문제 : 바닷물을 마셔본 적이 있나요 마셔본 적이 있다면 그 맛이 어땠나요?
답 : 바다에서 물놀이를 하다가 바닷물을 마신 적이 있었는데 짠맛과 쓴맛이 함께 느껴졌습니다.
문제 : 바닷물이 그런 맛을 지닌 이유는 바닷물 속에 어떤 성분이 녹아 있기 때문인가요?
답 : 바닷물에는 여러가지 물질이 이온 형태로 녹아 있는데, 그 중 가장 많은 양을 차지하는 것이 나트륨이온(Na+), 염화이온(Cl-)입니다. 즉 바닷물은 소금물(NaCl 수용액)이기 때문에 짭니다. 또 쓴맛을 내는 것은 염화마그네슘(MgCl2)이 녹아 있기 때문입니다. 이렇게 해수 중에 녹아 있는 물질을 염류라 부릅니다. 염류는 대부분 이온형태로 녹아 있으며 해수의 주요성분을 그 양이 많은 것부터 말하면 염화이온(Cl-), 나트륨이온(Na+), 황산염이온(SO42-), 마그네슘이온(Mg2+), 칼슘이온(Ca2+), 칼륨이온(K+)의 순서입니다.
문제 : 그렇다면 해수 중에 녹아있는 염류는 도대체 어디서 생겨난 것인가요?
답 : 풍화된 암석 속의 광물이 빗물에 녹아 내리면서 강을 따라 바다로 흘러 들어갔거나 해저 화산의 분출물 형태로 바다에 유입됐을 것입니다.
문제 : 해수에는 얼마나 많은 양의 염류가 녹아 있습니까?
답 : 해수에 녹아 있는 염류의 양을 표현할 때 ‘염분’이라는 용어를 사용하는데, 염분은 해수 1kg에 용해된 모든 염류의 질량을 g단위로 나타낸 값을 말합니다. 이때 염분의 단위는 천분율인 퍼밀(‰)을 사용합니다. 전세계 해양의 평균 염분이 35‰인데 이는 해수 1kg 중에 녹아있는 염류의 총량이 35g 정도라는 뜻입니다.
문제 : 그렇다면 염분비 일정의 법칙이란 것은 무엇입니까?
답 : 세계 여러 바다의 해수를 분석해보면 염분은 장소에 따라 다르지만 염분에서 각 염류가 용해된 비율은 장소에 관계없이 일정한 점을 알 수 있습니다. 이를 염분비 일정의 법칙이라고 합니다. 염분비 일정의 법칙을 이용하면 해수에 용해된 한가지 원소의 질량만 알아내도 해수의 염분을 쉽게 구할 수 있습니다. 실제로 해수의 염분을 측정할 때는 해수 속에 녹아 있는 염소이온의 양만 측정해 염분비를 계산합니다.
문제 : 전세계의 모든 바다에서 염분비 일정의 법칙이 성립하나요?
답 : 강과 바다가 만나는 강어귀나 해저 화산 활동이 일어나는 심해저 바다와 같은 특수한 경우를 제외하면 대부분의 바다에서 성립합니다.
문제 : 해양의 염분을 결정하는 요소는 무엇이 있나요?
답 : 육지와 멀리 떨어진 바다의 표면 염분은 흔히 증발량과 강수량에 의해 결정됩니다. 증발량이 강수량보다 많은 지역은 염분이 높게 나타나고 반대로 강수량이 증발량보다 많은 지역은 염분이 낮게 나타납니다.
문제 : 그렇다면 증발량이 높은 적도지방은 염분이 높고, 증발량이 낮은 극지방은 염분이 낮다는 이야기인가요?
답 : 대체로 고위도 지방보다는 적도가 염분이 낮은 것이 사실이지만, 적도는 강수량도 매우 높아 중위도 지방보다는 염분이 낮습니다. 세계의 대양에서 염분이 가장 높은 지역은 증발량이 많고 강수량이 적은 중위도 고압대에서 나타납니다. 참고로 세계의 주요사막도 이곳에 위치하고 있습니다.
문제 : 중위도 고압대에 대해 설명을 더 해줄 수 있나요?
답 : 중위도 고압대는 위도 30°부근의 기압이 높은 위도대를 말합니다. 대기 대순환 과정에서 이 지역은 하강기류가 강하며 날씨가 맑고 구름이 잘 발달되지 않아 증발량이 높고 강수량은 적은 지역입니다.
문제 : 해수의 성질을 결정하는 것은 염분 외에도 온도가 중요한 역할을 합니다. 해수의 온도 분포에 대해서 설명해보세요.
