Løsning af mysteriet med flydende sten

May 31, 2017 Forskere har opdaget, hvordan sten kan flyde

Nogle sten kan flyde på vandet i årevis ad gangen og danne milelange affaldspletter, der driver tusindvis af kilometer på havoverfladen. Nu har forskere opdaget, hvordan de gør det, og hvorfor de til sidst synker.

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har løst dette mysterium ved at scanne prøver af lette, glasagtige og porøse vulkanske klipper kendt som pimpsten. Disse røntgeneksperimenter blev udført ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en røntgenkilde kendt som en synkrotron.

Denne klippers langlivede opdrift kan hjælpe forskere med at opdage vulkanudbrud under vandet og forstå, hvordan den flydende pimpsten fungerer som et søfarende næringsrigt medium, der spreder arter over hele verden. Derudover er det en fare for bådene, da den askeagtige blanding af formalet pimpsten kan tilstoppe skibsmotorer.

Mens forskere har vidst, at lommer af gas i pimpstenens porer gør det muligt for pimpstenen at flyde, ved de ikke, hvordan gasserne forbliver fanget i længere perioder. Mysteriet bliver dybere, når man tænker på, at pimpstenens porer stort set er åbne og forbundet, som en flaske uden prop. Interessant nok er nogle pimpsten i laboratoriet blevet observeret at synke i løbet af aftenen og overfladen i løbet af dagen.

Til deres undersøgelse har forskerne belagt stumper af vandeksponeret pimpsten taget fra Medicine Lake Volcano nær Mount Shasta i det nordlige Californien og Guatemalas Santa María Volcano. Derefter brugte de en røntgenbilleddannelsesteknik kendt som mikrotomografi til at studere koncentrationerne af vand og gas - og målte det i mikron (tusindedele af en millimeter) - i forvarmede og stuetemperatur pimpstensprøver. De resulterende tredimensionelle billeder var så datatunge, at det var en udfordring hurtigt at identificere koncentrationerne af gas og vand i prøvernes porer.

Dette problem blev løst af en gæstende bachelorforsker fra Peking University, Zihan Wei, brugte et dataanalysesoftwareværktøj, der inkorporerer maskinlæring til automatisk at identificere komponenterne af gas og vand i billederne. Forskerne opdagede, at de gasfangende processer, der findes i pimpstenene, er relateret til overfladespænding, en kemisk vekselvirkning mellem vandoverfladen og luften over den, der fungerer som en tynd hud.

"Processen, der kontrollerer denne flydning, sker på skalaen af ​​menneskehår. Mange af porerne er virkelig, virkelig små, som tynde strå, der alle er viklet sammen. Så overfladespændingen dominerer virkelig," sagde Kristen E Fauria , en kandidatstuderende fra UC Berkeley, der ledede undersøgelsen, offentliggjort i Earth and Planetary Science Letters.

Teamet fandt også ud af, at en matematisk formulering kendt som perkolationsteori, som forklarer, hvordan en væske kommer ind i et porøst materiale, står for gasopfangningsprocessen i pimpsten. Derudover forklarer gasdiffusion - som beskriver, hvordan gasmolekyler søger områder med lavere koncentration - det eventuelle tab af disse gasser og årsagen til, at stenene synker.

Michael Manga, en stabsforsker i Berkeley Labs Energy Geosciences Division og en professor i Department of Earth and Planetary Science ved UC Berkeley, sagde: "Der er to forskellige processer: en der lader pimpsten flyde og en der får den til at synke."

Røntgenundersøgelserne hjalp for første gang med at kvantificere disse processer. Undersøgelsen viste, at tidligere estimater for flydetid i nogle tilfælde var af flere størrelsesordener. Vandet omgiver og fanger gasser i pimpstenen og danner bobler, der får stenene til at flyde. Overfladespænding holder boblerne låst inde i længere perioder. Den gnidning, der er observeret i laboratorieforsøg, skyldes udvidelsen af ​​indespærret gas under varmen på dagen og sammentrækningen, når temperaturen falder om natten.

Røntgenarbejdet på ALS har sammen med undersøgelser af små stykker pimpsten, der flyder i vand i Mangas UC Berkeley-laboratorium, hjulpet forskere med at udvikle en formel, der forudsiger, hvor længe en pimpsten typisk vil flyde baseret på dens størrelse.

Undersøgelsen udløste flere spørgsmål, såsom hvordan pimpsten, udstødt fra dybe undervandsvulkaner, finder vej til overfladen. Forskerne har også udført røntgenforsøg på ALS for at studere prøver fra såkaldt "gigantisk" pimpsten, der målte mere end en meter lang. Denne sten blev hentet fra havbunden i området for en aktiv undervandsvulkan hundreder af miles nord for New Zealand under en ekspedition i 2015, som Fauria og Manga deltog i.

Undersøiske vulkanudbrud er ikke så nemme at spore som udbrud på land. Pimpsten fra vulkanudbrud under vand varierer meget i størrelse, men kan typisk være på størrelse med et æble, mens pimpsten fra vulkaner på land har en tendens til at være mindre end en golfbold.

"Vi forsøger at forstå, hvordan denne gigantiske pimpsten blev lavet," sagde Manga. "Vi forstår ikke godt, hvordan ubådsudbrud fungerer. Denne vulkan brød helt anderledes ud, end vi havde antaget. Vores håb er, at vi kan bruge dette ene eksempel til at forstå processen."

Fauria var enig i, at der er meget at lære af undersøiske vulkanundersøgelser, og tilføjede, at røntgenundersøgelser på ALS vil spille en løbende rolle i hendes teams arbejde.

Video