Επίλυση του μυστηρίου των πλωτών βράχων

May 31, 2017 Οι επιστήμονες ανακάλυψαν πώς μπορούν να επιπλέουν οι βράχοι

Μερικοί βράχοι μπορούν να επιπλέουν στο νερό για χρόνια κάθε φορά, σχηματίζοντας μπαλώματα συντριμμιών μήκους χιλιομέτρων που παρασύρονται για χιλιάδες μίλια στην επιφάνεια του ωκεανού. Τώρα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν πώς το κάνουν και γιατί τελικά βυθίζονται.

Επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του Τμήματος Ενέργειας (Berkeley Lab) έλυσαν αυτό το μυστήριο σαρώνοντας δείγματα ελαφρών, υαλωδών και πορωδών ηφαιστειακών πετρωμάτων γνωστών ως ελαφρόπετρες. Αυτά τα πειράματα ακτίνων Χ διεξήχθησαν στην προηγμένη πηγή φωτός (ALS) του εργαστηρίου Berkeley, μια πηγή ακτίνων Χ γνωστή ως σύγχροτρο.

Η μακρόχρονη άνωση αυτών των πετρωμάτων μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να ανακαλύψουν υποβρύχιες εκρήξεις ηφαιστείων και να κατανοήσουν πώς η πλωτή ελαφρόπετρα χρησιμεύει ως ναυτικό μέσο πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά που εξαπλώνει τα είδη σε όλο τον κόσμο. Επιπλέον, είναι επικίνδυνος για τα σκάφη, καθώς το στάχτο μείγμα ελαφρόπετρας μπορεί να φράξει τις μηχανές των πλοίων.

Ενώ οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι οι θύλακες αερίου στους πόρους της ελαφρόπετρας επιτρέπουν στην ελαφρόπετρα να επιπλέει, δεν γνωρίζουν πώς τα αέρια παραμένουν παγιδευμένα για παρατεταμένες περιόδους. Το μυστήριο βαθαίνει όταν αναλογιστεί κανείς ότι οι πόροι της ελαφρόπετρας είναι σε μεγάλο βαθμό ανοιχτοί και συνδεδεμένοι, σαν ένα μπουκάλι χωρίς φελλό. Είναι ενδιαφέρον ότι ορισμένες ελαφρόπετρες στο εργαστήριο έχουν παρατηρηθεί να βυθίζονται το βράδυ και να βγαίνουν στην επιφάνεια κατά τη διάρκεια της ημέρας.

Για την έρευνά τους, οι ερευνητές επικάλυψαν κομμάτια ελαφρόπετρας εκτεθειμένα στο νερό που ελήφθησαν από το ηφαίστειο της λίμνης Medicine κοντά στο όρος Shasta στη Βόρεια Καλιφόρνια και το ηφαίστειο Santa María της Γουατεμάλας. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν μια τεχνική απεικόνισης ακτίνων Χ γνωστή ως μικροτομογραφία για να μελετήσουν τις συγκεντρώσεις νερού και αερίου - μετρώντας τα σε μικρά (χιλιοστή του χιλιοστού) - σε προθερμασμένα δείγματα ελαφρόπετρας και σε θερμοκρασία δωματίου. Οι τρισδιάστατες εικόνες που προέκυψαν ήταν τόσο εντατικές σε δεδομένα που ήταν μια πρόκληση να εντοπιστούν γρήγορα οι συγκεντρώσεις αερίου και νερού στους πόρους των δειγμάτων.

Αυτό το πρόβλημα επιλύθηκε από έναν επισκέπτη προπτυχιακό ερευνητή από το Πανεπιστήμιο του Πεκίνου, τον Zihan Wei, χρησιμοποίησε ένα εργαλείο λογισμικού ανάλυσης δεδομένων που ενσωματώνει μηχανική μάθηση για να αναγνωρίζει αυτόματα τα συστατικά του αερίου και του νερού στις εικόνες. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι οι διαδικασίες παγίδευσης αερίων που βρίσκονται στις ελαφρόπετρες σχετίζονται με την επιφανειακή τάση, μια χημική αλληλεπίδραση μεταξύ της επιφάνειας του νερού και του αέρα πάνω από αυτό που λειτουργεί σαν λεπτό δέρμα.

"Η διαδικασία που ελέγχει αυτή την αιώρηση συμβαίνει στην κλίμακα της ανθρώπινης τρίχας. Πολλοί από τους πόρους είναι πραγματικά, πολύ μικροί, σαν λεπτά καλαμάκια που τυλίγονται όλα μαζί. Έτσι η επιφανειακή τάση κυριαρχεί πραγματικά", είπε η Kristen E Fauria , μεταπτυχιακός μαθητής στο UC Berkeley που ηγήθηκε της μελέτης, που δημοσιεύτηκε στο Earth and Planetary Science Letters.