답 : 평균 해수면의 온도가 가장 높은 곳은 북위 5°정도에 위치한 열적도 부근으로 28℃정도까지 올라갑니다. 한편 고위도지방으로 갈수록 온도가 낮아져 극지방의 해수면은 영하 2℃까지 내려갑니다. 또 해수면의 온도는 해류에도 영향을 받아 같은 위도라도 조금씩 달라집니다.
문제 : 해수 온도의 연직 분포에 대해서 설명하고 해수를 온도변화에 따라 어떻게 나눌수 있는지도 설명해보세요.
답 : 해양에서 해수의 온도는 수심이 깊어질수록 낮아집니다. 태양 복사에너지는 10m 깊이에 도달하면 85%가 흡수되고 1백m 깊이에 도달하면 98%가 흡수됩니다. 따라서 1백m 깊이 이하로 내려가면 수온이 급격히 떨어지기 시작하는데, 이 해수층을 수온약층이라고 합니다. 수온약층 위의 해수층은 바람에 의해 해수가 아래 위로 잘 섞여, 수온이 일정한 혼합층이 존재합니다. 한편 수온약층 아래의 심해층은 깊이에 관계없이 거의 4℃ 이하의 낮은 수온을 유지합니다.
문제 : 수온약층의 특징은 무엇이며 어느 깊이에서 발달합니까?
답 : 수온약층은 깊이에 따라 온도가 급격히 변하는 층으로 아래쪽으로 내려 갈수록 차갑고 무거운 물이 존재하므로 대단히 안정된 층입니다. 수온약층은 마치 대기권의 성층권과 같은 온도 분포를 하고, 위층의 혼합층과 아래의 심해층이 서로 섞일 수 없게 합니다. 대양에서 수온약층이 나타나는 깊이는 8-10℃의 등온선과 거의 일치하합니다. 흔히 열대지방의 바다에서는 비교적 얕은 3백-4백m 깊이에서 나타나고 온대지방으로 갈수록 깊어져 5백-1천m 깊이까지 내려갔다가 한대지방으로 가면서 수온약층은 사라집니다. 한대지방은 표층의 물의 온도가 낮아 심해층의 물과 비슷하므로 수온약층이 존재하지 않습니다.
문제 : 해수의 염분과 온도에 대해 이야기했는데 이들이 해수의 밀도와는 어떤 관계가 있습니까?
답 : 해수의 밀도는 염분, 수온, 수압 등에 영향을 받습니다. 염분이 높을수록, 수온은 낮을수록, 수압이 높을수록 해수의 밀도는 높아집니다. 따라서 해수의 밀도는 표층에서 가장 작고, 수온약층에서는 수심에 따라 큰 폭으로 증가하다가 심해층에서는 완만하게 증가합니다. 바닷물의 밀도 범위는 대략 1.025-1.028g/cm3 정도입니다.
문제 : 바다에 가면 파도를 볼 수 있는데 파도를 일으키는 주된 원인은 무엇입니까?
답 : 바다에서 파도를 일으키는 힘은 바람이 주된 원인이지만, 해저지진이나 지각변동, 태풍 등에 의해서도 일어납니다. 또 각각에서 중력이 복원력으로 작용합니다. 예를 들어 바람이 해수면과의 마찰을 통해 물의 입자를 이동시키면 중력에 의해 높은 곳의 물이 낮은 곳으로 내려오면서 파도가 만들어집니다. 바다에서 나타나는 파도는 흔히 여러가지 파장의 파동이 중첩돼 나타나므로 그 모양이 매우 복잡하고 불규칙합니다.
문제 : 바람이 일으키는 파도에 대해 구체적으로 설명해보세요.
답 : 바람에 의해 나타나는 파도는 풍랑, 너울, 연안쇄파로 구별할 수 있습니다. 강한 바람이 계속되면 해수면이 거칠어지고 파도의 마루 부분이 삼각형 모양으로 뾰족해지는데, 이를 풍랑이라고 합니다. 풍랑이 발생 지역을 벗어나 전달되면 마루가 둥글고 파장이 긴 해파인 너울로 변하며, 너울이 해안에 접근하면 해파의 속도가 느려지면서 파장이 짧아지고 파고가 높아지다가 해안가에 부서지며 물보라를 일으키는 연안쇄파의 형태로 나타납니다.
문제 : 파도가 해안에 접근하면서 해파의 전달속도가 느려지는 이유는 무엇인가요?
답 : 수심이 파장의 1/2보다 깊을 때는 심해파라 하고, 이보다 얕을 때는 천해파라고 말합니다. 그런데 수심이 파장에 비해 충분히 깊은 바다에서는 해파의 전달속도가 오로지 파장에 따라 결정돼 파장이 길수록 빠르게 전파되지만, 해안에 접근하면서 수심이 얕아지면 천해파의 성질을 가집니다. 천해파는 해저와의 마찰에 영향을 받아 수심이 얕아질수록 전파속도가 느려집니다.
