Rozwiąż zagadkę pływających skał

May 31, 2017 Naukowcy odkryli, w jaki sposób skały mogą unosić się na wodzie

Niektóre skały mogą unosić się na wodzie przez wiele lat, tworząc długie na kilometry plamy gruzu, które dryfują tysiące kilometrów po powierzchni oceanu. Teraz naukowcy odkryli, jak to robią i dlaczego w końcu toną.

Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Departamentu Energii rozwiązali tę zagadkę, skanując próbki lekkich, szklistych i porowatych skał wulkanicznych znanych jako pumeks. Te eksperymenty rentgenowskie zostały przeprowadzone w Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), źródle promieniowania rentgenowskiego znanym jako synchrotron.

Długotrwała pływalność tych skał może pomóc naukowcom odkryć podwodne erupcje wulkanów i zrozumieć, w jaki sposób pływający pumeks służy jako bogate w składniki odżywcze medium morskie, które rozprzestrzenia gatunki na całym świecie. Ponadto stanowi zagrożenie dla łodzi, ponieważ popielata mieszanka zmielonego pumeksu może zatykać silniki statków.

Choć naukowcy wiedzą, że kieszenie gazowe w porach pumeksu umożliwiają unoszenie się pumeksu, nie wiedzą, w jaki sposób gazy pozostają uwięzione przez dłuższy czas. Tajemnica pogłębia się, gdy weźmie się pod uwagę, że pory pumeksu są w dużej mierze otwarte i połączone, jak odkorkowana butelka. Co ciekawe, zaobserwowano, że niektóre kamienie pumeksowe w laboratorium toną wieczorem i wypływają na powierzchnię w ciągu dnia.

Na potrzeby swoich badań naukowcy pokryli wodą fragmenty pumeksu pobranego z wulkanu Medicine Lake w pobliżu Mount Shasta w północnej Kalifornii i wulkanu Santa María w Gwatemali. Następnie wykorzystali technikę obrazowania rentgenowskiego znaną jako mikrotomografia do zbadania stężenia wody i gazu - mierząc je w mikronach (tysięcznych częściach milimetra) - w podgrzanych próbkach pumeksu o temperaturze pokojowej. Uzyskane w ten sposób trójwymiarowe obrazy wymagały tak dużej ilości danych, że szybka identyfikacja stężeń gazu i wody w porach próbek była wyzwaniem.

Problem ten został rozwiązany przez wizytującego badacza z Uniwersytetu Pekińskiego, Zihana Wei, który użył narzędzia do analizy danych, które wykorzystuje uczenie maszynowe do automatycznej identyfikacji składników gazu i wody na obrazach. Naukowcy odkryli, że procesy zatrzymywania gazu występujące w pumeksie są związane z napięciem powierzchniowym, chemiczną interakcją między powierzchnią wody a powietrzem nad nią, która działa jak cienka skóra.

"Proces, który kontroluje to unoszenie się, zachodzi w skali ludzkiego włosa. Wiele porów jest naprawdę, naprawdę małych, jak cienkie słomki zwinięte razem. Tak więc napięcie powierzchniowe naprawdę dominuje" - powiedziała Kristen E. Fauria, doktorantka UC Berkeley, która kierowała badaniem opublikowanym w Earth and Planetary Science Letters.

Zespół odkrył również, że sformułowanie matematyczne znane jako teoria perkolacji, która wyjaśnia, w jaki sposób ciecz wchodzi do porowatego materiału, wyjaśnia proces zatrzymywania gazu w pumeksie. Ponadto dyfuzja gazu - która opisuje, w jaki sposób cząsteczki gazu poszukują obszarów o niższym stężeniu - wyjaśnia ostateczną utratę tych gazów i powód, dla którego kamienie toną.

Michael Manga, pracownik naukowy w Berkeley Lab's Energy Geosciences Division i profesor na Wydziale Nauk o Ziemi i Planetarnych na UC Berkeley, powiedział: "Istnieją dwa różne procesy: jeden, który pozwala pumeksowi unosić się na wodzie, a drugi, który sprawia, że tonie".

Badania rentgenowskie pomogły po raz pierwszy określić ilościowo te procesy. Badanie wykazało, że w niektórych przypadkach wcześniejsze szacunki dotyczące czasu flotacji różniły się o kilka rzędów wielkości. Woda otacza i zatrzymuje gazy w pumeksie, tworząc pęcherzyki, które sprawiają, że kamienie są wyporne. Napięcie powierzchniowe utrzymuje pęcherzyki zamknięte wewnątrz przez dłuższy czas. Kołysanie obserwowane w eksperymentach laboratoryjnych wynika z rozszerzania się uwięzionego gazu podczas upałów w ciągu dnia i kurczenia się, gdy temperatura spada w nocy.

Prace rentgenowskie w ALS, wraz z badaniami małych kawałków pumeksu unoszących się w wodzie w laboratorium Manga w UC Berkeley, pomogły naukowcom opracować formułę, która przewiduje, jak długo pumeks będzie unosił się na wodzie w zależności od jego wielkości.

Badanie wywołało więcej pytań, takich jak to, w jaki sposób pumeks, wyrzucany z głębokich podwodnych wulkanów, znajduje drogę na powierzchnię. Naukowcy przeprowadzili również eksperymenty rentgenowskie w ALS, aby zbadać próbki tak zwanego "gigantycznego" pumeksu, który mierzył ponad metr długości. Kamień ten został wydobyty z dna morskiego w obszarze aktywnego podwodnego wulkanu setki mil na północ od Nowej Zelandii, podczas wyprawy w 2015 roku, w której uczestniczyli Fauria i Manga.

Erupcje podwodnych wulkanów nie są tak łatwe do wyśledzenia jak erupcje na lądzie. Kamienie pumeksowe z podwodnych erupcji wulkanów różnią się znacznie wielkością, ale zazwyczaj mogą być wielkości jabłka, podczas gdy kamienie pumeksowe z wulkanów na lądzie są zwykle mniejsze niż piłeczka golfowa.

"Próbujemy zrozumieć, jak powstał ten gigantyczny pumeks" - powiedział Manga. "Nie rozumiemy dobrze, jak działają podmorskie erupcje. Ten wulkan wybuchł zupełnie inaczej niż zakładaliśmy. Mamy nadzieję, że możemy wykorzystać ten jeden przykład, aby zrozumieć ten proces".

Fauria zgodziła się, że z badań podwodnych wulkanów można się wiele nauczyć, dodając, że badania rentgenowskie w ALS będą odgrywać stałą rolę w pracy jej zespołu.

Wideo