Η ομάδα ανακάλυψε επίσης ότι μια μαθηματική σύνθεση γνωστή ως θεωρία διήθησης, η οποία εξηγεί πώς ένα υγρό εισέρχεται σε ένα πορώδες υλικό, εξηγεί τη διαδικασία παγίδευσης αερίων στην ελαφρόπετρα. Επιπλέον, η διάχυση αερίων - η οποία περιγράφει πώς τα μόρια αερίων αναζητούν περιοχές χαμηλότερης συγκέντρωσης - εξηγεί την τελική απώλεια αυτών των αερίων και τον λόγο που βυθίζονται οι πέτρες.

Ο Michael Manga, επιστήμονας στο Τμήμα Ενεργειακών Γεωεπιστημών του Berkeley Lab και καθηγητής στο Τμήμα Γης και Πλανητικής Επιστήμης στο UC Berkeley, είπε: «Υπάρχουν δύο διαφορετικές διαδικασίες: μία που αφήνει την ελαφρόπετρα να επιπλέει και μία που το κάνει να βυθίζεται».

Οι μελέτες ακτίνων Χ βοήθησαν στην ποσοτικοποίηση αυτών των διεργασιών για πρώτη φορά. Η μελέτη έδειξε ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, οι προηγούμενες εκτιμήσεις για το χρόνο επίπλευσης ήταν κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Το νερό περιβάλλει και παγιδεύει αέρια στην ελαφρόπετρα, σχηματίζοντας φυσαλίδες που κάνουν τις πέτρες να επιπλέουν. Η επιφανειακή τάση κρατά τις φυσαλίδες κλειδωμένες μέσα για παρατεταμένες περιόδους. Η ανατίναξη που παρατηρείται σε εργαστηριακά πειράματα οφείλεται στη διαστολή του παγιδευμένου αερίου κατά τη διάρκεια της ζέστης της ημέρας και στη συστολή όταν η θερμοκρασία πέφτει τη νύχτα.

Η εργασία ακτίνων Χ στο ALS, μαζί με μελέτες μικρών κομματιών ελαφρόπετρας που επιπλέουν στο νερό στο εργαστήριο του Manga στο UC Berkeley, βοήθησαν τους ερευνητές να αναπτύξουν μια φόρμουλα που προβλέπει πόσο καιρό μια ελαφρόπετρα θα επιπλέει συνήθως με βάση την Μέγεθος.

Η μελέτη προκάλεσε περισσότερα ερωτήματα, όπως πώς η ελαφρόπετρα, που εκτοξεύεται από βαθιά υποβρύχια ηφαίστεια, βρίσκει το δρόμο της προς την επιφάνεια. Οι ερευνητές διεξήγαγαν επίσης πειράματα ακτίνων Χ στο ALS για να μελετήσουν δείγματα από τη λεγόμενη «γιγαντιαία» ελαφρόπετρα που είχαν μήκος μεγαλύτερο από ένα μέτρο. Αυτή η πέτρα ανασύρθηκε από τον βυθό της θάλασσας στην περιοχή ενός ενεργού υποθαλάσσιου ηφαιστείου εκατοντάδες μίλια βόρεια της Νέας Ζηλανδίας, κατά τη διάρκεια μιας αποστολής του 2015 στην οποία συμμετείχαν η Fauria και η Manga.

Οι υποβρύχιες εκρήξεις ηφαιστείων δεν είναι τόσο εύκολο να εντοπιστούν όσο οι εκρήξεις στην ξηρά. Οι ελαφρόπετρες από τις υποβρύχιες εκρήξεις ηφαιστείων ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό σε μέγεθος, αλλά συνήθως μπορούν να είναι περίπου στο μέγεθος ενός μήλου, ενώ οι ελαφρόπετρες από ηφαίστεια στη στεριά τείνουν να είναι μικρότερες από μια μπάλα του γκολφ.

"Προσπαθούμε να καταλάβουμε πώς κατασκευάστηκε αυτός ο γιγάντιος βράχος ελαφρόπετρας", είπε ο Manga. "Δεν καταλαβαίνουμε καλά πώς λειτουργούν οι υποθαλάσσιες εκρήξεις. Αυτό το ηφαίστειο εξερράγη τελείως διαφορετικά από ό,τι υποθέσαμε. Ελπίζουμε ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το παράδειγμα για να κατανοήσουμε τη διαδικασία."

Η Fauria συμφώνησε ότι υπάρχουν πολλά να μάθει κανείς από τις μελέτες υποβρύχιων ηφαιστείων, προσθέτοντας ότι οι μελέτες ακτίνων Χ στο ALS θα διαδραματίσουν διαρκή ρόλο στο έργο της ομάδας της.

Βίντεο