Řešení záhady plovoucích kamenů

May 31, 2017 Vědci objevili, jak mohou kameny plavat

Některé kameny mohou plavat na vodě celé roky a vytvářet tak míle dlouhé úlomky, které se unášejí tisíce mil po hladině oceánu. Nyní vědci zjistili, jak to dělají a proč se nakonec potopí.

Vědci z Národní laboratoře Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ministerstva energetiky vyřešili tuto záhadu skenováním vzorků lehkých, skelných a porézních vulkanických hornin známých jako pemza. Tyto rentgenové experimenty byly prováděny v pokročilém světelném zdroji (ALS) v Berkeley Lab, zdroji rentgenového záření známém jako synchrotron.

Dlouhotrvající vztlak těchto hornin může vědcům pomoci objevit erupce podmořských sopek a pochopit, jak plovoucí pemza slouží jako námořní médium bohaté na živiny, které šíří druhy po celém světě. Navíc je to nebezpečí pro lodě, protože popelavá směs rozemleté ​​pemzy může ucpat lodní motory.

I když vědci věděli, že kapsy plynu v pórech pemzy umožňují pemze plavat, nevědí, jak plyny zůstávají zachyceny po dlouhou dobu. Záhada se prohlubuje, když uvážíme, že póry pemzy jsou z velké části otevřené a propojené, jako nezazátkovaná láhev. Zajímavé je, že některé pemzy v laboratoři klesaly během večera a vynořovaly se během dne.

Pro své vyšetřování vědci potáhli kousky pemzy vystavené vodě odebrané z Medicine Lake Volcano poblíž Mount Shasta v severní Kalifornii a guatemalské sopky Santa María. Poté použili rentgenovou zobrazovací techniku ​​známou jako mikrotomografie ke studiu koncentrací vody a plynu – měřením v mikronech (tisícinách milimetru) – v předehřátých vzorcích pemzy a při pokojové teplotě. Výsledné trojrozměrné snímky byly tak náročné na data, že bylo obtížné rychle identifikovat koncentrace plynu a vody v pórech vzorků.

Tento problém vyřešil hostující vysokoškolský výzkumník z Pekingské univerzity Zihan Wei, který použil softwarový nástroj pro analýzu dat, který zahrnuje strojové učení k automatické identifikaci složek plynu a vody na snímcích. Vědci zjistili, že procesy zachycování plynu nalezené v pemzách souvisí s povrchovým napětím, chemickou interakcí mezi vodní hladinou a vzduchem nad ní, která působí jako tenká kůže.

"Proces, který řídí toto plování, se odehrává v měřítku lidských vlasů. Mnohé z pórů jsou opravdu, opravdu malé, jako tenká brčka, které jsou všechny namotané dohromady. Takže povrchové napětí opravdu dominuje," řekla Kristen E Fauria , postgraduální student UC Berkeley, který vedl studii publikovanou v Earth and Planetary Science Letters.

Tým také zjistil, že matematická formulace známá jako teorie perkolace, která vysvětluje, jak kapalina vstupuje do porézního materiálu, odpovídá za proces zachycování plynu v pemze. Kromě toho difúze plynu - která popisuje, jak molekuly plynu vyhledávají oblasti s nižší koncentrací - vysvětluje případnou ztrátu těchto plynů a důvod, proč se kameny potopí.

Michael Manga, vědecký pracovník v oddělení energetických geověd v Berkeley Lab a profesor na katedře pozemských a planetárních věd na UC Berkeley, řekl: "Existují dva různé procesy: jeden, který nechává pemzu plavat, a jeden, který potopí to."

Rentgenové studie pomohly poprvé kvantifikovat tyto procesy. Studie ukázala, že v některých případech byly předchozí odhady doby flotace o několik řádů jiné. Voda obklopuje a zachycuje plyny v pemze a vytváří bubliny, díky nimž se kameny nadnášejí. Povrchové napětí udržuje bubliny uzavřené uvnitř po dlouhou dobu. Houpání pozorované v laboratorních experimentech je způsobeno expanzí zachyceného plynu během denního tepla a kontrakcí, když teplota v noci klesá.

Rentgenová práce v ALS spolu se studiemi malých kousků pemzy plovoucích ve vodě v laboratoři Manga UC Berkeley pomohly výzkumníkům vyvinout vzorec, který předpovídá, jak dlouho bude pemza obvykle plavat na základě jejího velikost.

Studie vyvolala další otázky, například jak se pemza, vyvržená z hlubokých podvodních sopek, dostává na povrch. Vědci také provedli rentgenové experimenty na ALS, aby studovali vzorky z takzvané „obří“ pemzy, která měřila více než metr na délku. Tento kámen byl získán z mořského dna v oblasti aktivní podvodní sopky stovky mil severně od Nového Zélandu během expedice v roce 2015, které se Fauria a Manga účastnili.

Výbuchy podmořských sopek není tak snadné vystopovat jako erupce na souši. Pemza z podvodních erupcí sopek se velmi liší velikostí, ale obvykle může mít velikost jablka, zatímco pemza ze sopek na souši bývá menší než golfový míček.

"Snažíme se pochopit, jak byla tato obří pemza vyrobena," řekl Manga. "Nerozumíme dobře tomu, jak fungují erupce ponorek. Tato sopka vybuchla úplně jinak, než jsme předpokládali. Doufáme, že tento jeden příklad můžeme použít k pochopení procesu."

Fauria souhlasila s tím, že ze studií podvodních vulkánů se lze mnohé naučit a dodala, že rentgenové studie na ALS budou hrát pokračující roli v práci jejího týmu.

Video