[과학과 놀자] 물 속에는 물 분자 H2O와 ○○도 있다

과학 이야기
(73) 물 순환과 물 속 물질 순환

사진=게티이미지뱅크

물은 다양한 지구 시스템(지권, 수권, 기권, 생물권, 외권)을 거치면서 액체, 기체, 고체와 같은 상의 변화를 겪으며 순환한다. 이 과정에서 물 속에는 다양한 물질이 포함될 수 있다. 물과 함께 물 속 물질 순환이 연관되어 있는 점을 이해할 필요가 있다.

물 속에 포함될 수 있는 물질

지구에 존재하는 물 속에는 물 분자(H2O)뿐만 아니라 다양한 다른 물질이 포함되어 있다. 물 속에 있는 물질을 크게 입자성 물질과 용존성 물질로 구분할 수 있다. 입자성 물질은 가만히 두면 중력에 의해 가라앉는 일정 크기 이상(0.45㎛)의 물질들을 의미하며, 눈에 보이는 대부분의 큰 물질들(나뭇조각, 흙 등)이 포함된다. 용존성 물질은 가만히 둬도 가라앉지 않는 물질이며, 그 물질들은 다시 유기성 물질과 무기성 물질로 구분이 된다. 여기서 유기성 물질이란 탄소를 포함하고 있는 물질로 단백질, 다당류, 휴민산(부식산) 등이 포함된다. 그리고 무기성 물질이란 염소(Cl-), 질산염(NO32-), 황산염(SO42-), 칼슘(Ca2+), 마그네슘(Mg2+)처럼 탄소가 포함되지 않은 각종 원자 또는 분자들이다. 바이러스나 미생물과 같은 것들도 물 속에 포함될 수 있다. 1900년대 초반까지만 해도 바이러스나 미생물에 의해 발생하는 수인성 질병으로 인해 인류의 수명이 짧았다.

물의 순환 과정에서의 물질 순환

그러면 우리 주변의 물의 순환을 따라가면서 어떤 것들이 포함될 수 있는지 확인해 보자. 바닷물은 전 지구의 대부분을 덮고 있는 액체로, 특히 소금(NaCl)이 다량(약 38g/㎏) 포함되어 있다. 바닷물이 태양에너지에 의해 가열되면 증발하게 되는데, 바닷물이 증발하게 되어 기권에서 수증기로 존재할 때는 이온이 거의 존재하지 않은 증류수의 형태일 수 있다. 다만, 대기 중에 오염물질(NOx, SOx 등)이 존재하는 경우 오염물질이 녹아들어갈 수 있으며, 대기 중에 포함되어 있는 기타 이온들도 일부 녹아 있을 수 있다. 실제로 빗물의 전기전도도를 측정해 보면 약 50㎲/㎝ 정도인 것으로 알려져 있다. 실험실에서 제조하는 순수한 증류수의 전기전도도는 약 1㎲/㎝ 정도 수준이며, 강 또는 호수에 존재하는 물의 경우 100~200㎲/㎝ 정도의 전기전도도를 나타낸다. 정수처리장에서 강 또는 호수의 물에서 입자, 미생물, 바이러스 등을 제거해 우리가 사용할 수 있는 수돗물을 생산하게 된다. 수돗물을 우리의 생활에서 활용하게 되면 각종 오염물질을 포함한 채 배출되게 된다. 도시 내 하수처리 시설에서는 부영양화를 일으킬 수 있는 탄소, 질소, 인 등을 강에서 자연적으로 처리될 수 있을 정도로 낮게 제거해 방류하게 된다.

비로 떨어진 물 중 일부는 땅속으로 스며들어가서 지하수가 될 수 있다. 지하수의 경우 주변의 흙(토양) 또는 암석과 지속적으로 접촉하기 때문에 상대적으로 이온 농도가 높은 흙 또는 암석에서 이온 농도가 낮은 지하수 쪽으로 각종 무기물질이 녹아나오게 된다. 지하수의 전기전도도는 500~1500㎲/㎝ 정도이며, 지하수가 만나는 지층의 특징에 따라 다양한 물질을 포함할 수 있다. 어떤 경우에는 다양한 금속 성분을 포함해 독특한 맛을 내는 물(오색약수 등)이 되기도 하며, 어떤 경우에는 독성 중금속(비소, 카드뮴 등)을 포함해 음용이 금지되기도 있다. 따라서 개발도상국에선 독성 중금속이 포함된 지하수보다 빗물 또는 기생충의 위험이 있는 흙탕물을 식수로 활용하는 경우가 있다.

강 또는 지하수가 순환의 마지막에 도착하는 곳은 다시 바다다. 바다의 전기전도도는 해안에서 강물 또는 지하수와 섞이는 경우 약 1만5000㎲/㎝ 정도이며, 일반적인 바닷물의 경우 약 4만㎲/㎝ 정도의 값을 갖는다. 일반적인 바닷물은 강 또는 호수에 포함된 담수에 비해 약 200~400배 이상의 이온이 포함돼 있다. 바닷물의 경우 직접 식수로 활용하지 못해 해수담수화와 같은 기술을 이용해 식수로 변환하고 있다.

신종 오염물질, 기후변화와 물

최근에는 기존에 없었던 새로운 오염물질들이 수권으로 유입되고 있다. 플라스틱 사용(부표, 폐기물, 합성섬유 기반의 옷 세탁 등)에 따른 많은 플라스틱이 강 또는 바다로 배출되고 있으며, 일부 플라스틱은 기권을 따라 이동해 인류가 살지 않는 북극에서 발견되기도 한다. 예전에는 사용되지 않던 각종 약물질이나 사람들의 생활 편리함을 위해 합성된 화학물질들이 수권으로 배출돼 생태계 교란을 야기하거나 사람들의 건강을 위협하기도 한다. 중동 사해 지역의 경우 몸이 바닷물 위에 둥둥 뜰 정도로 바닷물의 밀도가 증가되기도 한다. 최근 기후변화에 따라 적도 지역 국가들은 해수면 상승을 경험하고 있다. 특히 베트남 메콩델타 지역은 바닷물이 해안에서 강 위쪽 방향으로 침투하게 되어 강물을 이용해야 하는 농업 지역에 피해를 주고 있다.

이렇듯 우리 주변의 물은 순수한 물에 주변 환경의 많은 물질들을 함께 포함하게 되면서 다양한 특징을 가지면서 흘러가고 있다. 수권을 사용하는 인류뿐만 아니라 주변 생태계에 지속적으로 좋은 영향을 끼칠 수 있도록 물 속에 포함될 수 있는 다양한 물질에 대한 관심을 갖는 것이 필요할 것이다.

√ 기억해주세요

정성필 한국과학기술연구원 물자원순환연구센터 책임연구원

우리 주변의 물 중에서 마실 수 있는 물과 마실 수 없는 물의 차이는 물 속에 포함돼 있는 각종 입자, 유기물, 무기물 및 미생물과 같은 물질들의 농도 때문이다. 지구에 존재하는 물은 지구 시스템을 따라 흐르면서 다양한 특성을 가질 수 있다. 수권 주변 시스템들의 특징을 이해하면 다양한 수권의 특징을 이해할 수 있다.