Risolvere il mistero delle rocce galleggianti

May 31, 2017 Gli scienziati hanno scoperto come le rocce possono galleggiare.

Alcune rocce possono galleggiare sull'acqua per anni, formando chiazze di detriti lunghe chilometri che vanno alla deriva per migliaia di chilometri sulla superficie dell'oceano. Ora gli scienziati hanno scoperto come ci riescono e perché alla fine affondano.

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno risolto questo mistero analizzando campioni di rocce vulcaniche leggere, vetrose e porose, note come pietre pomice. Gli esperimenti ai raggi X sono stati condotti presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, una sorgente di raggi X nota come sincrotrone.

La galleggiabilità di lunga durata di queste rocce può aiutare gli scienziati a scoprire le eruzioni vulcaniche sottomarine e a capire come la pomice galleggiante funga da mezzo marino ricco di nutrienti che diffonde le specie in tutto il mondo. Inoltre, rappresenta un pericolo per le imbarcazioni, poiché la miscela di pomice macinata può intasare i motori delle navi.

Sebbene gli scienziati sappiano che le sacche di gas nei pori della pomice permettono a quest'ultima di galleggiare, non sanno come i gas rimangano intrappolati per periodi prolungati. Il mistero si infittisce se si considera che i pori della pomice sono in gran parte aperti e collegati, come una bottiglia stappata. È interessante notare che alcune pietre di pomice in laboratorio sono state osservate affondare durante la sera e risalire in superficie durante il giorno.

Per la loro indagine, i ricercatori hanno rivestito pezzi di pomice esposti all'acqua prelevati dal vulcano Medicine Lake, vicino al Monte Shasta nella California settentrionale, e dal vulcano Santa María del Guatemala. Poi hanno utilizzato una tecnica di imaging a raggi X nota come microtomografia per studiare le concentrazioni di acqua e gas - misurandole in micron (millesimi di millimetro) - all'interno dei campioni di pomice preriscaldati e a temperatura ambiente. Le immagini tridimensionali che ne risultavano erano così ricche di dati che era una sfida identificare rapidamente le concentrazioni di gas e acqua nei pori dei campioni.

Questo problema è stato risolto da un ricercatore universitario in visita all'Università di Pechino, Zihan Wei, che ha utilizzato uno strumento software di analisi dei dati che incorpora l'apprendimento automatico per identificare automaticamente i componenti di gas e acqua nelle immagini. I ricercatori hanno scoperto che i processi di intrappolamento dei gas riscontrati nelle pietre pomice sono legati alla tensione superficiale, un'interazione chimica tra la superficie dell'acqua e l'aria sovrastante che agisce come una sottile pelle.

"Il processo che controlla questo galleggiamento avviene su scala di un capello umano. Molti dei pori sono davvero molto piccoli, come sottili cannucce avvolte insieme. Quindi la tensione superficiale domina davvero", ha dichiarato Kristen E Fauria, una studentessa laureata dell'UC Berkeley che ha guidato lo studio, pubblicato su Earth and Planetary Science Letters.

Il team ha anche scoperto che una formulazione matematica nota come teoria della percolazione, che spiega come un liquido entra in un materiale poroso, spiega il processo di intrappolamento dei gas nella pomice. Inoltre, la diffusione dei gas - che descrive come le molecole di gas cerchino aree a minore concentrazione - spiega la perdita finale di questi gas e il motivo per cui le pietre affondano.

Michael Manga, scienziato presso la Energy Geosciences Division del Berkeley Lab e professore presso il Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie della UC Berkeley, ha dichiarato: "Ci sono due processi diversi: uno che permette alla pomice di galleggiare e uno che la fa affondare".

Gli studi ai raggi X hanno aiutato a quantificare questi processi per la prima volta. Lo studio ha dimostrato che in alcuni casi le precedenti stime sul tempo di galleggiamento erano sbagliate di diversi ordini di grandezza. L'acqua circonda e intrappola i gas nella pomice, formando bolle che rendono le pietre galleggianti. La tensione superficiale mantiene le bolle bloccate all'interno per periodi prolungati. Il galleggiamento osservato negli esperimenti di laboratorio è dovuto all'espansione del gas intrappolato durante il calore del giorno e alla contrazione quando la temperatura scende di notte.

Il lavoro ai raggi X presso l'ALS, insieme agli studi su piccoli pezzi di pomice che galleggiano nell'acqua nel laboratorio di Manga alla UC Berkeley, ha aiutato i ricercatori a sviluppare una formula che prevede quanto a lungo una pietra pomice galleggerà in base alle sue dimensioni.

Lo studio ha suscitato altre domande, come ad esempio come la pomice, espulsa da vulcani sottomarini profondi, riesca a raggiungere la superficie. I ricercatori hanno anche condotto esperimenti a raggi X presso l'ALS per studiare campioni di pomice cosiddetta "gigante" che misuravano più di un metro di lunghezza. Questa pietra è stata recuperata dal fondale marino nell'area di un vulcano sottomarino attivo a centinaia di chilometri a nord della Nuova Zelanda, durante una spedizione del 2015 a cui hanno partecipato Fauria e Manga.

Le eruzioni vulcaniche sottomarine non sono facili da rintracciare come le eruzioni sulla terraferma. Le pietre di pomice provenienti da eruzioni vulcaniche sottomarine variano molto in termini di dimensioni, ma in genere sono grandi come una mela, mentre le pietre di pomice provenienti da vulcani terrestri tendono a essere più piccole di una pallina da golf.

"Stiamo cercando di capire come si sia formata questa gigantesca pietra pomice", ha detto Manga. "Non capiamo bene come funzionano le eruzioni sottomarine. Questo vulcano ha eruttato in modo completamente diverso da quello che avevamo ipotizzato. La nostra speranza è di poter utilizzare questo esempio per capire il processo".

Fauria concorda sul fatto che c'è molto da imparare dagli studi sui vulcani sottomarini, aggiungendo che gli studi sui raggi X all'ALS avranno un ruolo costante nel lavoro del suo team.

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