문제 : 해일의 뜻은 무엇이며 어떻게 발생하나요?
답 : 해일은 태풍이나 해저지진에 의해 발생되는 큰 해파를 말합니다. 발생 원인에 따라 태풍해일과 지진해일로 나눌 수 있습니다. 태풍해일은 태풍과 같은 강한 저기압에 의해 해수면이 상승돼 나타나는 현상입니다. 반면 지진해일은 해저에서 폭발한 화산이나 지진 발생의 영향으로 해수면의 수위가 급격히 높아져 나타납니다. 지진해일은 ‘쓰나미’라고도 하는데, 파고가 수m이고, 파장은 수십-수백km에 이릅니다.
요 약
해수 중에는 염화나트륨, 염화마그네슘, 황산마그네슘, 황산칼슘과 같은 여러가지 염류가 녹아 있으며 염분은 바닷물 1kg에 용해된 모든 염류의 질량을 g단위로 나타낸 값이다. 전세계 해양의 평균 염분은 35‰이지만 고위도 지역의 염분은 낮고 중위도 고압대 지역의 염분이 가장 높다. 이것은 증발량이 강수량보다 클수록 염분이 높아지기 때문이다. 해수의 온도는 -2-28℃의 범위를 가지며 수온의 연직 분포에 따라 해수를 혼합층, 수온약층, 심해층으로 구분한다. 수온약층은 깊이에 따라 온도가 급격히 변하는 층으로 대단히 안정하다. 한편 해수면의 파도를 일으키는 원인은 바람과 태풍, 해저화산의 폭발 등이다.
관 련 단 원
고등학교 교과서에서 해수의 염분과 수온, 해파와 관련된 단원은 공통과학의 지구단원 중 해양을 설명한 부분이다. 또한 지구과학 Ⅰ의 해수의 성분과 성질에서는 염분과 수온에 대해 자세히 다루며, 지구과학 Ⅱ의 해양과 해수 단원에서는 해수의 성질과 수온, 순환에 대해 심층적으로 다룬다.
생각해볼 문제
1. 민물은 4℃일 때 밀도가 가장 높지만 바닷물은 0℃일 때 가장 밀도가 높다. 이 사실을 근거로 바닷물이 쉽게 얼지 않는 까닭을 설명하시오.
2. 한반도 주변 바다의 수온과 염분 분포의 특징을 설명하시오.
3. 염분비 일정의 법칙이 중요한 이유는 무엇인가?
심 층 코 너
| 강물을 가열하면 바닷물이 되나 |
수십억년이 넘는 오랜 세월 동안 육지에 내린 비는 지표의 여러가지 광물을 녹이고 이것이 강을 따라 바다로 흘러 들어갔다. 해수 중에 녹아 있는 염류가 육지로부터 공급된 것이라면 강물을 가열해 염류의 농도를 짙게 하면 바닷물과 같이 짜게 할 수도 있을 것 같다. 하지만 그렇지 않다. 바닷물의 조성이 강물 조성과 크게 다르기 때문이다. 강물의 주성분은 탄산칼슘(CaCO3)인 반면 바닷물의 주성분은 소금(NaCl)이다. 그 이유는 물 속에 녹아 있는 각 성분들이 바다에 머무르는 시간이 다르기 때문이다.
즉 강물 속에 가장 풍부하게 녹아 있는 탄산이온과 칼슘이온은 쉽게 결합해 탄산칼슘으로 침전되기도 하고, 동물의 체내에 흡수돼 동물의 뼈를 구성하는데 사용되기도 한다. 따라서 이온 상태로 일단 용해된 후에도 해수 속에 오랫동안 머무르지 못한다. 하지만 지각물질의 풍화작용으로부터 기원된 나트륨(Na+)과 화산활동으로부터 기원된 염소(Cl-)는 다른 성분보다 아주 오랫동안 바다에 머무르게 돼 바닷물은 짤 수밖에 없다. 과학자들이 계산한 결과에 따르면 해수 속에 녹아 있는 성분의 대부분(약 86%)을 차지하는 소금(NaCl)이 해저 밑바닥에 가라앉기까지는 약 2억년이 걸린다.
| 가장 짠 바다와 가장 싱거운 바다 |
세계 전체 해양의 평균 염분은 34.72‰이며 대서양이 태평양보다 염분이 높다. 염류의 총량은 5×1022g으로서 이 양은 해양 전표면을 1백50m 두께로 덮을 수 있는 양이다.
