눈 결정은 왜 육각형인데 가끔 삼각형처럼 보일까?

눈 결정은 육각형이라는 말은 대체로 맞다. 보통의 얼음 Ih에서는 물 분자가 육각형 격자로 배열되고, 이 미시적인 구조가 여섯 개의 모서리를 가진 육각 기둥과 여섯 팔의 별 모양으로 이어진다. 그런데 현미경 사진을 보면 드물게 거의 정삼각형처럼 보이는 얇은 눈 결정도 있다. 얼음의 규칙을 어긴 결정이 아니라, 여섯 변을 가진 결정이 성장 속도의 차이 때문에 세 변만 길게 남은 경우가 많다.

먼저 ‘삼각형’이 무엇을 뜻하는지 구분해야 한다. 눈 결정의 기본 골격이 꼭 세 면으로 바뀐다는 뜻은 아니다. 얇은 판 모양 결정에서는 원래 여섯 개의 프리즘 면이 있다. 그러나 서로 번갈아 놓인 세 면이 빠르게 앞으로 나가고, 그 사이의 세 면은 매우 짧게 남으면 멀리서는 세 꼭짓점만 보인다. 연구자가 확대해 보면 짧은 세 변도 남아 있는, 아주 불균등한 육각판인 경우가 많다.

이 차이는 얼음 분자가 어느 면의 가장자리에 더 잘 붙는가에서 시작된다. 구름 속 수증기는 결정 표면으로 확산해 오고, 가장자리와 모서리에서 얼음에 편입된다. 온도, 수증기 과포화도, 주변 공기의 흐름은 각 면의 성장 속도를 바꾼다. 완전히 같은 여섯 면이라도 아주 작은 흠집, 기울기, 또는 초기 성장의 차이가 생길 수 있다. 결정 성장은 그 작은 차이를 항상 지워 버리지 않는다. 어떤 조건에서는 오히려 키운다.

2009년 실험·이론 연구는 얇은 육각판의 한 면이 조금 먼저 자랐을 때, 낙하하거나 공기 중에 놓인 결정 주위의 흐름이 다음 변화를 편들 수 있다고 제안했다. 돌출한 부분은 수증기가 도달하는 방식과 공기 흐름을 아주 조금 바꾸고, 그 변화가 번갈아 놓인 면들의 상대 성장을 유리하게 만들 수 있다. 즉 한 번의 작은 비대칭이 ‘한 면만 빠른’ 모양에 그치지 않고 세 방향의 교대 패턴으로 증폭될 수 있다는 설명이다. 이것은 모든 삼각형 결정에 대한 유일한 답이라기보다, 관찰된 빈도를 설명하려는 성장 불안정성 모형이다.

최근의 실험은 이 현상이 특정 조건에서 상당히 재현 가능하다는 점도 보여 주었다. 캘리포니아 공과대학교의 케네스 리브브레히트는 가는 얼음 바늘 끝에서 판상 결정을 기르고, 약 영하 14도와 높은 수증기 과포화 조건에서 삼각형처럼 보이는 구조를 높은 비율로 만들었다고 보고했다. 중요한 것은 연구자가 얼음의 분자 격자를 삼각형으로 바꾼 것이 아니라, 동일한 육각 얼음이 자라는 동안 각 면의 속도를 다르게 만든 것이다.

하지만 자연의 세 배 대칭 얼음은 한 가지 원인으로만 묶을 수 없다. 대기과학 관측에서는 매우 차가운 구름, 비행운, 다이아몬드 더스트에서 세 배 회전 대칭을 가진 얼음 결정이 보고되었다. 이런 일부 결정은 육각 얼음과 입방 얼음의 층서가 섞인 ‘적층 무질서 얼음’과 관련될 가능성이 제기된다. 이 경우에는 성장 중의 공기역학적 증폭뿐 아니라, 결정 내부의 적층 방식 자체가 표면 대칭에 영향을 줄 수 있다. 얇은 삼각 눈송이와 대기 중 모든 삼각 얼음 입자를 같은 메커니즘으로 단정하면 안 되는 이유다.

따라서 ‘육각형 눈송이는 틀린 상식인가’라고 볼 필요는 없다. 여섯 배 대칭은 얼음 Ih의 매우 강한 출발점이며, 삼각형처럼 보이는 결정도 그 규칙이 거시적인 모양으로 옮겨지는 과정이 민감하다는 사실을 드러낸다. 분자 수준에서의 대칭과 눈에 보이는 외곽선의 대칭은 같은 말이 아니다. 결정은 동일한 여섯 방향을 갖고도, 성장 환경이 그 방향들을 공평하게 대하지 않으면 세 방향만 두드러지게 만들 수 있다.

사진 한 장만으로 생성 경로를 확정하기도 어렵다. 결정이 떨어지는 동안 회전했는지, 얼마나 오래 어느 습도·온도 층을 지났는지, 처음부터 적층 무질서였는지를 알기 어렵기 때문이다. 자연 표본은 충돌·승화·부분 용융으로 모양이 바뀔 수도 있다. 그래서 연구자들은 현미경 관찰뿐 아니라, 온도와 수증기량을 조절한 성장 실험, 결정학 분석, 공기 흐름 모형을 함께 사용한다. 삼각형의 예쁜 윤곽만으로 하나의 비밀 원인을 선언하지 않는 것이 과학적으로 더 정확하다.

삼각 눈 결정은 작은 불균형이 어떻게 규칙적인 새로운 모양을 낳는지 보여 주는 좋은 사례다. 육각 격자는 여섯 갈래의 가능성을 제공하고, 확산·부착·공기 흐름·결정의 미세 구조는 그중 일부를 선택해 크게 만든다. 그래서 이 드문 눈송이는 자연이 기하학 법칙을 깨뜨린 증거가 아니다. 같은 법칙 아래에서 성장의 역사가 대칭을 선별한 결과다. 눈 한 조각의 외곽선에도 분자 배열과 구름의 움직임이 함께 기록될 수 있다는 뜻이다.