Rješavanje misterija plutajućeg kamenja

May 31, 2017 Znanstvenici su otkrili kako kamenje može plutati

Neko kamenje može plutati na vodi godinama, tvoreći kilometrima duge krhotine koje plutaju tisućama milja na površini oceana. Sada su znanstvenici otkrili kako to rade i zašto na kraju tonu.

Znanstvenici iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley Ministarstva energetike (Berkeley Lab) riješili su ovu misteriju skeniranjem uzoraka laganih, staklastih i poroznih vulkanskih stijena poznatih kao kamenje plovućac. Ovi eksperimenti s rendgenskim zrakama provedeni su u naprednom izvoru svjetlosti Berkeley Lab (ALS), izvoru rendgenskih zraka poznatom kao sinkrotron.

Dugotrajna plovnost ovih stijena može pomoći znanstvenicima da otkriju podvodne vulkanske erupcije i razumiju kako plutajući plovućac služi kao medij bogat hranjivim tvarima za moreplovce koji širi vrste diljem svijeta. Osim toga, to je opasnost za brodove, jer pepeljasta mješavina mljevenog plovućca može začepiti brodske motore.

Iako su znanstvenici znali da džepovi plina u porama plovućca omogućuju plovućcu da pluta, ne znaju kako plinovi ostaju zarobljeni dulje vrijeme. Misterij se produbljuje kada se uzme u obzir da su pore plovućca uglavnom otvorene i povezane, poput odčepljene boce. Zanimljivo je da je u laboratoriju uočeno da neki kameni plovućac tonu tijekom večeri i izranjaju na površinu tijekom dana.

Za svoje istraživanje, istraživači su premazali komadiće vode izložene plovućca uzete iz vulkana Medicine Lake u blizini planine Shasta u sjevernoj Kaliforniji i vulkana Santa María u Gvatemali. Zatim su koristili tehniku ​​snimanja rendgenskim zrakama poznatu kao mikrotomografija za proučavanje koncentracije vode i plina – mjereći ih u mikronima (tisućinke milimetra) – unutar prethodno zagrijanih uzoraka plovućca na sobnoj temperaturi. Dobivene trodimenzionalne slike bile su toliko intenzivne da je bio izazov brzo identificirati koncentracije plina i vode u porama uzoraka.

Ovaj problem riješio je gostujući dodiplomski istraživač sa Sveučilišta u Pekingu, Zihan Wei, koji je koristio softverski alat za analizu podataka koji uključuje strojno učenje za automatsku identifikaciju komponenti plina i vode na slikama. Istraživači su otkrili da su procesi hvatanja plinova pronađeni u kamenju plovućca povezani s površinskom napetosti, kemijskom interakcijom između površine vode i zraka iznad nje koja djeluje poput tanke kože.

"Proces koji kontrolira ovo plutanje događa se na razini ljudske kose. Mnoge su pore stvarno, jako male, poput tankih slamki koje su sve zajedno smotane. Tako da površinska napetost stvarno dominira", rekla je Kristen E Fauria , student diplomskog studija UC Berkeley koji je vodio studiju, objavljenu u Earth and Planetary Science Letters.

Tim je također otkrio da matematička formulacija poznata kao teorija perkolacije, koja objašnjava kako tekućina ulazi u porozni materijal, objašnjava proces hvatanja plina u plovućcu. Osim toga, difuzija plina - koja opisuje kako molekule plina traže područja niže koncentracije - objašnjava konačni gubitak tih plinova i razlog zašto kamenje tone.

Michael Manga, zaposlenik znanstvenika u Odjelu za energetske geoznanosti laboratorija Berkeley i profesor na Odsjeku za znanost o Zemlji i planetu na UC Berkeley, rekao je: "Postoje dva različita procesa: jedan koji omogućuje plovućcu da pluta i jedan koji čini da tone."

Rentgenske studije pomogle su u kvantificiranju ovih procesa po prvi put. Studija je pokazala da su u nekim slučajevima prethodne procjene vremena flotacije bile pogrešne za nekoliko redova veličine. Voda okružuje i hvata plinove u plovućcu, stvarajući mjehuriće koji čine kamenje plutajućim. Površinska napetost drži mjehuriće zaključane unutra dulje vrijeme. Pomicanje uočeno u laboratorijskim eksperimentima nastaje zbog širenja zarobljenog plina tijekom dnevne vrućine i skupljanja kada temperatura padne noću.

Rad na rendgenskim zrakama na ALS-u, zajedno sa studijama malih komada plovućca koji plutaju u vodi u Manginom laboratoriju UC Berkeley, pomogao je istraživačima da razviju formulu koja predviđa koliko dugo će plovućac obično plutati na temelju njegove veličina.

Studija je pokrenula više pitanja, poput toga kako plovućac, izbačen iz duboko podvodnih vulkana, pronalazi put do površine. Istraživači su također proveli eksperimente s rendgenskim zrakama u ALS-u kako bi proučili uzorke takozvanog "divovskog" plovućca koji su bili dulji od jednog metra. Taj je kamen izvađen s morskog dna u području aktivnog podvodnog vulkana stotinama milja sjeverno od Novog Zelanda, tijekom ekspedicije 2015. u kojoj su sudjelovali Fauria i Manga.

Podvodne erupcije vulkana nije lako ući u trag kao erupcije na kopnu. Plovućac iz podvodnih vulkanskih erupcija jako varira u veličini, ali obično može biti veličine jabuke, dok je plovućac iz vulkana na kopnu obično manji od loptice za golf.

"Pokušavamo shvatiti kako je nastala ova ogromna stijena plovućac", rekao je Manga. "Ne razumijemo dobro kako funkcioniraju podmorske erupcije. Ovaj je vulkan eruptirao potpuno drugačije nego što smo pretpostavili. Nadamo se da možemo upotrijebiti ovaj jedan primjer za razumijevanje procesa."

Fauria se složila da se može mnogo naučiti iz studija podvodnih vulkana, dodajući da će studije X-zraka na ALS-u igrati stalnu ulogu u radu njezina tima.

Videozapis