حل معمای سنگ های شناور

May 31, 2017 دانشمندان کشف کرده اند که سنگ ها چگونه می توانند شناور شوند

برخی سنگ‌ها می‌توانند سال‌ها در یک زمان روی آب شناور باشند و تکه‌های زباله‌ای به طول مایل‌ها را تشکیل دهند که هزاران مایل روی سطح اقیانوس رانش می‌شوند. اکنون دانشمندان کشف کرده اند که چگونه این کار را انجام می دهند و چرا در نهایت غرق می شوند.

دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی (آزمایشگاه برکلی) این معما را با اسکن نمونه‌هایی از سنگ‌های آتشفشانی سبک، شیشه‌ای و متخلخل موسوم به سنگ پا حل کرده‌اند. این آزمایش های اشعه ایکس در منبع نور پیشرفته (ALS) آزمایشگاه برکلی انجام شد، یک منبع اشعه ایکس که به عنوان سینکروترون شناخته می شود.

قابلیت شناوری طولانی مدت این سنگ ها می تواند به دانشمندان کمک کند فوران های آتشفشانی زیر آب را کشف کنند و بفهمند که چگونه پوکه شناور به عنوان یک محیط غنی از مواد مغذی دریانوردی عمل می کند که گونه ها را در سراسر جهان پخش می کند. علاوه بر این، برای قایق ها خطرناک است، زیرا مخلوط خاکستری از سنگ پا می تواند موتور کشتی را مسدود کند.

در حالی که دانشمندان می‌دانستند که حفره‌های گاز در منافذ پوکه باعث شناور شدن پوکه می‌شوند، نمی‌دانند چگونه گازها برای مدت طولانی در دام می‌مانند. این راز زمانی عمیق تر می شود که در نظر بگیریم منافذ پوکه تا حد زیادی باز و متصل هستند، مانند یک بطری بدون چوب. جالب اینجاست که برخی از سنگ‌های پا در آزمایشگاه مشاهده شده است که در هنگام غروب غرق می‌شوند و در طول روز ظاهر می‌شوند.

برای تحقیقات خود، محققان تکه‌هایی از سنگ پا را که در معرض آب قرار گرفته بود از آتشفشان Medicine Lake در نزدیکی کوه Shasta در شمال کالیفرنیا و آتشفشان سانتا ماریا گواتمالا پوشش دادند. سپس، آنها از یک تکنیک تصویربرداری اشعه ایکس به نام میکروتوموگرافی برای مطالعه غلظت آب و گاز - با اندازه گیری میکرون (هزارم میلی متر) - در نمونه های پوکه از قبل گرم شده و دمای اتاق استفاده کردند. تصاویر سه بعدی به‌دست‌آمده به قدری فشرده بود که شناسایی سریع غلظت گاز و آب در منافذ نمونه‌ها یک چالش بود.

این مشکل توسط یک محقق مدعو از دانشگاه پکن، Zihan Wei، حل شد و از ابزار نرم افزاری تجزیه و تحلیل داده استفاده کرد که شامل یادگیری ماشینی برای شناسایی خودکار اجزای گاز و آب در تصاویر است. محققان کشف کردند که فرآیندهای به دام انداختن گاز موجود در سنگ‌های پا با کشش سطحی، یک برهمکنش شیمیایی بین سطح آب و هوای بالای آن که مانند یک پوست نازک عمل می‌کند، مرتبط است.

"فرآیندی که این شناور بودن را کنترل می کند در مقیاس موی انسان اتفاق می افتد. بسیاری از منافذ واقعا بسیار کوچک هستند، مانند نی های نازک که همه به هم پیچیده می شوند. بنابراین کشش سطحی واقعاً غالب است." ، یک دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه کالیفرنیا برکلی که این مطالعه را رهبری کرد که در Earth and Planetary Science Letters منتشر شد.

این تیم همچنین دریافتند که یک فرمول ریاضی به نام تئوری نفوذ، که توضیح می‌دهد چگونه یک مایع وارد یک ماده متخلخل می‌شود، فرآیند به دام انداختن گاز در سنگ پا را توضیح می‌دهد. علاوه بر این، انتشار گاز - که توضیح می دهد چگونه مولکول های گاز به دنبال مناطقی با غلظت پایین تر هستند - از دست دادن نهایی این گازها و دلیل غرق شدن سنگ ها را توضیح می دهد.

مایکل مانگا، دانشمند کارکنان بخش علوم زمین انرژی آزمایشگاه برکلی و پروفسور دپارتمان علوم زمین و سیاره‌شناسی در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، می‌گوید: «دو فرآیند متفاوت وجود دارد: یکی که به پوکه شناور می‌شود و دیگری آن را غرق می کند.»

مطالعات اشعه ایکس برای اولین بار به تعیین کمیت این فرآیندها کمک کرد. این مطالعه نشان داد که در برخی موارد، تخمین‌های قبلی برای زمان شناورسازی با چندین مرتبه بزرگی کاهش یافته است. آب اطراف آن را احاطه کرده و گازها را در پوکه به دام می اندازد و حباب هایی را تشکیل می دهد که باعث شناور شدن سنگ ها می شود. کشش سطحی حباب ها را برای مدت طولانی در داخل قفل نگه می دارد. انفجار مشاهده شده در آزمایشات آزمایشگاهی به دلیل انبساط گاز محبوس شده در طول گرمای روز و انقباض هنگام کاهش دما در شب است.

کار اشعه ایکس در ALS، همراه با مطالعات بر روی قطعات کوچک پوکه شناور در آب در آزمایشگاه Manga UC Berkeley، به محققان کمک کرد تا فرمولی را ایجاد کنند که پیش‌بینی می‌کند یک سنگ پا معمولاً چه مدت بر اساس آن شناور است. اندازه.

این مطالعه سوالات بیشتری را برانگیخت، مانند اینکه چگونه سنگ پا که از آتشفشان های عمیق زیر آب پرتاب می شود، راه خود را به سطح پیدا می کند. محققان همچنین آزمایش‌های اشعه ایکس را در ALS انجام داده‌اند تا نمونه‌هایی را از سنگ پا به اصطلاح «غول‌پیکر» با طول بیش از یک متر مطالعه کنند. این سنگ از بستر دریا در منطقه یک آتشفشان فعال زیر آب در صدها مایل شمال نیوزیلند، طی یک سفر اکتشافی در سال 2015 که Fauria و Manga در آن شرکت داشتند، بازیابی شد.

ردیابی فوران آتشفشان های زیر آب به آسانی فوران های روی زمین نیست. سنگ‌های پوکه ناشی از فوران‌های آتشفشانی زیر آب، از نظر اندازه بسیار متفاوت هستند، اما معمولاً می‌توانند به اندازه یک سیب باشند، در حالی که سنگ‌های پا از آتشفشان‌های روی خشکی کوچک‌تر از یک توپ گلف هستند.

مانگا گفت: «ما در تلاشیم تا بفهمیم این سنگ سنگ غول پیکر چگونه ساخته شده است. ما به خوبی نمی‌دانیم فوران‌های زیردریایی چگونه کار می‌کنند. این آتشفشان کاملاً متفاوت از آنچه ما فرض می‌کردیم فوران کرد. امید ما این است که بتوانیم از این مثال برای درک فرآیند استفاده کنیم.»

فاوریا موافقت کرد که از مطالعات آتشفشان های زیر آب چیزهای زیادی برای آموختن وجود دارد و افزود که مطالعات اشعه ایکس در ALS نقش مداومی در کار تیم او خواهد داشت.

ویدئو