개요
빙동(ice cave)은 연중 상당량의 다년생 얼음을 포함하는 모든 유형의 자연 동굴을 지칭한다. 가장 흔하게는 용암 동굴(lava tube)이나 석회암 동굴(limestone cave)에서 발견된다. 동굴의 적어도 일부 구간이 연중 내내 섭씨 0도(화씨 32도) 이하의 온도를 유지해야 하며, 물이 동굴의 냉대(冷帶) 지대로 유입되어야 한다. 동굴학(speleology) 분야에서는 '빙동(ice cave)'이 올바른 영어 용어로 통용된다. 반면, 빙하 내부나 빙하 아래에 형성된 공동(cavity)은 빙하 동굴(glacier cave)로 구분하여 부른다.[2]
역사·유래
빙동이라는 개념을 최초로 학술적으로 기술한 사람은 영국의 에드윈 스위프트 발치(Edwin Swift Balch)로, 1900년에 이를 공식적으로 설명하였다. 발치는 이 유형의 동굴을 지칭하기 위해 프랑스어 용어인 'glacières'를 사용할 것을 제안하였으나, 당시에도 이미 'ice cave'라는 용어가 연중 얼음을 포함하는 동굴을 가리키는 통상적인 명칭으로 널리 쓰이고 있었다.[2]
작동 방식과 유형
유형 분류
빙동은 얼음의 존재 양상과 동굴 내부 공기 순환 메커니즘에 따라 정적 빙동(static ice cave)과 동적·순환적 빙동(dynamic or cyclical ice cave)으로 크게 나뉜다. 정적 빙동의 대표적인 예로는 페냐 카스틸 빙동(Peña Castil Ice Cave)이 있으며, 동적 빙동의 대표격으로는 아이스리젠벨트(Eisriesenwelt)가 꼽힌다.[2]
온도 유지 메커니즘
세계 대부분의 지역에서 기반암 동굴은 지표로부터 열적으로 단열되어 있어, 지표의 연평균 기온에 근사한 거의 일정한 온도를 유지한다. 그러나 일부 한랭 환경(예: 에레버스 산 주변)에서는 지표의 연평균 기온이 영하권이므로 동굴 내부 온도 역시 영하로 유지되며, 여름철 지표수 유입이 가능할 경우 빙동이 형성된다. 이러한 경우 때로 분기공 얼음 탑(fumarolic ice towers)이 동굴 위에 발달하기도 한다. 한편, 많은 빙동은 온대 기후 지역에도 존재하는데, 이는 동굴 내부 온도가 해당 지역의 평균 지표 기온보다 낮아지도록 만드는 특수한 메커니즘이 작동하기 때문이다.[2]
#### 콜드 트랩(Cold trap)
특정 동굴 구조는 계절 대류를 통해 겨울철 지표의 찬 공기를 동굴 내부로 유입시키지만, 여름철 더운 공기의 유입은 차단한다. 전형적인 예는 단일 입구 아래에 위치한 지하 공동이다. 겨울에는 차갑고 밀도 높은 공기가 동굴 안으로 가라앉아 따뜻한 공기를 밀어내며 배출시키고, 여름에는 차가운 동굴 공기가 제자리에 머무르는 반면 상대적으로 가벼운 지표의 따뜻한 공기는 동굴 안으로 들어가지 못한다. 동굴은 지표 공기가 동굴 공기보다 차가울 때만 공기 교환이 일어난다. 일부 콜드 트랩은 지표의 눈을 포집하여 여름 햇빛으로부터 차단함으로써 동굴 온도를 추가로 낮추는 데 기여하기도 한다.[2]
#### 영구동토(Permafrost)
온대 환경에서도 기반암의 일부 구역이 연중 영하 상태를 유지하는 영구동토 조건이 나타날 수 있다. 예를 들어 겨울철 바람과 적설 부족으로 인해 얼음이 충분히 깊게 내려가 여름철 해동으로부터 보호받을 수 있으며, 특히 열을 잘 흡수하지 않는 밝은 색의 암석에서 두드러진다. 동굴의 영구동토 구간은 영하 온도를 유지하지만, 영구동토는 일반적으로 물의 침투를 허용하지 않으므로 얼음 생성은 수증기 기원의 결정체로 제한되는 경우가 많으며, 더 깊은 동굴 통로는 건조하고 얼음이 전혀 없는 상태일 수 있다. 영구동토 내의 빙동은 여름철 통풍이 심하지 않다면 반드시 콜드 트랩 구조일 필요는 없다.[2]
#### 증발 냉각(Evaporative cooling)
겨울철 건조한 지표 공기가 수분으로 포화된 동굴 내부로 유입될 때, 증발 잠열로 인해 추가적인 냉각 효과가 발생할 수 있다. 이는 동굴 내부에 주변보다 더 차가운 구역을 형성한다. 많은 동굴이 계절에 따라 공기 흐름 방향이 역전되므로, 여름철 응결에 의한 해당 온난화는 동굴 내 다른 위치에서 일어날 수 있다. 어쨌든 수분 포화 상태의 동굴 환경은 응결 온난화보다 증발 냉각을 훨씬 더 크게 경험할 가능성이 높다.[2]
얼음의 종류
