Memecahkan misteri bebatuan terapung

May 31, 2017 Para ilmuwan telah menemukan bagaimana batu bisa mengapung

Beberapa batuan dapat mengapung di atas air selama bertahun-tahun, membentuk puing-puing sepanjang bermil-mil yang melayang ribuan mil di permukaan laut. Kini, para ilmuwan telah mengetahui bagaimana mereka melakukannya, dan mengapa mereka akhirnya tenggelam.

Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) Departemen Energi telah memecahkan misteri ini dengan memindai sampel batuan vulkanik ringan, kaca, dan berpori yang dikenal sebagai batu apung. Eksperimen sinar-X ini dilakukan di Lanjutan Light Source (ALS) Berkeley Lab, sumber sinar-X yang dikenal sebagai sinkrotron.

buoyancy yang berumur panjang dari batuan ini dapat membantu para ilmuwan menemukan letusan gunung berapi bawah laut dan memahami bagaimana batu apung yang mengapung berfungsi sebagai media pelayaran yang kaya nutrisi yang menyebarkan spesies ke seluruh dunia. Selain itu, hal ini juga membahayakan kapal, karena campuran abu dari batu apung dapat menyumbat mesin kapal.

Meskipun para ilmuwan telah mengetahui bahwa kantong gas di pori-pori batu apung memungkinkan batu apung mengapung, mereka tidak mengetahui bagaimana gas tersebut tetap terperangkap dalam waktu lama. Misteri ini semakin dalam ketika kita menganggap bahwa pori-pori batu apung sebagian besar terbuka dan terhubung, seperti botol yang tidak dibuka tutupnya. Menariknya, beberapa batu apung di laboratorium diamati tenggelam pada malam hari dan muncul ke permukaan pada siang hari.

Untuk penyelidikan mereka, para peneliti melapisi potongan batu apung yang terkena air yang diambil dari Gunung Berapi Medicine Lake dekat Gunung Shasta di California Utara dan Gunung Berapi Santa María di Guatemala. Kemudian, mereka menggunakan teknik pencitraan sinar-X yang dikenal sebagai mikrotomografi untuk mempelajari konsentrasi air dan gas – mengukurnya dalam mikron (seperseribu milimeter) – dalam sampel batu apung yang dipanaskan sebelumnya dan bersuhu ruangan. Gambar tiga dimensi yang dihasilkan sangat padat data sehingga sulit untuk mengidentifikasi dengan cepat konsentrasi gas dan air di pori-pori sampel.

Masalah ini dipecahkan oleh peneliti sarjana tamu dari Universitas Peking, Zihan Wei, menggunakan perangkat lunak analisis data yang menggabungkan pembelajaran mesin untuk secara otomatis mengidentifikasi komponen gas dan air dalam gambar. Para peneliti menemukan bahwa proses perangkap gas yang ditemukan pada batu apung berkaitan dengan tegangan permukaan, interaksi kimia antara permukaan air dan udara di atasnya yang bertindak seperti kulit tipis.

"Proses yang mengendalikan pengapungan ini terjadi pada skala rambut manusia. Banyak pori-pori yang sangat, sangat kecil, seperti sedotan tipis yang semuanya menyatu. Jadi tegangan permukaan sangat mendominasi," kata Kristen E Fauria , seorang mahasiswa pascasarjana UC Berkeley yang memimpin penelitian ini, yang diterbitkan di Earth and Planetary Science Letters.

Tim ini juga menemukan bahwa rumusan matematika yang dikenal sebagai teori perkolasi, yang menjelaskan bagaimana cairan memasuki bahan berpori, menjelaskan proses terperangkapnya gas dalam batu apung. Selain itu, difusi gas – yang menggambarkan bagaimana molekul gas mencari area dengan konsentrasi lebih rendah – menjelaskan hilangnya gas-gas tersebut dan alasan tenggelamnya batu tersebut.

Michael Manga, staf ilmuwan di Divisi Geosains Energi Lab Berkeley dan profesor di Departemen Ilmu Bumi dan Planet di UC Berkeley, mengatakan, "Ada dua proses yang berbeda: proses yang membuat batu apung mengapung dan proses yang membuat batu apung mengapung dan proses lainnya yang memungkinkan batu apung mengapung. membuatnya tenggelam."

Studi sinar X membantu mengukur proses ini untuk pertama kalinya. Studi tersebut menunjukkan bahwa dalam beberapa kasus, perkiraan waktu flotasi sebelumnya meleset beberapa kali lipat. Air mengelilingi dan memerangkap gas di dalam batu apung, membentuk gelembung yang membuat batu tersebut mengapung. Ketegangan permukaan membuat gelembung terkunci di dalam untuk waktu yang lama. Bobbing yang diamati dalam percobaan laboratorium disebabkan oleh pemuaian gas yang terperangkap selama panasnya siang hari, dan kontraksi ketika suhu turun di malam hari.

Pekerjaan sinar-X di ALS, bersama dengan penelitian terhadap potongan kecil batu apung yang mengapung di air di laboratorium Manga UC Berkeley, membantu para peneliti mengembangkan formula yang memprediksi berapa lama batu apung biasanya akan mengapung berdasarkan jaraknya. ukuran.

Studi ini memicu lebih banyak pertanyaan, seperti bagaimana batu apung, yang dikeluarkan dari gunung berapi bawah laut, bisa sampai ke permukaan. Para peneliti juga telah melakukan percobaan sinar-X di ALS untuk mempelajari sampel dari batu apung "raksasa" yang panjangnya lebih dari satu meter. Batu itu diambil dari dasar laut di area gunung berapi bawah laut yang aktif ratusan mil di utara Selandia Baru, selama ekspedisi tahun 2015 yang diikuti oleh Fauria dan Manga.

Letusan gunung api bawah laut tidak mudah dilacak dibandingkan letusan di darat. Batu apung yang berasal dari letusan gunung berapi bawah laut memiliki ukuran yang sangat bervariasi namun biasanya berukuran sebesar apel, sedangkan batu apung yang berasal dari gunung berapi di darat cenderung berukuran lebih kecil daripada bola golf.

"Kami mencoba memahami bagaimana batu apung raksasa ini dibuat," kata Manga. "Kami tidak memahami dengan baik cara kerja letusan kapal selam. Gunung berapi ini meletus sangat berbeda dari perkiraan kami. Harapan kami adalah kami dapat menggunakan satu contoh ini untuk memahami prosesnya."

Fauria setuju bahwa ada banyak hal yang dapat dipelajari dari studi gunung berapi bawah laut, dan menambahkan bahwa studi sinar-X di ALS akan memainkan peran berkelanjutan dalam pekerjaan timnya.

Video