무질서하게 하늘에서 흩날리는 눈송이, 그 안에 ‘오묘한 질서’ 있었네

미 유타대 연구진, 눈송이 움직임 분석 결과
주변 공기 난류에 영향 받으면서도 일정한 가속도로 움직여
아직까지 알려지지 않은 대기 변화 모델 존재 가능성

지난 19일 오후 서울 삼성역 일대에서 한 외국인 관광객이 휴대폰으로 내리는 눈 사진을 찍고 있다. 올해 크리스마스는 눈이 내리는 화이트 크리스마스가 될 가능성이 크다. 최근 미국 유타대 연구진에 따르면 눈송이는 주변 공기의 흐름과 무관하게 일정한 가속도로 움직이는 것으로 나타났다./뉴스1

기상청이 올해 크리스마스 이브와 크리스마스에 눈이 내릴 것 같다는 전망을 내놓으면서 모처럼 ‘화이트 크리스마스’에 대한 기대감이 커지고 있다. 크리스마스에 눈이 내린 것은 2015년 이후 8년 만이다.

이리저리 휘날리며 내리는 눈은 크리스마스에 빛나는 형형색색의 조명과 어우러져 아름다운 풍경을 연출한다. 누구나 한 번쯤 어린 시절 하늘에서 내리는 눈을 잡아보려는 시도를 했던 경험이 있을 것이다. 하지만 눈송이를 잡는 일은 결코 쉽지 않은 일이다. 손이 움직일 때 형성되는 공기 흐름에 눈송이가 손에 닿기도 전 좌우로 흩날리기 때문이다. 하지만 최근 과학자들이 공기 흐름의 방해를 받긴 해도 생각과 달리 눈송이가 일정한 규칙에 따라 내린다는 사실을 알아냈다.

미국 유타대 연구진은 이달 19일(현지 시각) 국제 학술지 ‘유체 물리학’에 하늘에서 흩날리며 내리는 눈송이가 주변 공기의 복잡한 흐름(난류)과 무관하게 일정한 가속도로 떨어진다는 사실을 알아냈다고 소개했다.

자연계의 무작위성을 연구하는 과학자들은 눈송이의 움직임을 분석하려고 시도해 왔으나 기술적인 난관에 부딪쳐 왔다. 눈송이에 가장 큰 영향을 주는 밀도와 질량을 동시에 측정할 수 있는 방법이 없었기 때문이다.

연구진은 눈송이의 움직임을 분석하기 위해 미국 유타주 솔트레이크시티의 한 스키장에서 실험을 진행했다. 인공눈을 뿌리면서 크기와 무게, 밀도에 따른 눈송이의 움직임을 관찰했다. 이를 위해 연구팀은 작은 눈송이의 움직임을 추적하는 레이저 장비를 직접 개발했다. 동시에 여러 각도에서 레이저를 쏘아 한 평면에서 눈송이의 여러 특성에 따른 움직임을 추적하는 방식으로 실험을 진행했다.

연구진은 3~15분 동안 인공눈을 뿌리면서 이 과정에서 형성한 53만3000개의 눈송이 움직임을 모두 기록했다. 분석 결과에 따르면 다양한 공기 흐름의 영향을 받아 무작위로 운동할 것 같던 눈송이의 움직임에서 규칙성이 발견됐다.

가벼운 눈송이도 주변 공기의 흐름에 영향을 받지만 일정한 가속도 규칙을 따르는 것으로 나타났다. 연구진에 따르면 눈송이의 가속도는 지수 그래프를 따르는 것으로 나타났다. 이는 공기가 불규칙한 난류라는 점을 감안하면 쉽게 이해하기 어려운 현상이다.

티머시 개릿 유타대 대기과학과 교수는 “눈송이의 움직임을 이렇게 단순하게 표현할 수 있다는 점은 과학적으로는 설명하기 어렵다”며 “난류의 영향을 받으면서도 일정한 가속도로 움직이는 현상은 자연의 신비로움으로 밖에 설명하기 어렵다”고 말했다.

연구진은 이번 연구를 기후 변화를 예측하는 데 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 아직 알려지지 않은 대기 변화 모델을 눈송이 연구를 통해 찾아낼 수 있을 것으로 보고 있다.

개릿 교수는 “기름 방울을 이용한 새로운 실험으로 눈송이 움직임의 비밀을 풀어낼 것”이라며 “날씨 예보와 기후 변화를 측정하는 새로운 방식으로 발전할 수 있을 것이라고 기대한다”고 말했다.

참고자료

Physics of Fluids, DOI: https://doi.org/10.1063/5.0173359

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