Resolvendo o mistério das rochas flutuantes

May 31, 2017 Cientistas descobriram como as rochas podem flutuar

Algumas rochas podem flutuar na água durante anos, formando manchas de detritos com quilômetros de extensão que flutuam por milhares de quilômetros na superfície do oceano. Agora, os cientistas descobriram como fazem isso e por que acabam afundando.

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) resolveram esse mistério examinando amostras de rochas vulcânicas leves, vítreas e porosas, conhecidas como pedras-pomes. Esses experimentos de raios X foram conduzidos na Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab, uma fonte de raios X conhecida como síncrotron.

A flutuabilidade de longa duração dessas rochas pode ajudar os cientistas a descobrir erupções vulcânicas subaquáticas e a entender como a pedra-pomes flutuante serve como um meio marítimo rico em nutrientes que espalha espécies por todo o mundo. Além disso, é um perigo para os barcos, pois a mistura de cinzas de pedra-pomes moída pode entupir os motores dos navios.

Embora os cientistas saibam que bolsas de gás nos poros da pedra-pomes permitem que a pedra-pomes flutue, eles não sabem como os gases permanecem presos por períodos prolongados. O mistério se aprofunda quando se considera que os poros da pedra-pomes estão amplamente abertos e conectados, como uma garrafa aberta. Curiosamente, observou-se que algumas pedras-pomes em laboratório afundam durante a noite e emergem durante o dia.

Para a investigação, os pesquisadores revestiram pedaços de pedra-pomes exposta à água, retirados do vulcão Medicine Lake, perto do Monte Shasta, no norte da Califórnia, e do vulcão Santa María, na Guatemala. Em seguida, eles usaram uma técnica de imagem de raios X conhecida como microtomografia para estudar as concentrações de água e gás – medindo-as em mícrons (milésimos de milímetro) – em amostras de pedra-pomes pré-aquecidas e em temperatura ambiente. As imagens tridimensionais resultantes exigiam tantos dados que foi um desafio identificar rapidamente as concentrações de gás e água nos poros das amostras.

Esse problema foi resolvido por um pesquisador visitante de graduação da Universidade de Pequim, Zihan Wei, que usou uma ferramenta de software de análise de dados que incorpora aprendizado de máquina para identificar automaticamente os componentes de gás e água nas imagens. Os pesquisadores descobriram que os processos de retenção de gás encontrados nas pedras-pomes estão relacionados à tensão superficial, uma interação química entre a superfície da água e o ar acima dela que atua como uma pele fina.

"O processo que controla essa flutuação acontece na escala do cabelo humano. Muitos dos poros são muito, muito pequenos, como canudos finos, todos enrolados juntos. Portanto, a tensão superficial realmente domina", disse Kristen E Fauria , um estudante de graduação da UC Berkeley que liderou o estudo, publicado na Earth and Planetary Science Letters.

A equipe também descobriu que uma formulação matemática conhecida como teoria da percolação, que explica como um líquido entra em um material poroso, é responsável pelo processo de retenção de gás na pedra-pomes. Além disso, a difusão de gases – que descreve como as moléculas de gás procuram áreas de menor concentração – explica a eventual perda destes gases e a razão pela qual as pedras afundam.

Michael Manga, cientista da Divisão de Geociências Energéticas do Berkeley Lab e professor do Departamento de Ciências da Terra e Planetárias da UC Berkeley, disse: "Existem dois processos diferentes: um que permite que a pedra-pomes flutue e outro que faz afundar."

Os estudos de raios X ajudaram a quantificar esses processos pela primeira vez. O estudo mostrou que, em alguns casos, as estimativas anteriores para o tempo de flutuação estavam erradas em várias ordens de grandeza. A água envolve e retém gases na pedra-pomes, formando bolhas que fazem as pedras flutuarem. A tensão superficial mantém as bolhas presas no interior por períodos prolongados. A oscilação observada em experimentos de laboratório é devida à expansão do gás aprisionado durante o calor do dia e à contração quando a temperatura cai à noite.

O trabalho de raios X no ALS, juntamente com estudos de pequenos pedaços de pedra-pomes flutuando na água no laboratório de Manga na UC Berkeley, ajudaram os pesquisadores a desenvolver uma fórmula que prevê quanto tempo uma pedra-pomes normalmente flutuará com base em seu tamanho.

O estudo levantou mais questões, como a forma como a pedra-pomes, ejetada de vulcões subaquáticos profundos, chega à superfície. Os pesquisadores também conduziram experimentos de raios X no ALS para estudar amostras da chamada pedra-pomes “gigante”, que media mais de um metro de comprimento. Essa pedra foi recuperada do fundo do mar na área de um vulcão subaquático ativo, centenas de quilômetros ao norte da Nova Zelândia, durante uma expedição de 2015 da qual Fauria e Manga participaram.

As erupções vulcânicas subaquáticas não são tão fáceis de rastrear quanto as erupções em terra. As pedras-pomes provenientes de erupções vulcânicas subaquáticas variam muito em tamanho, mas normalmente podem ser do tamanho de uma maçã, enquanto as pedras-pomes provenientes de vulcões em terra tendem a ser menores do que uma bola de golfe.

"Estamos tentando entender como essa pedra-pomes gigante foi feita", disse Manga. "Não entendemos bem como funcionam as erupções submarinas. Este vulcão entrou em erupção de forma completamente diferente da que prevíamos. Nossa esperança é que possamos usar este exemplo para entender o processo."

Fauria concordou que há muito a aprender com os estudos de vulcões subaquáticos, acrescentando que os estudos de raios X no ALS desempenharão um papel contínuo no trabalho da sua equipe.

Vídeo