© A cube-shaped sample of pumice (blue-gray) and pockets of trapped gases (other colors) - see also Video (link at end of text)
(c) Berkeley Lab, UC Berkeley
© Concentrations of liquid and gas in samples of pumice stones are labeled in these images, produced by X-ray microtomography at Berkeley Lab’s Advanced Light Source.
(c) UC Berkeley, Berkeley Lab
© In this 2006 satellite image, a large "raft" of floating pumice stones (beige) appears following a volcanic eruption in the Tonga Islands.
(c) Jesse Alan/NASA Earth Observatory, Goddard Space Flight Center
Resolver el misterio de las rocas flotantes
May 31, 2017
Los científicos han descubierto cómo pueden flotar las rocas
Algunas rocas pueden flotar en el agua durante años, formando manchas kilométricas de escombros a la deriva durante miles de kilómetros en la superficie del océano. Ahora, los científicos han descubierto cómo lo hacen y por qué acaban hundiéndose.
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía han resuelto este misterio escaneando muestras de rocas volcánicas ligeras, vidriosas y porosas conocidas como piedras pómez. Estos experimentos con rayos X se realizaron en la Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Laboratorio de Berkeley, una fuente de rayos X conocida como sincrotrón.
La flotabilidad de larga duración de estas rocas puede ayudar a los científicos a descubrir erupciones volcánicas submarinas y a comprender cómo la piedra pómez flotante sirve de medio marino rico en nutrientes que propaga especies por todo el mundo. Además, es un peligro para las embarcaciones, ya que la mezcla cenicienta de la piedra pómez molida puede obstruir los motores de los barcos.
Aunque los científicos saben que las bolsas de gas en los poros de la piedra pómez permiten que ésta flote, no saben cómo permanecen atrapados los gases durante periodos prolongados. El misterio se profundiza si se tiene en cuenta que los poros de la piedra pómez están en gran parte abiertos y conectados, como una botella descorchada.
Curiosamente, se ha observado que algunas piedras pómez del laboratorio se hunden durante la noche y salen a la superficie durante el día.
Para su investigación, los investigadores recubrieron trozos de piedra pómez expuesta al agua tomados del volcán Medicine Lake, cerca del monte Shasta, en el norte de California, y del volcán Santa María de Guatemala.
A continuación, utilizaron una técnica de obtención de imágenes de rayos X conocida como microtomografía para estudiar las concentraciones de agua y gas -midiéndolas en micras (milésimas de milímetro)- dentro de muestras de piedra pómez precalentadas y a temperatura ambiente.
Las imágenes tridimensionales resultantes requerían tantos datos que era un reto identificar rápidamente las concentraciones de gas y agua en los poros de las muestras.
Este problema fue resuelto por un investigador visitante de la Universidad de Pekín, Zihan Wei, que utilizó una herramienta de software de análisis de datos que incorpora aprendizaje automático para identificar automáticamente los componentes de gas y agua en las imágenes.
Los investigadores descubrieron que los procesos de captura de gas hallados en las piedras pómez están relacionados con la tensión superficial, una interacción química entre la superficie del agua y el aire que hay sobre ella que actúa como una fina piel.
"El proceso que controla esta flotación ocurre a escala del cabello humano. Muchos de los poros son muy, muy pequeños, como pajitas finas enrolladas todas juntas. Así que la tensión superficial domina realmente", dijo Kristen E Fauria, estudiante de postgrado de la UC Berkeley que dirigió el estudio, publicado en Earth and Planetary Science Letters.
El equipo también descubrió que una formulación matemática conocida como teoría de la percolación, que explica cómo un líquido penetra en un material poroso, explica el proceso de captura de gas en la piedra pómez. Además, la difusión de gases -que describe cómo las moléculas de gas buscan zonas de menor concentración- explica la pérdida final de estos gases y la razón por la que las piedras se hunden.
Michael Manga, científico de la División de Geociencias de la Energía del Laboratorio de Berkeley y profesor del Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra de la UC Berkeley, dijo: "Hay dos procesos diferentes: uno que permite que la piedra pómez flote y otro que hace que se hunda."
Los estudios con rayos X ayudaron a cuantificar estos procesos por primera vez. El estudio demostró que, en algunos casos, las estimaciones anteriores del tiempo de flotación estaban desviadas en varios órdenes de magnitud.
El agua rodea y atrapa los gases de la piedra pómez, formando burbujas que hacen que las piedras floten. La tensión superficial mantiene las burbujas encerradas durante periodos prolongados. El balanceo observado en los experimentos de laboratorio se debe a la expansión del gas atrapado durante el calor del día, y a la contracción cuando baja la temperatura por la noche.
El trabajo con rayos X en el ALS, junto con estudios de pequeños trozos de piedra pómez flotando en agua en el laboratorio de Manga en la UC Berkeley, ayudó a los investigadores a desarrollar una fórmula que predice cuánto tiempo flotará normalmente una piedra pómez en función de su tamaño.
El estudio suscitó más preguntas, como por ejemplo cómo la piedra pómez, expulsada de volcanes submarinos profundos, encuentra su camino hacia la superficie. Los investigadores también han realizado experimentos con rayos X en el ALS para estudiar muestras de la llamada piedra pómez "gigante" que medía más de un metro de largo.
Esa piedra se recuperó del lecho marino en la zona de un volcán submarino activo a cientos de kilómetros al norte de Nueva Zelanda, durante una expedición de 2015 en la que participaron Fauria y Manga.
Las erupciones de los volcanes submarinos no son tan fáciles de localizar como las erupciones en tierra. Las piedras pómez de las erupciones de volcanes submarinos varían mucho en tamaño, pero normalmente pueden tener el tamaño de una manzana, mientras que las piedras pómez de los volcanes en tierra suelen ser más pequeñas que una pelota de golf.
"Intentamos comprender cómo se formó esta roca pómez gigante", dijo Manga. "No entendemos bien cómo funcionan las erupciones submarinas. Este volcán entró en erupción de forma completamente distinta a lo que habíamos supuesto. Nuestra esperanza es que podamos utilizar este único ejemplo para comprender el proceso".
Fauria estuvo de acuerdo en que hay mucho que aprender de los estudios de volcanes submarinos, y añadió que los estudios de rayos X en el ALS desempeñarán un papel continuo en el trabajo de su equipo.
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