떠다니는 암석의 미스터리를 풀다

May 31, 2017 과학자들은 암석이 어떻게 떠다니는지 발견했습니다.

일부 암석은 한 번에 몇 년 동안 물 위에 떠서 바다 수면 에서 수천 마일을 표류하는 수 마일 길이의 잔해 패치를 형성할 수 있습니다. 이제 과학자들은 그들이 어떻게 그렇게 하는지, 그리고 왜 결국에는 가라앉는지 알아냈습니다.

에너지부 산하 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)의 과학자들은 경석으로 알려진 가볍고 유리질이며 다공성인 화산암 샘플을 스캔하여 이 미스터리를 해결했습니다. 이러한 X선 실험은 싱크로트론으로 알려진 X선 소스인 버클리 연구소의 ALS(Advanced Light Source)에서 수행되었습니다.

이 암석의 오래 지속되는 부력은 과학자들이 수중 화산 폭발을 발견하고 떠다니는 부석이 어떻게 전 세계에 종을 퍼뜨리는 해양 영양이 풍부한 매체 역할을 하는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 분쇄된 부석의 재 혼합물이 선박 엔진을 막을 수 있으므로 보트에 위험합니다.

과학자들은 부석 구멍에 있는 가스 덩어리가 부석을 부유시킬 수 있다는 것을 알고 있지만, 가스가 어떻게 오랫동안 갇혀 있는지는 알지 못합니다. 부석의 모공이 마치 코르크를 뜯지 않은 병처럼 크게 열려 있고 연결되어 있다는 점을 생각하면 미스터리는 더욱 깊어집니다. 흥미롭게도 실험실의 일부 부석은 저녁에는 가라앉고 낮에는 수면 나타나는 것이 관찰되었습니다.

연구를 위해 연구자들은 북부 캘리포니아의 샤스타 산 근처 메디슨 호수 화산과 과테말라의 산타 마리아 화산에서 채취한 물에 노출된 경석 조각을 코팅했습니다. 그런 다음 그들은 마이크로단층촬영(microtomography)이라고 알려진 X선 영상 테크닉 사용하여 예열된 실온 경석 샘플 내에서 물과 가스의 농도를 미크론(1밀리미터의 수천분의 1밀리미터) 단위로 측정하여 연구했습니다. 결과적인 3차원 이미지는 데이터 집약적이어서 샘플 기공의 가스와 물 농도를 신속하게 식별하는 것이 어려웠습니다.

이 문제는 Peking University의 객원 학부 연구원인 Zihan Wei가 기계 학습을 통합하여 이미지에서 가스와 물의 구성 요소를 자동으로 식별하는 데이터 분석 소프트웨어 도구를 사용하여 해결되었습니다. 연구자들은 부석에서 발견되는 가스 포집 과정이 얇은 피부처럼 작용하는 수면 과 그 위의 공기 사이의 화학적 상호작용인 수면 장력과 관련이 있다는 것을 발견했습니다.

"이러한 부유를 제어하는 ​​과정은 인간의 머리카락 규모에서 발생합니다. 많은 모공은 얇은 빨대가 모두 함께 감겨져 있는 것처럼 매우 작습니다. 따라서 수면 장력이 실제로 지배적입니다."라고 Kristen E Fauria는 말했습니다. , 지구 및 행성 과학 편지에 게재된 연구를 주도한 UC Berkeley 대학원생.

또한 팀은 액체가 다공성 물질에 어떻게 들어가는지 설명하는 여과 이론으로 알려진 수학적 공식이 부석의 가스 포집 과정을 설명한다는 사실도 발견했습니다. 또한 가스 분자가 농도가 낮은 영역을 찾는 방법을 설명하는 가스 확산은 이러한 가스의 최종 손실과 돌이 가라앉는 이유를 설명합니다.

버클리 연구소 에너지 지구과학부 소속 과학자이자 UC 버클리 지구행성과학과 교수인 마이클 망가는 이렇게 말했습니다. "부석을 띄우는 과정과 부석을 띄우는 과정 두 가지가 있습니다. 가라앉게 만들어요."

X선 연구는 처음으로 이러한 과정을 정량화하는 데 도움이 되었습니다. 연구에 따르면 어떤 경우에는 부양 시간에 대한 이전 추정치가 몇 배나 차이가 나는 것으로 나타났습니다. 물은 부석의 가스를 둘러싸고 가두어 돌에 부력을 주는 거품을 형성합니다. 수면 장력으로 인해 기포가 장기간 내부에 고정됩니다. 실험실 실험에서 관찰되는 보빙 현상은 낮에 더위가 닥칠 때 갇혀 있는 가스가 팽창하고, 밤에 기온이 떨어지면 수축하기 때문입니다.

루게릭 대학(ALS)의 X-레이 연구는 망가의 UC 버클리 연구실에서 물에 떠 있는 작은 부석 조각에 대한 연구와 함께 연구자들이 부석이 일반적으로 얼마나 오래 떠있을지 예측하는 공식을 개발하는 데 도움이 되었습니다. 크기.

이 연구는 깊은 해저 화산에서 분출된 부석이 어떻게 수면 으로 올라오는가와 같은 더 많은 질문을 불러일으켰습니다. 연구자들은 또한 길이가 1미터 이상인 소위 "거대" 경석에서 채취한 샘플을 연구하기 위해 ALS에서 X선 ​​실험을 수행했습니다. 그 돌은 포리아와 망가가 참여한 2015년 탐험 중에 뉴질랜드 북쪽으로 수백 마일 떨어진 활화산 지역의 해저에서 회수되었습니다.

수중 화산 폭발은 육상 폭발만큼 추적하기가 쉽지 않습니다. 수중 화산 폭발로 인한 부석은 크기가 매우 다양하지만 일반적으로 사과 크기 정도인 반면, 육상 화산에서 발생한 부석은 골프 공보다 작은 경향이 있습니다.

"우리는 이 거대한 경석이 어떻게 만들어졌는지 이해하려고 노력하고 있습니다."라고 망가는 말했습니다. "우리는 잠수함 폭발이 어떻게 작동하는지 잘 이해하지 못합니다. 이 화산은 우리가 가정한 것과 완전히 다르게 폭발했습니다. 우리는 이 한 가지 예를 사용하여 과정을 이해할 수 있기를 바랍니다."

Fauria는 수중 화산 연구에서 배울 점이 많다는 데 동의했으며 ALS의 X선 연구가 팀 작업에서 지속적인 역할을 할 것이라고 덧붙였습니다.

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