פתרון תעלומת הסלעים הצפים

May 31, 2017 מדענים גילו כיצד סלעים יכולים לצוף

כמה סלעים יכולים לצוף על המים במשך שנים בכל פעם, וליצור כתמי פסולת באורך קילומטרים שנסחפים אלפי קילומטרים על מעל לפני המים האוקיינוס. כעת, מדענים גילו כיצד הם עושים זאת, ומדוע הם שוקעים בסופו של דבר.

מדענים במעבדה הלאומית לורנס ברקלי של משרד האנרגיה (מעבדת ברקלי) פתרו את התעלומה הזו על ידי סריקת דגימות של סלעים געשיים קלים, זכוכיתיים ונקבוביים הידועים כאבני ספוג. ניסויי רנטגן אלו נערכו במקור האור המתקדם של מעבדת ברקלי (ALS), מקור קרני רנטגן המכונה סינכרוטרון.

הציפה ארוכת החיים של הסלעים הללו יכולה לעזור למדענים לגלות התפרצויות של הר געש תת-מימי ולהבין כיצד הפומיס הצף משמש כתווך עשיר בחומרי תזונה ימיים המפיץ מינים ברחבי העולם. בנוסף, זה מהווה סכנה לסירות, מכיוון שהתערובת האפררית של פומיס טחון עלולה לסתום את מנועי הספינה.

בעוד שמדענים ידעו שכיסי גז בנקבוביות הפומיס מאפשרים לספוג לצוף, הם לא יודעים כיצד הגזים נשארים כלואים לתקופות ממושכות. התעלומה מעמיקה כשחושבים על כך שנקבוביות הפומיס פתוחות ומחוברות במידה רבה, כמו בקבוק לא פקק. מעניין לציין שכמה אבני ספוג במעבדה שוקעות במהלך הערב ועולות מעל לפני המים במהלך היום.

לחקירתם, החוקרים ציפו פיסות פומיס חשוף למים שנלקחו מהר הגעש Medicine Lake ליד הר שאסטה בצפון קליפורניה והר הגעש סנטה מריה בגואטמלה. לאחר מכן, הם השתמשו בטכניקת הדמיית רנטגן המכונה מיקרוטומוגרפיה כדי לחקור את ריכוזי המים והגז - מדידת אותם במיקרונים (אלפיות המילימטר) - בתוך דגימות פומיס מחוממות מראש וטמפרטורת החדר. התמונות התלת מימדיות שהתקבלו היו עתירות נתונים עד כדי אתגר לזהות במהירות את ריכוזי הגז והמים בנקבוביות הדגימות.

בעיה זו נפתרה על ידי חוקר אורח לתואר ראשון מאוניברסיטת פקין, Zihan Wei, השתמש בכלי תוכנה לניתוח נתונים המשלב למידת מכונה כדי לזהות אוטומטית את מרכיבי הגז והמים בתמונות. החוקרים גילו כי תהליכי לכידת הגז שנמצאו באבני הספוג קשורים למתח מעל לפני המים , אינטראקציה כימית בין מעל לפני המים המים לאוויר שמעליו שפועל כמו עור דק.

"התהליך השולט על הציפה הזו מתרחש בקנה מידה של שיער אנושי. הרבה מהנקבוביות ממש ממש קטנות, כמו קשיות דקות שכולן מתפתלות יחד. אז מתח מעל לפני המים באמת שולט", אמרה קריסטן אי פאוריה , סטודנט לתואר שני באוניברסיטת ברקלי שהוביל את המחקר, שפורסם ב- Earth and Planetary Science Letters.

הצוות מצא גם כי ניסוח מתמטי המכונה תיאוריית חלחול, המסביר כיצד נוזל חודר לחומר נקבובי, אחראי לתהליך לכידת הגז בפמיס. בנוסף, דיפוזיה של גזים - המתארת ​​כיצד מולקולות גז מחפשות אזורים בריכוז נמוך יותר - מסבירה את האובדן בסופו של דבר של גזים אלו ואת הסיבה לכך שהאבנים שוקעות.

מייקל מנגה, מדען צוות בחטיבת מדעי האנרגיה הגיאוגרפית של מעבדת ברקלי ופרופסור במחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת באוניברסיטת ברקלי, אמר, "יש שני תהליכים שונים: אחד שמאפשר לפמיס לצוף ואחד גורם לזה לשקוע."

מחקרי רנטגן עזרו לכמת תהליכים אלו לראשונה. המחקר הראה שבמקרים מסוימים, ההערכות הקודמות לגבי זמן ההנפה היו מופרעות במספר סדרי גודל. המים מקיפים ולוכדים גזים בפמיס, ויוצרים בועות שגורמות לאבנים לצוף. מתח מעל לפני המים שומר על הבועות נעולות בפנים לתקופות ממושכות. הנדנוד שנצפה בניסויי מעבדה נובע מהתפשטות הגז הכלוא במהלך חום היום, ומההתכווצות כאשר הטמפרטורה יורדת בלילה.

עבודת הרנטגן ב-ALS, יחד עם מחקרים של חתיכות קטנות של ספוג צפות במים במעבדת UC Berkeley של מנגה, עזרו לחוקרים לפתח נוסחה שחוזה כמה זמן אבן ספוג תצוף בדרך כלל על סמך גודל.

המחקר עורר שאלות נוספות, כמו כיצד פומיס, שנפלט מהרי געש מתחת למים עמוקים, מוצא את דרכו אל מעל לפני המים. החוקרים ערכו גם ניסויי רנטגן ב-ALS כדי לחקור דגימות ממה שמכונה פומיס "ענק" שאורכם היה יותר ממטר. האבן הזו הוחזרה מקרקעית הים באזור של הר געש תת-ימי פעיל מאות קילומטרים צפונית לניו זילנד, במהלך משלחת ב-2015 בה השתתפו פאוריה ומנגה.

התפרצויות של הר געש תת-מימי אינן קלות למעקב כמו התפרצויות ביבשה. אבני ספוג מהתפרצויות הר געש מתחת למים משתנות מאוד בגודלן, אך יכולות להיות בדרך כלל בגודל של תפוח, בעוד שאבני ספוג מהרי געש ביבשה נוטות להיות קטנות יותר מכדור גולף.

"אנחנו מנסים להבין איך נוצר סלע הספוג הענק הזה", אמר מנגה. "אנחנו לא מבינים היטב איך פועלות התפרצויות צוללות. הר הגעש הזה התפרץ אחרת לגמרי ממה ששיערנו. התקווה שלנו היא שנוכל להשתמש בדוגמה האחת הזו כדי להבין את התהליך".

פאוריה הסכימה שיש הרבה מה ללמוד ממחקרי הר געש תת-מימיים, והוסיפה שמחקרי רנטגן ב-ALS ישחקו תפקיד מתמשך בעבודת הצוות שלה.

סרטון