حل لغز الصخور العائمة

May 31, 2017 اكتشف العلماء كيف يمكن للصخور أن تطفو

يمكن لبعض الصخور أن تطفو على الماء لسنوات في المرة الواحدة، لتشكل بقعًا من الحطام يبلغ طولها أميالًا وتنجرف لآلاف الأميال على سطح المحيط. الآن، اكتشف العلماء كيف يفعلون ذلك، ولماذا يغرقون في النهاية.

لقد تمكن العلماء في مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة (مختبر بيركلي) من حل هذا اللغز عن طريق مسح عينات من الصخور البركانية خفيفة الوزن والزجاجية والمسامية المعروفة باسم أحجار الخفاف. تم إجراء تجارب الأشعة السينية هذه في مصدر الضوء المتقدم (ALS) التابع لمختبر بيركلي، وهو مصدر للأشعة السينية يُعرف باسم السنكروترون.

يمكن أن يساعد طفو هذه الصخور طويل الأمد العلماء على اكتشاف ثورانات البراكين تحت الماء وفهم كيف يعمل الخفاف العائم كوسيلة بحرية غنية بالمغذيات تنشر الأنواع في جميع أنحاء العالم. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يشكل خطرًا على القوارب، حيث أن الخليط الرمادى من الخفاف المطحون يمكن أن يسد محركات السفن.

بينما عرف العلماء أن جيوب الغاز الموجودة في مسام الخفاف تمكن الخفاف من الطفو، إلا أنهم لا يعرفون كيف تظل الغازات محاصرة لفترات طويلة. ويزداد الغموض عمقا عندما يدرك المرء أن مسام حجر الخفاف مفتوحة ومتصلة إلى حد كبير، مثل زجاجة غير مسدودة. ومن المثير للاهتمام أن بعض أحجار الخفاف في المختبر لوحظ أنها تغوص أثناء المساء وتطفو على السطح أثناء النهار. ولإجراء تحقيقاتهم، قام الباحثون بتغليف قطع من الخفاف المكشوفة بالمياه مأخوذة من بركان بحيرة ميديسن بالقرب من جبل شاستا في شمال كاليفورنيا وبركان سانتا ماريا في غواتيمالا. بعد ذلك، استخدموا تقنية التصوير بالأشعة السينية المعروفة باسم التصوير المقطعي الدقيق لدراسة تركيزات الماء والغاز - قياسها بالميكرون (جزء من الألف من المليمتر) - داخل عينات الخفاف المسخنة مسبقًا وفي درجة حرارة الغرفة. كانت الصور ثلاثية الأبعاد الناتجة كثيفة البيانات لدرجة أنه كان من الصعب التعرف بسرعة على تركيزات الغاز والماء في مسام العينات.

تم حل هذه المشكلة من خلال الباحث الجامعي الزائر من جامعة بكين، زيهان وي، الذي استخدم أداة برمجية لتحليل البيانات تتضمن التعلم الآلي للتعرف تلقائيًا على مكونات الغاز والماء في الصور. واكتشف الباحثون أن عمليات حبس الغاز الموجودة في أحجار الخفاف مرتبطة بالتوتر السطحي، وهو تفاعل كيميائي بين سطح الماء والهواء فوقه الذي يعمل كجلد رقيق. قالت كريستين إي فوريا: "إن العملية التي تتحكم في هذا الطفو تحدث على نطاق شعر الإنسان. فالعديد من المسام صغيرة للغاية، مثل القش الرفيع الذي يتم جمعه معًا. لذا فإن التوتر السطحي هو المهيمن حقًا". ، وهو طالب دراسات عليا في جامعة كاليفورنيا في بيركلي والذي قاد الدراسة، التي نشرت في مجلة Earth and Planetary Science Letters. ووجد الفريق أيضًا أن الصيغة الرياضية المعروفة باسم نظرية الترشيح، والتي تشرح كيفية دخول السائل إلى مادة مسامية، تفسر عملية احتجاز الغاز في الخفاف. بالإضافة إلى ذلك، فإن انتشار الغاز - الذي يصف كيفية بحث جزيئات الغاز عن مناطق ذات تركيز أقل - يفسر فقدان هذه الغازات في نهاية المطاف وسبب غرق الحجارة.

قال مايكل مانغا، وهو عالم في قسم علوم الأرض الطاقة في مختبر بيركلي وأستاذ في قسم علوم الأرض والكواكب في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: "هناك عمليتان مختلفتان: واحدة تجعل الخفاف يطفو والأخرى تجعله يطفو". يجعلها تغرق."

ساعدت دراسات الأشعة السينية في قياس هذه العمليات لأول مرة. وأظهرت الدراسة أنه في بعض الحالات، كانت التقديرات السابقة لوقت التعويم متباينة بعدة درجات من حيث الحجم. يحيط الماء بالغازات ويحبسها في حجر الخفاف، مما يشكل فقاعات تجعل الحجارة تطفو. التوتر السطحي يبقي الفقاعات مغلقة بالداخل لفترات طويلة. يرجع التأرجح الذي لوحظ في التجارب المعملية إلى تمدد الغاز المحصور أثناء حرارة النهار، والانكماش عندما تنخفض درجة الحرارة ليلاً.

ساعدت أعمال الأشعة السينية في ALS، جنبًا إلى جنب مع الدراسات التي أجريت على قطع صغيرة من الخفاف تطفو في الماء في مختبر مانغا بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، الباحثين على تطوير صيغة تتنبأ بالمدة التي سيطفو فيها حجر الخفاف عادةً بناءً على طوله. مقاس. أثارت الدراسة المزيد من الأسئلة، مثل كيفية وصول حجر الخفاف المنبعث من البراكين العميقة تحت الماء إلى السطح. كما أجرى الباحثون تجارب بالأشعة السينية في ALS لدراسة عينات مما يسمى بالخفاف "العملاق" والتي يبلغ طولها أكثر من متر. وتم انتشال هذا الحجر من قاع البحر في منطقة بركان نشط تحت الماء على بعد مئات الأميال شمال نيوزيلندا، خلال رحلة استكشافية عام 2015 شاركت فيها فوريا ومانغا.

ليس من السهل تعقب ثوران البراكين تحت الماء مثل ثوران البراكين على الأرض. تختلف أحجار الخفاف الناتجة عن ثوران البراكين تحت الماء بشكل كبير في الحجم ولكنها يمكن أن تكون عادةً بحجم تفاحة، بينما تميل أحجار الخفاف الناتجة عن البراكين الموجودة على الأرض إلى أن تكون أصغر من كرة الجولف. وقال مانغا: "نحن نحاول أن نفهم كيف تم صنع صخرة الخفاف العملاقة هذه". "نحن لا نفهم جيدًا كيف تعمل الانفجارات البحرية. لقد اندلع هذا البركان بشكل مختلف تمامًا عما افترضنا. ونأمل أن نتمكن من استخدام هذا المثال لفهم العملية."

توافق فوريا على أن هناك الكثير مما يمكن تعلمه من دراسات البراكين تحت الماء، مضيفة أن دراسات الأشعة السينية في ALS ستلعب دورًا مستمرًا في عمل فريقها.

الفيديو