물방울 렌즈: 물방울 모양과 표면 특성의 관계!

[아이팍스]

물방울 렌즈: 물방울 모양과 표면 특성의 관계!

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2010-02-05

왜 여름 대낮에 정원에 물을 주면 안 될까? 이유는 물방울이 렌즈 역할을 해서 식물을 태우기 때문이다. 가버 호바스(Gabor Horvath)를 비롯한 과학자들은 이를 증명하기 위해 매끈한 단풍잎, 은행잎, 소수성인 양치식물에 크고 작은 물방울을 얹고 대조군으로 단풍잎에 유리구를 얹어 햇빛에 노출시키는 실험을 하였다. 본 연구의 실험 결과를 식물 표면의 친수성/소수성에 따른 빛의 굴절율과 초점 심도를 기반으로 연구진은 물리적으로 설명하였다. 햇빛은 점화장치로서 역할을 충분히 하고 있으며, 회전타원체 물방울이 평평한 물방울보다 잎사귀에 더 많은 피해를 준다는 결론을 얻었다. 이는 소수성 표면의 물방울이 렌즈로 작용하여 촛점을 잎사귀에 잘 맞추게 되는 것을 알게되었다. 반면에 친수성 표면의 물방울도 렌즈로 작용하지만 촛점을 잎사귀 밑면에 맞추는 것으로 조사되었다.

“2006년, 헝가리(Hungary) 중학교 체육 기말고사에서 ‘여름 대낮에 정원에 물을 주는 것을 피해야 하는 이유는?’라는 문제의 답은 ‘잎사귀에 있는 물방울이 햇빛을 모으는 렌즈 역할을 해서 잎을 태우기 때문이다’였다.”라고 헝가리(Hungary) 부다페스타에 소재한 외트뵈스(Eotvos) 대학의 환경 물리학자 가버 호바스(Gabor Horvath)는 말했다. 호바스(Horvath)와 그의 동료들은 이 점에 흥미를 느끼고 자료 조사를 하였는데, 조원(造園) 관련 웹사이트의 78%가 같은 대답을 하고 있는 것을 발견했다. 하지만, 사람들이 널리 믿고 있는 이 점에 대해서 아직 아무도 실험을 통한 검증을 하지 않았다는 것을 알게 되었다.

호바스(Horvath)가 소속된 연구팀을 이끄는 헝가리(Hungary) 외트뵈스(Eotvos) 대학의 물리학자 아담 에그리(Adam Egri)와 독일(Germany)의 기상학 연구소인 맥스 플랭크 연구소(Mat Planck Institute)는 태양 아래에서 물이 오히려 식물을 태운다는 이 역설적인 말을 증명하기 위해 이 문제를 연구하기로 했다. 세 가지 실험중에서, 첫 번째 실험으로 연구진은 9시간, 3시간, 그리고 1시간 동안 유리구를 얹은 매끈하고 털이 없는 단풍잎을 햇빛에 노출시켰다. 두 번째 실험에서는 크고 작은 물방울을 얹은 매끈하고 털이 없는 은행 나뭇잎과 단풍잎을 다양한 시간 동안 각각 햇빛에 노출시켰고, 마지막으로 세 번째 실험에서 표면에 털이 있는 소수성 잎사귀를 가진 생이가래(Salvinia natans)라는 양치식물에 물방울을 얹어 햇빛에 노출시켰다.

첫 번째 실험의 결과, 햇빛에 노출한 시간에 상관없이 잎사귀에는 햇빛에 탄 흔적이 있었다. 이 결과는 적절한 매체가 있으면 언제든 태양이 발화원이 될 수 있다는 것을 시사한다. “유리구의 굴절력은 물방울의 굴절력보다 높고, 비록 유리구는 잎과의 접촉면적이 매우 작지만, 평편한 물질에 비해 더 짧은 초점심도를 가지게 된다.”라고 호바스(Horvath)는 이 현상을 물리적 측면에서 설명했다. 즉, 잎사귀 위의 유리구는 sunburn의 가장 이상적인 물질로, 아이들이 돋보기로 종이를 태워 구멍을 내는 원리와 일맥상통한다. 두 번째 실험에서는, 햇빛이 잎사귀에 큰 영향을 끼치지 못했다는 결과를 얻었다. “물방울과 잎사귀 표면 사이의 접촉각은 잎사귀 위의 물방울의 형상을 결정하고, 이 경우 접촉각이 90°보다 작기 때문에 물방울은 렌즈처럼 평평한 형상을 가진다.”라고 호바스(Horvath)는 설명했다. 평평한 물방울은 햇빛의 초점을 잎사귀 아래쪽에 맺히게 하고, 또 이러한 물방울은 잎사귀 표면을 식히는 역할을 한다. 세 번째 실험에서는 햇빛의 작용이 두드러졌다. 양치식물 잎에 있는 왁스 성분의 물을 밀어내는 털 때문에 물방울은 잎사귀 위에 떠 있게 된다. 이러한 현상으로 인해 햇빛의 초점이 잎사귀에 직접적으로 맞추어지게 되는 역활을 하게되고, 잎사귀는 곧 탄다. “이러한 잎사귀의 종류는 물방울을 회전타원체로 만든다.”라고 호바스(Horvath)는 설명했다. 1월 뉴 파이톨로지스트(New Phytologist, 새로운 식물학자, 생명공학 잡지)지에 실린 본 연구는 유리구의 경우와 같이 회전타원체 물방울이 평평한 물방울보다 잎사귀에 더 많은 피해를 준다고 설명했다.

물론 물질에 따라 다르겠지만, 태양광이 가연성 물질에 적절하게 초점이 맞으면, 화재가 발생할 수도 있다. 태양광이 돋보기를 통과하는 것처럼, 투명한 물방울을 통해 빛이 통과하게 되고 이 통과하는 빛은 초점에 맺힐 수 있게된다. 이 말은 건조한 숲에 내리는 비가 불을 낼 수도 있다는 의미인가? “우리는 아직 어떤 증거 자료도 찾지 못했다. 많은 사람들의 믿음에도 불구하고, 우리는 이러한 작용이 미신일 뿐이라 생각한다. 건조한 물질에 있는 물방울에 햇빛의 초점이 정확히 맞더라도 습기가 많은 식물은 화재를 줄일 수 있다.”라고 호바스(Horvath)는 말했다. 촉촉한 피부가 햇볕에 더 타기 쉽다는 본 연구의 결론은 태양 빛에 거을려진 사람들의 불평을 설명할 수 있을 것 같다. “식물에 붙은 물방울에 의해 빛의 초점이 맞는 문제는 이론적으로든, 실험적으로든 지금까지 단 한번도 연구되지 않았다. 그러나, 이것은 더 이상 사소한 문제가 아니다. 물방울이 햇빛의 초점을 증폭시키며 건조한 식물에 스파크를 내서 산불이 나는 것으로 많은 사람들은 믿고 있다.”라고 그는 말했다. 물방울과 잎사귀 사이의 접촉각이 잎사귀에서 광환경에 어떻게 영향을 미치는지를 연구하기 위해 본 연구팀은 수치해석과 실험적 연구를 모두 계획하였다. 본 연구의 목적은 어떤 환경 조건에서 햇빛이 비치는 물방울이 잎사귀를 태우는지를 명확하게 하는 것이다.

[바커스]

충분히 가능성이 있는 논리입니다..