결빙 메커니즘의 차이에 따라 시각적·구조적으로 구별되는 다양한 다년생 동굴 얼음이 나타난다.[2]
#### 고인 물(Ponded water)
지표수가 동굴 내부에 고여 얼기 전에 웅덩이를 형성하면 투명한 얼음 덩어리(clear ice mass)가 생성되며, 두께가 수십 미터에 달하고 연령이 매우 오래될 수 있다. 거대한 얼음 덩어리는 소성(plasticity)을 띠어 중력이나 추가 적설의 압력에 반응하여 천천히 흐를 수 있다. 공기 흐름과 승화(sublimation)에 의한 조각 작용으로 얼음 내부의 고대의 적층 밴드(accumulation bands)가 드러나기도 한다.[2]
#### 적설 축적(Accumulated snow)
동굴 입구로 미끄러지거나 떨어지는 눈이 지속적인 축적의 무게 아래 압축되어 결국 얼음이 되는데, 이는 빙하 얼음(glacier ice)과 유사하게 조립질의 결정질 구조를 띤다. 진정한 지하 빙하(true underground glacier)는 드물다.[2]
#### 얼음 생성물(Ice formations)
물이 고이기 전에 얼면 고드름(icicle), 얼음 종유석(ice-stalagmite), 얼음 기둥(ice column), 얼어붙은 폭포(frozen waterfall) 등을 형성한다.[2]
#### 공기 중 수분(수증기, Airborne moisture)
수증기가 얼어붙으면 동굴 벽과 천장에 서리 결정(frost crystal), 서리 깃털(frost feather), 2차원적인 얼음 판(two-dimensional ice plate)이 생성된다.[2]
#### 바늘 얼음(Needle ice)
침투수가 기반암 내부에서 얼면서 동굴 통로로 밀려나오는 형태로 나타날 수 있다.[2]
#### 빙하 침입(Intrusions)
동굴 입구 위에 자리 잡은 지표 빙하의 무게가 빙하 얼음을 짧은 거리 동굴 내부로 밀어 넣는 현상이다. 이 현상의 유일한 알려진 사례로 캐나다 앨버타 주 캐슬가드 동굴(Castleguard Cave) 깊숙한 곳에 있는 여러 개의 '얼음 마개(ice plugs)'가 보고되어 있다.[2]
사례
전 세계적으로 보고된 주요 빙동 사례는 다음과 같다.[2]
- 반데라 화산 빙동(Bandera Volcano Ice Cave, 미국 뉴멕시코 주)
- 빅스비 주립 보호구역(Bixby State Preserve, 미국 아이오와 주)
- 부밍 아이스 캐즘(Booming Ice Chasm, 캐나다 앨버타 주)
- 보르티그 피트 동굴(Bortig Pit Cave, 루마니아 아푸세니 산맥)
- 캐니언 크리크 빙동(Canyon Creek Ice Cave, 캐나다 앨버타 주)
- 캐슬가드 동굴(Castleguard Cave, 캐나다 앨버타 주)
- 쿠더스포트 아이스 마인(Coudersport Ice Mine, 미국 펜실베이니아 주)
- 데코라 빙동 주립 보호구역(Decorah Ice Cave State Preserve, 미국 아이오와 주)
- 데마노브스카 빙동(Demänovská Ice Cave, 슬로바키아)
- 돕시나 빙동(Dobšiná Ice Cave, 슬로바키아) - 2000년 유네스코 세계유산 등재
- 아이스리젠벨트(Eisriesenwelt, 오스트리아 베르펜)
- 그로타 델 젤로(Grotta del Gelo, 이탈리아 시칠리아)
- 그로트 카스테레(Grotte Casteret, 스페인 피레네 산맥 아라곤)
- 아이스 마운틴(Ice Mountain, 미국 웨스트버지니아 주)
- 쿵구르 빙동(Kungur Ice Cave, 러시아 페름 지방)
- 메릴 동굴(Merrill Cave, 미국 캘리포니아 주 라바 베드 국립기념물)
- 나루사와 빙동(Narusawa Ice Cave, 일본 후지산)
- 나이터 빙동(Niter Ice Cave, 미국 아이다호 주)
- 샘스 포인트 보호구역(Sam's Point Preserve, 미국 뉴욕 주)
- 스카리쇼아라 동굴(Scărișoara Cave, 루마니아)
- 셸렌베르크 빙동(Schellenberg Ice Cave, 독일 바이에른)
- 쇼왕크 리지(Shawangunk Ridge, 미국 뉴욕 주)
- 비드겔미르(Víðgelmir, 아이슬란드 서부)
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