Het mysterie van zwevende stenen oplossen

May 31, 2017 Wetenschappers hebben ontdekt hoe rotsen kunnen drijven

Sommige rotsen kunnen jarenlang op het water drijven en kilometerslange brokstukken vormen die duizenden kilometers over het oceaanoppervlak drijven. Wetenschappers hebben nu ontdekt hoe ze dat doen en waarom ze uiteindelijk zinken.

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben dit mysterie opgelost door monsters van lichtgewicht, glasachtig en poreus vulkanisch gesteente, bekend als puimsteen, te scannen. Deze röntgenexperimenten werden uitgevoerd in de Advanced Light Source (ALS) van Berkeley Lab, een röntgenbron die bekend staat als een synchrotron.

De langdurige drijfkracht van deze stenen kan wetenschappers helpen bij het ontdekken van vulkaanuitbarstingen onder water en begrijpen hoe de drijvende puimsteen dient als een zeevarend voedingsrijk medium dat soorten over de hele wereld verspreidt. Daarnaast vormt het een gevaar voor boten, omdat het asachtige mengsel van gemalen puimsteen scheepsmotoren kan verstoppen.

Wetenschappers weten dat gaszakjes in de puimsteenporiën ervoor zorgen dat het puimsteen blijft drijven, maar ze weten niet hoe de gassen voor langere tijd gevangen blijven. Het mysterie wordt nog groter als je bedenkt dat de poriën van het puimsteen grotendeels open en met elkaar verbonden zijn, als een ontkurkte fles. Het is interessant om te zien dat sommige puimstenen in het laboratorium 's avonds zinken en overdag aan de oppervlakte komen.

Voor hun onderzoek bedekten de onderzoekers stukjes met water blootgesteld puimsteen van de Medicine Lake Vulkaan bij Mount Shasta in Noord-Californië en de Santa María Vulkaan in Guatemala. Daarna gebruikten ze een beeldvormingstechniek met röntgenstralen die bekend staat als microtomografie om de concentraties van water en gas te bestuderen - waarbij ze het meten in microns (duizendsten van een millimeter) - binnen voorverwarmde puimsteenmonsters en monsters die op kamertemperatuur waren. De resulterende driedimensionale beelden waren zo gegevensintensief dat het een uitdaging was om snel de gas- en waterconcentraties in de poriën van de monsters te identificeren.

Dit probleem werd opgelost door een gastonderzoeker van de Universiteit van Peking, Zihan Wei, die een softwaretool voor gegevensanalyse gebruikte waarin machine learning is geïntegreerd om automatisch de gas- en watercomponenten in de afbeeldingen te identificeren. De onderzoekers ontdekten dat de gasvangende processen die in de puimstenen zijn aangetroffen verband houden met oppervlaktespanning, een chemische interactie tussen het wateroppervlak en de lucht erboven die werkt als een dunne huid.

"Het proces dat dit drijven regelt, vindt plaats op de schaal van een mensenhaar. Veel van de poriën zijn heel erg klein, net dunne rietjes die allemaal in elkaar gewikkeld zijn. De oppervlaktespanning overheerst dus echt," zei Kristen E Fauria, een promovenda van UC Berkeley die het onderzoek leidde, dat is gepubliceerd in Earth and Planetary Science Letters.

Het team ontdekte ook dat een wiskundige formulering die bekend staat als percolatietheorie, en die uitlegt hoe een vloeistof een poreus materiaal binnendringt, het gasvasthoudende proces in puimsteen verklaart. Daarnaast verklaart gasdiffusie - dat beschrijft hoe gasmoleculen gebieden met een lagere concentratie opzoeken - het uiteindelijke verlies van deze gassen en de reden dat de stenen zinken.

Michael Manga, stafwetenschapper bij de afdeling Energy Geosciences van Berkeley Lab en hoogleraar aan de afdeling Earth and Planetary Science van UC Berkeley, zei: "Er zijn twee verschillende processen: een die puimsteen laat drijven en een die het laat zinken."

De röntgenstudies hielpen om deze processen voor het eerst te kwantificeren. Het onderzoek toonde aan dat in sommige gevallen eerdere schattingen van de flotatietijd er enkele orden van grootte naast zaten. Het water omringt en houdt gassen vast in het puimsteen, waardoor belletjes ontstaan die de stenen drijvend maken. De oppervlaktespanning zorgt ervoor dat de bubbels langere tijd binnenin opgesloten blijven. Het dobberen dat in laboratoriumexperimenten werd waargenomen, wordt veroorzaakt door de uitzetting van het ingesloten gas tijdens de hitte van de dag en de inkrimping wanneer de temperatuur 's nachts daalt.

Het röntgenwerk bij de ALS, samen met studies van kleine stukjes puimsteen die in water dreven in Manga's UC Berkeley lab, hielp onderzoekers een formule te ontwikkelen die voorspelt hoe lang een puimsteen blijft drijven op basis van zijn grootte.

Het onderzoek leidde tot meer vragen, zoals hoe puimsteen, afkomstig van diepe onderwatervulkanen, zijn weg naar de oppervlakte vindt. De onderzoekers hebben ook röntgenexperimenten uitgevoerd bij de ALS om monsters van zogeheten "reuzenpuin" te bestuderen die meer dan een meter lang waren. Die steen werd tijdens een expeditie in 2015, waaraan Fauria en Manga deelnamen, uit de zeebodem gehaald in het gebied van een actieve onderwatervulkaan honderden kilometers ten noorden van Nieuw-Zeeland.

Vulkaanuitbarstingen onder water zijn niet zo gemakkelijk op te sporen als uitbarstingen op het land. Puimstenen van vulkaanuitbarstingen onder water variëren sterk in grootte, maar zijn meestal ongeveer zo groot als een appel, terwijl puimstenen van vulkanen op het land meestal kleiner zijn dan een golfbal.

"We proberen te begrijpen hoe deze reusachtige puimsteen is ontstaan," zei Manga. "We begrijpen niet goed hoe onderzeese uitbarstingen werken. Deze vulkaan barstte heel anders uit dan we hadden verondersteld. Onze hoop is dat we dit ene voorbeeld kunnen gebruiken om het proces te begrijpen."

Fauria was het ermee eens dat er veel te leren valt van onderwatervulkaanstudies en voegde eraan toe dat röntgenstudies bij de ALS een blijvende rol zullen spelen in het werk van haar team.

Video