A lebegő sziklák rejtélyének megfejtése

May 31, 2017 A tudósok felfedezték, hogyan úszhatnak a sziklák

Egyes sziklák évekig lebeghetnek a vízen, és mérföldes törmelékfoltokat képeznek, amelyek több ezer mérföldre sodródnak az óceán felszínén. A tudósok most rájöttek, hogyan teszik ezt, és miért süllyednek el végül.

Az Energiaügyi Minisztérium Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumának (Berkeley Lab) tudósai könnyű, üveges és porózus vulkáni kőzetek mintáinak szkennelésével oldották meg ezt a rejtélyt, amelyeket habkőként ismertek. Ezeket a röntgenkísérleteket a Berkeley Lab Advanced Light Source (ALS) nevű röntgensugárforrásában végezték, amely szinkrotronként ismert.

A kőzetek hosszú élettartamú felhajtóereje segíthet a tudósoknak felfedezni a víz alatti vulkánkitöréseket, és megérteni, hogy az úszó habkő miként szolgál a tengeri tápanyagban gazdag közegként, amely a fajokat elterjeszti az egész világon. Ezenkívül veszélyt jelent a csónakokra, mivel az őrölt habkő hamu keveréke eltömítheti a hajómotorokat.

Bár a tudósok tudták, hogy a habkő pórusaiban lévő gázzsebek lehetővé teszik a habkő lebegését, nem tudják, hogyan maradnak csapdában a gázok hosszabb ideig. A rejtély tovább mélyül, ha figyelembe vesszük, hogy a habkő pórusai nagyrészt nyitottak és össze vannak kötve, akár egy kidugaszolt palack. Érdekes módon megfigyelték, hogy néhány habkő a laboratóriumban este lesüllyed, napközben pedig felszínre kerül.

A kutatók az észak-kaliforniai Shasta-hegyhez közeli Medicine Lake vulkánból és a guatemalai Santa María vulkán közelében lévő, víznek kitett habkődarabokat vontak be. Ezután egy mikrotomográfia néven ismert röntgensugaras képalkotó technikával vizsgálták a víz és a gáz koncentrációját - mikronokban (ezredmilliméterben) mérve - előmelegített és szobahőmérsékletű habkő mintákban. Az eredményül kapott háromdimenziós képek olyan adatigényesek voltak, hogy kihívást jelentett a gáz- és vízkoncentráció gyors azonosítása a minták pórusaiban.

Ezt a problémát a Pekingi Egyetem látogató egyetemi kutatója, Zihan Wei oldotta meg egy olyan adatelemző szoftverrel, amely gépi tanulást is magában foglal, hogy automatikusan azonosítsa a képeken szereplő gáz és víz összetevőit. A kutatók felfedezték, hogy a habkőben található gázbefogó folyamatok a felületi feszültséggel, a vízfelszín és a felette lévő levegő közötti kémiai kölcsönhatással függenek össze, amely vékony bőrként működik.

"A lebegést irányító folyamat az emberi haj méreteiben megy végbe. A pórusok nagy része nagyon-nagyon kicsi, mint a vékony szívószálak, amelyek mind összetekerednek. Tehát a felületi feszültség dominál" - mondta Kristen E Fauria. , az UC Berkeley végzős hallgatója, aki a Föld and Planetary Science Letters-ben publikált tanulmányt vezette.

A csapat azt is megállapította, hogy a perkolációs elméletként ismert matematikai összetétel, amely megmagyarázza, hogyan jut be a folyadék a porózus anyagba, felelős a habkőben zajló gázbefogási folyamatért. Ezenkívül a gázdiffúzió – amely leírja, hogy a gázmolekulák hogyan keresik az alacsonyabb koncentrációjú területeket – megmagyarázza e gázok esetleges elvesztését és a kövek elsüllyedésének okát.

Michael Manga, a Berkeley Lab Energy Geosciences Division munkatársa és a Berkeley Egyetem Föld- és Bolygótudományi Tanszékének professzora elmondta: "Két különböző folyamat létezik: az egyik, amely lehetővé teszi a habkő lebegését, a másik pedig, amelyik elsüllyeszti."

A röntgenvizsgálatok először segítettek számszerűsíteni ezeket a folyamatokat. A tanulmány kimutatta, hogy egyes esetekben a flotációs időre vonatkozó korábbi becslések több nagyságrenddel eltértek. A víz körülveszi és felfogja a gázokat a habkőben, buborékokat képezve, amelyek lebegővé teszik a köveket. A felületi feszültség hosszú ideig bent tartja a buborékokat. A laboratóriumi kísérletekben megfigyelt ingadozás a hőségben felfogott gáz tágulásának, éjszaka pedig a hőmérséklet csökkenésekor bekövetkező összehúzódásának köszönhető.

Az ALS-ben végzett röntgenfelvételek, valamint a Manga UC Berkeley laboratóriumában a vízben lebegő kis habkődarabok vizsgálatai segítettek a kutatóknak egy olyan képlet kidolgozásában, amely megjósolja, mennyi ideig fog egy habkő jellemzően lebegni. méret.

A tanulmány több kérdést is felvetett, például, hogy a mély víz alatti vulkánokból kilökődő habkő hogyan jut el a felszínre. A kutatók röntgenkísérleteket is végeztek az ALS-ben, hogy úgynevezett "óriás" habkőből származó mintákat vizsgáljanak, amelyek egy méternél hosszabbak. Ezt a követ egy aktív víz alatti vulkán területén, Új-Zélandtól több száz mérföldre északra vették elő a tengerfenékből, egy 2015-ös expedíció során, amelyben Fauria és Manga is részt vett.

A víz alatti vulkánkitöréseket nem olyan könnyű nyomon követni, mint a szárazföldi kitöréseket. A víz alatti vulkánkitörésekből származó habkő mérete igen változatos, de általában egy alma méretűek lehetnek, míg a szárazföldi vulkánokból származó habkő általában kisebb, mint egy golflabda.

"Megpróbáljuk megérteni, hogyan készült ez az óriási habkő" - mondta Manga. "Nem értjük jól, hogyan működnek a tengeralattjáró-kitörések. Ez a vulkán teljesen másképp tört ki, mint ahogy azt feltételeztük. Reméljük, hogy ezt az egy példát felhasználhatjuk a folyamat megértésére."

Fauria egyetértett abban, hogy sokat lehet tanulni a víz alatti vulkánok tanulmányozásából, és hozzátette, hogy az ALS-ben végzett röntgenvizsgálatok folyamatos szerepet fognak játszani csapata munkájában.

Videó