Das Geheimnis der schwimmenden Felsen lüften

May 31, 2017 Wissenschaftler haben entdeckt, wie Felsen schwimmen können

Einige Felsen können jahrelang auf dem Wasser treiben und bilden kilometerlange Trümmerfelder, die über Tausende von Kilometern auf der Meeresoberfläche treiben. Jetzt haben Wissenschaftler herausgefunden, wie sie das machen und warum sie schließlich sinken.

Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums haben dieses Rätsel gelöst, indem sie Proben von leichtem, glasigem und porösem Vulkangestein, den sogenannten Bimssteinen, durchleuchtet haben. Diese Röntgenexperimente wurden an der Advanced Light Source (ALS) des Berkeley Labs durchgeführt, einer Röntgenquelle, die auch als Synchrotron bekannt ist.

Die langlebige Schwimmfähigkeit dieser Gesteine kann Wissenschaftlern helfen, Unterwasser-Vulkanausbrüche zu entdecken und zu verstehen, wie der schwimmende Bimsstein als nährstoffreiches Medium im Meer dient, das Arten auf der ganzen Welt verbreitet. Außerdem stellt er eine Gefahr für Boote dar, da das aschige Gemisch aus zermahlenem Bimsstein Schiffsmotoren verstopfen kann.

Während die Wissenschaftler wissen, dass Gaseinschlüsse in den Bimssteinporen das Schwimmen des Bimssteins ermöglichen, wissen sie nicht, wie die Gase über einen längeren Zeitraum eingeschlossen bleiben. Das Rätsel wird noch größer, wenn man bedenkt, dass die Poren des Bimssteins größtenteils offen und miteinander verbunden sind, wie eine entkorkte Flasche. Interessanterweise wurde bei einigen Bimssteinen im Labor beobachtet, dass sie abends absinken und tagsüber auftauchen.

Für ihre Untersuchung haben die Forscher Bimssteinstücke vom Medicine Lake Volcano in der Nähe des Mount Shasta in Nordkalifornien und vom Vulkan Santa María in Guatemala beschichtet, die dem Wasser ausgesetzt waren. Dann untersuchten sie die Wasser- und Gaskonzentrationen in den vorgewärmten und auf Raumtemperatur erwärmten Bimssteinproben mit einem Röntgenbildgebungsverfahren, der Mikrotomografie, und maßen sie in Mikron (Tausendstel Millimeter). Die daraus resultierenden dreidimensionalen Bilder waren so datenintensiv, dass es eine Herausforderung war, die Gas- und Wasserkonzentrationen in den Poren der Proben schnell zu identifizieren.

Dieses Problem wurde von Zihan Wei, einem Gaststudenten der Universität Peking, gelöst. Er verwendete eine Software zur Datenanalyse, die maschinelles Lernen beinhaltet, um die Gas- und Wasserkomponenten in den Bildern automatisch zu identifizieren. Die Forscher fanden heraus, dass die Gaseinschlüsse in den Bimssteinen mit der Oberflächenspannung zusammenhängen, einer chemischen Wechselwirkung zwischen der Wasseroberfläche und der darüber liegenden Luft, die wie eine dünne Haut wirkt.

"Der Prozess, der dieses Schweben steuert, spielt sich auf der Ebene eines menschlichen Haares ab. Viele der Poren sind sehr, sehr klein, wie dünne Strohhalme, die zusammengerollt sind. Also dominiert die Oberflächenspannung", sagt Kristen E. Fauria, eine Studentin der UC Berkeley, die die Studie leitete, die in Earth and Planetary Science Letters veröffentlicht wurde.

Das Team fand auch heraus, dass eine mathematische Formulierung, die als Perkolationstheorie bekannt ist und erklärt, wie eine Flüssigkeit in ein poröses Material eindringt, den Gaseinschlussprozess im Bimsstein erklärt. Außerdem erklärt die Gasdiffusion - die beschreibt, wie Gasmoleküle Bereiche mit geringerer Konzentration aufsuchen - den letztendlichen Verlust dieser Gase und den Grund, warum die Steine sinken.

Michael Manga, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Energy Geosciences Division des Berkeley Lab und Professor am Department of Earth and Planetary Science der UC Berkeley, sagt: "Es gibt zwei verschiedene Prozesse: einen, der den Bimsstein schweben lässt und einen, der ihn sinken lässt."

Die Röntgenuntersuchungen halfen, diese Prozesse erstmals zu quantifizieren. Die Studie zeigte, dass frühere Schätzungen für die Flotationszeit in einigen Fällen um mehrere Größenordnungen daneben lagen. Das Wasser umgibt den Bimsstein mit Gasen und schließt diese ein, so dass sich Blasen bilden, die die Steine schwimmfähig machen. Die Oberflächenspannung sorgt dafür, dass die Blasen über einen längeren Zeitraum im Inneren eingeschlossen bleiben. Das in Laborexperimenten beobachtete Aufschwimmen ist auf die Ausdehnung des eingeschlossenen Gases während der Hitze des Tages und die Kontraktion bei sinkenden Temperaturen in der Nacht zurückzuführen.

Die Röntgenuntersuchungen an der ALS und die Untersuchungen von kleinen Bimssteinen, die in Mangas Labor an der UC Berkeley im Wasser schwimmen, haben den Forschern geholfen, eine Formel zu entwickeln, die vorhersagt, wie lange ein Bimsstein in Abhängigkeit von seiner Größe schwimmen wird.

Die Studie löste weitere Fragen aus, z.B. wie Bimsstein, der von tiefen Unterwasservulkanen ausgeworfen wird, seinen Weg an die Oberfläche findet. Die Forscher haben auch Röntgenexperimente an der ALS durchgeführt, um Proben von sogenanntem "Riesenbimsstein" zu untersuchen, die mehr als einen Meter lang waren. Dieser Stein wurde während einer Expedition im Jahr 2015, an der Fauria und Manga teilnahmen, vom Meeresboden in der Nähe eines aktiven Unterwasservulkans Hunderte von Meilen nördlich von Neuseeland geborgen.

Unterwasser-Vulkanausbrüche sind nicht so leicht aufzuspüren wie Ausbrüche an Land. Bimssteine von Unterwasser-Vulkanausbrüchen sind sehr unterschiedlich groß, aber typischerweise etwa so groß wie ein Apfel, während Bimssteine von Vulkanen an Land meist kleiner als ein Golfball sind.

"Wir versuchen zu verstehen, wie dieser riesige Bimsstein entstanden ist", sagte Manga. "Wir wissen nicht genau, wie unterseeische Eruptionen funktionieren. Dieser Vulkan ist ganz anders ausgebrochen, als wir vermutet haben. Unsere Hoffnung ist, dass wir dieses eine Beispiel nutzen können, um den Prozess zu verstehen.

Fauria stimmte zu, dass es bei der Erforschung von Unterwasservulkanen noch viel zu lernen gibt und fügte hinzu, dass Röntgenuntersuchungen an der ALS eine wichtige Rolle für die Arbeit ihres Teams spielen werden.

Video