浮き石の謎を解く

May 31, 2017 科学者たちは、岩石がどのようにして浮くことができるかを発見した
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岩石の中には、何年にもわたって水に浮き、海面を何千キロも漂う瓦礫の塊を形成するものがある。

エネルギー省ローレンス・バークレー国立研究所（バークレーラボ）の科学者たちは、軽石として知られる軽量でガラス質の多孔質火山岩のサンプルをスキャンすることで、この謎を解明した。これらのX線実験は、バークレー研究所のシンクロトロンとして知られるX線源、アドバンスト・ライト・ソース（ALS）で行われた。

これらの岩石の長寿命な浮力は、科学者が海底火山の噴火を発見したり、浮遊する軽石が海上の栄養豊富な培地として機能し、世界中に種を拡散させていることを理解するのに役立つ。

また、軽石が粉砕された灰のような混合物は船のエンジンを詰まらせる可能性があるため、船にとっては危険である。

科学者たちは、軽石の気孔の中にあるガスのポケットが軽石を浮遊させることは知っているが、ガスがどのようにして長期間閉じ込められたままなのかは分かっていない。軽石の気孔が、栓を抜いた瓶のように、大きく開いてつながっていることを考えると、謎は深まる。 興味深いことに、研究室の軽石の中には、夕方になると沈み、昼間になると浮き上がってくるものがある。

研究者たちは、北カリフォルニアのシャスタ山近くのメディスン・レイク火山とグアテマラのサンタ・マリア火山から採取した水にさらされた軽石のかけらを、調査のためにコーティングした。 そして、マイクロトモグラフィーとして知られるX線画像技術を使い、予熱した軽石サンプルと室温の軽石サンプルの中の水とガスの濃度をミクロン（1000分の1ミリ）単位で測定した。 その結果得られた3次元画像は非常にデータ量が多く、試料の細孔内のガスと水の濃度を迅速に特定することが課題であった。

この問題を解決したのは、北京大学の客員学部生研究員であるZihan Wei氏で、機械学習を組み込んだデータ解析ソフトウェアツールを使って、画像中のガスと水の成分を自動的に特定した。 研究者たちは、軽石に見られるガスを閉じ込めるプロセスが表面張力に関係していることを発見した。表面張力とは、水の表面とその上の空気の間の化学的相互作用のことで、薄い皮のような働きをする。

「この浮遊を制御しているプロセスは、人間の髪の毛のスケールで起こっている。気孔の多くは本当に本当に小さく、細いストローがすべて一緒に巻かれているようなものだ。と、この研究を率いたカリフォルニア大学バークレー校の大学院生Kristen E Fauria氏は語った。

研究チームはまた、パーコレーション理論として知られる数学的定式化（液体がどのように多孔質物質に入り込むかを説明する理論）が、軽石のガス捕捉プロセスを説明することも発見した。

また、気体拡散（気体分子がより濃度の低い場所を探すことを説明する理論）は、これらの気体の最終的な損失と石が沈む理由を説明する。

バークレー研究所のエネルギー地球科学部門のスタッフ科学者であり、カリフォルニア大学バークレー校の地球惑星科学科の教授であるマイケル・マンガ氏は、「軽石を浮かせるプロセスと沈ませるプロセスの2つがある」と述べた。

X線研究は、これらのプロセスを初めて定量化するのに役立った。

このX線研究は、これらのプロセスを初めて定量化するのに役立った。この研究によって、いくつかのケースでは、浮遊時間に関するこれまでの推定が数桁ずれていることが示された。 水は軽石を取り囲んで気体を閉じ込め、気泡を形成して石に浮力を与える。表面張力によって、気泡は長時間内部に閉じ込められる。実験室で観測されたボビングは、昼間の暑い時間帯に閉じ込められたガスが膨張し、夜になって気温が下がると収縮することによる。

ALSでのX線実験と、UCバークレー校のManga教授の研究室での水に浮く小さな軽石の研究により、研究者らは軽石がその大きさに基づいて通常どのくらい浮くかを予測する公式を開発した。

この研究は、深海火山から噴出した軽石がどのようにして地表に到達するのか、といったさらなる疑問を引き起こした。研究者たちはまた、長さ1メートル以上のいわゆる「巨大」軽石のサンプルを研究するために、ALSでX線実験を行った。 この石は、フォーリアとマンガが参加した2015年の探検で、ニュージーランドの北数百マイルにある活火山の海底から回収されたものだ。

海底火山の噴火は、陸上の噴火ほど追跡が容易ではない。海底火山の噴火でできた軽石の大きさはさまざまだが、一般的にはリンゴほどの大きさになる。

「我々はこの巨大な軽石がどのようにして作られたかを理解しようとしている。「海底噴火の仕組みはよく分かっていない。この火山は我々の仮説とは全く違う噴火をした。私たちの望みは、この一例を使ってそのプロセスを理解することです」。

フォーリアは、海底火山の研究から学ぶことは多いと同意し、ALSでのX線研究が彼女のチームの研究で継続的な役割を果たすだろうと付け加えた。

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