한편 대부분이 육지로 둘러싸인 부속해에서는 염분의 농도가 극단적인 경우도 있다. 예를 들어 하천의 유입량이 많고 날씨가 차서 증발이 적은 발트해에서는 염분의 농도가 10‰ 이하가 되는 경우도 있고, 하천의 유입량은 거의 없으면서도 증발이 심한 홍해의 염분은 45‰이나 된다. 또한 아라비아반도 서북쪽의 소금호수인 사해는 염분농도가 극히 높아 표면수에서 2백‰(해수의 약 5배), 저층수에서는 3백‰에 이른다. 사해의 호수면은 해면보다 3백95m 낮아 지표상의 최저점으로 기록되며, 호수의 물이 바다로 흘러 들어가지 않는다. 또 이곳은 건조기후이기 때문에 유입수량과 거의 동량의 수분이 증발하면서 높은 염분 농도를 유지한다. 따라서 하구 근처 외에는 생물이 거의 살지 않으며, 사해라는 이름도 여기에서 연유했다.
| 염분의 측정 |
먼 바다로 나가면 해수의 화학적 조성이 일정하기 때문에 해수의 주요 염류는 항상 일정한 비를 갖는다. 따라서 해수의 염분을 알기 위해서는 주요 성분 중 하나의 농도만 측정하면 된다. 해수 성분 중 염소가 가장 많고, 화학적 방법으로도 측정하기 쉽기 때문에 염소의 농도를 측정해 염분을 구한다.
염분비 일정의 법칙을 이용해서 염분(S)과 염소량(Cl)사이의 표준 상관관계를 정의하면 다음과 같다.
S ‰ = 0.03 + 1.805 Cl ‰
위 식은 밀도, 염분, 염소량 사이의 관계를 보여주는 경험적 자료로부터 유도된 것이고 최근 들어 이 식은 S =1.80655 Cl‰로 수정됐다. 따라서 염화이온의 농도만 알면 염분을 구할 수 있으며 염화이온의 측정 방법은 다음과 같다.
1. 질산은 적정법
해수에 포함된 염화이온이 질산은 용액의 은이온과 정량적으로 반응해 황적색에서 주황색으로 변할 때까지 질산은 용액을 한방울씩 떨어뜨린 후, 소요된 AgNO3의 양을 측정해 염소이온의 농도를 산출한다. 이때 우라닌 지시약을 함께 사용한다. 염화이온의 농도를 알면 염분 공식을 이용해 염분을 계산할 수 있다.
2. 전기 전도도법
해수의 전기 전도도는 염분 농도에 비례해 달라지므로 전기 전도도를 측정하면 염분을 알 수 있다. 이때 전기 전도도는 pH와 온도에 따라서도 달라지므로 이를 보정해 줘야 한다.
한편 염분의 단위로 흔히 사용하는 ‰ 대신 ‘psu’(practical salinity units)라는 단위도 많이 사용한다. 엄밀한 의미에서 퍼밀(‰)은 절대염분을 나타내며 절대염분을 측정하기 위해서는 모든 염류의 총량을 실제로 측정해야 한다. 하지만 염분의 단위를 psu(실용염분)로 사용해 나타내면 전기 전도도와 같은 간접적인 측정 방식으로도 염분값을 표시할 수 있다. 이 때 1‰ = 1psu로 각 단위의 크기는 같다.
유 머
[ The Pope's decision ]
During a Papal audience, a business man approached the Pope and made this offer : Change the line of the Lord's prayer from ‘give us this day our daily bread’ to ‘give us this day our daily chicken.’ and Chicken company will donate 10 million dollars to Catholic charities. But the Pope declined. 2 weeks later the man approached the Pope again. This time with a 50 million dollar offer. Again the Pope declined. A month later the man offers 100 million, this time the Pope accepts. At a meeting of the Cardinals, the Pope announces his decision in the good news/bad news format. The good news is that we have 100 million dollars for charities. The bad news is that we lost bread company account!
[ 교황의 결정 ]
교황 알현 중 한 사업가가 교황에게 접근해서 이런 제안을 했다. “주기도문의 문구를 ‘오늘날 우리에게 일용할 빵을 주시고’에서 ‘오늘날 우리에게 일용할 치킨을 주시고’로 바꿔주시면, 치킨회사에서 카톨릭 자선단체에 1천만 달러를 기부할 것입니다.” 하지만 교황은 이 제안을 거절했다. 2주 후에 이 사업가는 다시 교황에게 접근했다. 이번에는 5천만 달러를 기부하겠다고 제안했다. 교황은 다시 거절했다. 한달 후 이 사람이 1억 달러를 제안하자, 이번에는 교황이 이를 수락했다. 추기경 회의에서 교황은 그의 결정을 좋은 소식과 나쁜 소식 형태로 알렸다. 좋은 소식은 우리가 자선단체를 위해 사용할 1억 달러를 갖게 됐다는 것입니다. 나쁜 소식은 제빵회사와의 거래를 잃게 됐다는 것입니다.
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출처 : 동아사이언스 구자옥/용산고 교사
