Løse mysteriet med flytende steiner

May 31, 2017 Forskere har oppdaget hvordan steiner kan flyte

Noen steiner kan flyte på vannet i årevis av gangen, og danne milelange ruskflekker som driver tusenvis av mil på havoverflaten. Nå har forskere oppdaget hvordan de gjør det, og hvorfor de til slutt synker.

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har løst dette mysteriet ved å skanne prøver av lette, glassaktige og porøse vulkanske bergarter kjent som pimpstein. Disse røntgeneksperimentene ble utført ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en røntgenkilde kjent som en synkrotron.

Den langvarige oppdriften til disse bergartene kan hjelpe forskere med å oppdage vulkanutbrudd under vann og forstå hvordan den flytende pimpsteinen fungerer som et sjøfarende næringsrikt medium som sprer arter rundt om i verden. I tillegg er det en fare for båter, siden den askeaktige blandingen av oppmalt pimpstein kan tette skipsmotorer.

Mens forskere har visst at gasslommer i pimpsteinens porer gjør at pimpsteinen kan flyte, vet de ikke hvordan gassene forblir fanget i lengre perioder. Mysteriet blir dypere når man tenker på at pimpsteinens porer stort sett er åpne og sammenkoblede, som en flaske uten kork. Interessant nok har noen pimpsteiner i laboratoriet blitt observert å synke om kvelden og overflaten i løpet av dagen.

For etterforskningen deres har forskerne belagt biter av vanneksponert pimpstein tatt fra Medicine Lake Volcano nær Mount Shasta i Nord-California og Guatemalas Santa María Volcano. Deretter brukte de en røntgenavbildningsteknikk kjent som mikrotomografi for å studere konsentrasjonen av vann og gass - og målte det i mikron (tusendeler av en millimeter) - i forvarmede og romtemperaturprøver av pimpstein. De resulterende tredimensjonale bildene var så dataintensive at det var en utfordring å raskt identifisere konsentrasjonene av gass og vann i prøvenes porer.

Dette problemet ble løst av en besøkende undergraduate forsker fra Peking University, Zihan Wei, brukte et dataanalyseprogramvareverktøy som inkluderer maskinlæring for automatisk å identifisere komponentene av gass og vann i bildene. Forskerne oppdaget at gassfangstprosessene som finnes i pimpsteinene er relatert til overflatespenning, en kjemisk interaksjon mellom vannoverflaten og luften over den som fungerer som en tynn hud.

"Prosessen som kontrollerer denne flytingen skjer på skalaen til menneskehår. Mange av porene er veldig, veldig små, som tynne strå som alle er viklet sammen. Så overflatespenningen dominerer virkelig," sa Kristen E Fauria , en UC Berkeley graduate student som ledet studien, publisert i Earth and Planetary Science Letters.

Teamet fant også at en matematisk formulering kjent som perkolasjonsteori, som forklarer hvordan en væske kommer inn i et porøst materiale, står for gassfangstprosessen i pimpstein. I tillegg forklarer gassdiffusjon - som beskriver hvordan gassmolekyler søker områder med lavere konsentrasjon - det eventuelle tapet av disse gassene og årsaken til at steinene synker.

Michael Manga, en stabsforsker i Berkeley Labs Energy Geosciences Division og en professor ved Institutt for jord- og planetvitenskap ved UC Berkeley, sa: "Det er to forskjellige prosesser: en som lar pimpstein flyte og en som får den til å synke."

Røntgenstudiene bidro til å kvantifisere disse prosessene for første gang. Studien viste at i noen tilfeller var tidligere estimater for flytetid av flere størrelsesordener. Vannet omgir og fanger opp gasser i pimpsteinen, og danner bobler som gjør steinene flytende. Overflatespenning holder boblene låst inne i lengre perioder. Bobbingen observert i laboratorieeksperimenter skyldes utvidelsen av fanget gass under varmen på dagen, og sammentrekningen når temperaturen synker om natten.

Røntgenarbeidet ved ALS, sammen med studier av små biter av pimpstein som flyter i vann i Mangas UC Berkeley-laboratorium, hjalp forskere med å utvikle en formel som forutsier hvor lenge en pimpstein typisk vil flyte basert på dens størrelse.

Studien utløste flere spørsmål, for eksempel hvordan pimpstein, kastet ut fra dype undervannsvulkaner, finner veien til overflaten. Forskerne har også utført røntgenforsøk ved ALS for å studere prøver fra såkalt «gigantisk» pimpstein som målte mer enn en meter lang. Denne steinen ble hentet fra havbunnen i området til en aktiv undervannsvulkan hundrevis av mil nord for New Zealand, under en ekspedisjon i 2015 som Fauria og Manga deltok i.

Undervannsvulkanutbrudd er ikke like lett å spore opp som utbrudd på land. Pimpsteiner fra vulkanutbrudd under vann varierer mye i størrelse, men kan typisk være omtrent på størrelse med et eple, mens pimpstein fra vulkaner på land har en tendens til å være mindre enn en golfball.

"Vi prøver å forstå hvordan denne gigantiske pimpsteinen ble laget," sa Manga. "Vi forstår ikke godt hvordan ubåtutbrudd fungerer. Denne vulkanen brøt ut helt annerledes enn vi antok. Vårt håp er at vi kan bruke dette ene eksemplet for å forstå prosessen."

Fauria var enig i at det er mye å lære av vulkanstudier under vann, og la til at røntgenstudier ved ALS vil spille en kontinuerlig rolle i teamets arbeid.

Video