눈 결정은 왜 육각형일까요? 똑같은 눈송이가 없는 과학적 이유

 

 

겨울철 하늘에서 내리는 눈을 자세히 들여다본 적 있으신가요? 맨눈으로는 그냥 하얀 가루처럼 보이지만, 돋보기로 확대해보면 놀라울 정도로 정교한 모양이 나타납니다. 그런데 신기하게도 눈 결정은 대부분 육각형을 기본으로 하고 있어요. 왜 삼각형도 사각형도 아닌 육각형일까요?

물 분자의 비밀, 수소 결합이 만드는 육각형

눈 결정이 육각형인 이유는 물 분자의 구조에 있습니다. 물 분자(H₂O)는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있는데요. 이 분자들이 서로 결합할 때 '수소 결합'이라는 특별한 방식으로 연결됩니다.

물 분자 하나하나는 정사면체와 비슷한 모양을 하고 있어요. 그런데 이 분자들이 모여서 얼음이 될 때는 분자 배열의 규칙에 따라 자연스럽게 육각형 고리 구조를 형성하게 됩니다. 쉽게 말해서 육각형이 물 분자들이 모일 수 있는 가장 안정적인 형태인 거예요. 17세기 프랑스 철학자 데카르트는 눈 결정을 관찰하고 이렇게 감탄했다고 합니다. "여섯 면은 매우 곧으며 6개의 각은 그 크기가 동일하다. 사람이 과연 이렇게 만들 수 있을까."

세상에 똑같은 눈송이는 없다

그렇다면 모든 눈 결정이 같은 모양일까요? 그렇지 않습니다. 1885년 미국의 농부이자 사진작가였던 윌슨 벤틀리는 현미경에 카메라를 달아 평생 6000여 종의 눈 결정 사진을 찍었는데요. 그는 "세상에 똑같은 눈송이는 없다"라는 유명한 말을 남겼습니다.

실제로 눈 결정의 종류는 3000종이 넘습니다. 기본적인 육각형 판 모양부터 별 모양, 바늘 모양, 기둥 모양, 나뭇가지 모양, 부채 모양까지 정말 다양해요. 심지어 삼각형 결정이 만들어지는 희귀한 경우도 있습니다.

온도와 습도가 결정하는 눈의 모양

눈 결정의 모양이 이렇게 다양한 이유는 눈이 만들어질 때의 온도와 습도가 다르기 때문입니다.

온도에 따른 차이를 보면, 영하 2도 정도의 비교적 따뜻한 날씨에는 납작한 판 모양의 눈이 만들어집니다. 영하 5도 근처에서는 바늘이나 육각기둥 같은 긴 기둥 모양이 주로 형성되고요. 영하 10~20도 사이, 즉 제법 추운 날에는 우리에게 가장 익숙한 별 모양의 눈 결정이 만들어집니다.

습도도 중요한 역할을 해요. 습도가 낮으면 결정의 재료가 되는 수증기가 적어서 성장 속도가 느리고 모양이 단순해집니다. 반면 습도가 높으면 수증기가 풍부해서 결정이 빠르게 자라면서 가지가 많이 뻗은 복잡한 모양이 되기 쉽습니다. 그래서 극지방처럼 건조한 곳에서는 단순한 기둥 구조의 눈이 많고, 바다에서 습한 바람이 불어오는 날에는 화려한 모양의 눈을 볼 수 있어요.

함박눈과 가루눈의 차이

우리가 좋아하는 탐스러운 함박눈은 기온이 영하 5도 이상으로 비교적 포근한 날에 내립니다. 온도가 높으면 눈 결정들이 서로 쉽게 달라붙기 때문에 여러 개의 결정이 뭉쳐서 큰 눈송이가 되는 거예요. 반면 기온이 영하 20도 이하로 매우 추운 날에는 결정들이 잘 붙지 않아서 작은 싸락눈이나 가루눈 형태로 내립니다.

참고로 눈은 크게 '습설'과 '건설'로 나뉘는데요. 습설은 영하 1도에서 영상 1도 사이에 주로 내리는 눈으로 습기를 많이 머금고 있어서 잘 뭉쳐지고 무겁습니다. 눈사람 만들기 좋은 눈이죠. 건설은 영하 10도 이하의 추운 날 내리는 눈으로 습기가 적어 잘 뭉쳐지지 않고 가볍습니다.

집에서 눈 결정 관찰하는 방법

눈 결정을 직접 보고 싶다면 거창한 장비가 필요하지 않습니다. 문구점에서 파는 돋보기만 있으면 충분해요. 더 선명하게 보고 싶다면 검은 종이나 천을 미리 차갑게 한 뒤 그 위에 눈을 받아서 관찰하면 됩니다. 검은 배경 덕분에 하얀 눈 결정이 더 또렷하게 보이거든요. 다만 눈 결정은 체온에 금방 녹아버리니까 입김이 닿지 않도록 조심해야 합니다.

올겨울 눈이 내리는 날, 돋보기 하나 들고 나가서 자연이 만들어낸 이 작은 예술 작품들을 감상해보시는 건 어떨까요?