. 예를 들어 비교적 투수성이 좋은 제주도의 지하수는 20~50년의 체류시간(지하수 나이)을 보이지만 호주
사막 대찬정 분지의 지하수는 1백 만년 이상의 체류 시간을 보인다(그림 4-1-6과 그림 4-1-7).
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그림 4-1-6. 호주 대찬정 분지의 위치 및 규모
(http://biblicalgeology.net/Model/Application-to-GAB.html) |
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그림 4-1-7. 호주 대찬정 분지의 지하수 양수 모습
(http://iswr.eng.monash.edu.au/presentations/greatartesianbasin.pdf) |
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