Разгадка тайны плавающих камней

May 31, 2017 Ученые открыли, как камни могут плавать

Некоторые камни могут плавать по воде годами, образуя пятна обломков длиной в несколько миль, которые дрейфуют на тысячи миль по поверхности океана. Теперь ученые выяснили, как они это делают и почему в конечном итоге тонут.

Ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли при Министерстве энергетики США (Berkeley Lab) разгадали эту загадку, сканируя образцы легких, стекловидных и пористых вулканических пород, известных как пемза. Эти рентгеновские эксперименты проводились в усовершенствованном источнике света (ALS) лаборатории Беркли, источнике рентгеновского излучения, известном как синхротрон.

Долговременная плавучесть этих камней может помочь ученым обнаружить извержения подводных вулканов и понять, как плавающая пемза служит в мореплавании богатой питательными веществами средой, которая распространяет виды по всему миру. Кроме того, это опасность для лодок, так как зольная смесь измельченной пемзы может засорить судовые двигатели.

Хотя ученым известно, что карманы газа в порах пемзы позволяют пемзе плавать, они не знают, как газы остаются в ловушке в течение длительного времени. Тайна углубляется, если учесть, что поры пемзы в значительной степени открыты и соединены, как откупоренная бутылка. Интересно, что в лаборатории было замечено, что некоторые пемзы тонут вечером и всплывают на поверхность в течение дня.

Для своего исследования исследователи покрыли кусочки подверженной воздействию воды пемзы, взятой из вулкана Медисин-Лейк возле горы Шаста в Северной Калифорнии и вулкана Санта-Мария в Гватемале. Затем они использовали метод рентгеновской визуализации, известный как микротомография, для изучения концентраций воды и газа – измеряя их в микронах (тысячные доли миллиметра) – в предварительно нагретых и комнатной температуре образцах пемзы. Полученные трехмерные изображения содержали настолько большой объем данных, что было сложно быстро определить концентрацию газа и воды в порах образцов.

Эту проблему решил приглашенный студент-исследователь из Пекинского университета Зихань Вэй с помощью программного инструмента для анализа данных, который включает в себя машинное обучение для автоматического определения компонентов газа и воды на изображениях. Исследователи обнаружили, что процессы улавливания газа, обнаруженные в пемзе, связаны с поверхностным натяжением — химическим взаимодействием между поверхностью воды и воздухом над ней, которое действует как тонкая кожа.

"Процесс, контролирующий это плавание, происходит в масштабе человеческого волоса. Многие поры очень, очень маленькие, как тонкие соломинки, свернутые вместе. Таким образом, поверхностное натяжение действительно доминирует", - сказала Кристен Э. Фаурия. , студент Калифорнийского университета в Беркли, который возглавил исследование, опубликованное в Earth and Planetary Science Letters.

Команда также обнаружила, что математическая формула, известная как теория перколяции, которая объясняет, как жидкость проникает в пористый материал, объясняет процесс улавливания газа в пемзе. Кроме того, диффузия газа, описывающая, как молекулы газа ищут области с более низкой концентрацией, объясняет возможную потерю этих газов и причину, по которой камни тонут.

Майкл Манга, научный сотрудник отдела энергетических геолого-геофизических исследований лаборатории Беркли и профессор кафедры наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли, сказал: «Существуют два разных процесса: один позволяет пемзе плавать, а другой – заставляет его тонуть».

Рентгеновские исследования впервые позволили количественно оценить эти процессы. Исследование показало, что в некоторых случаях предыдущие оценки времени плавучести отклонялись на несколько порядков. Вода окружает и удерживает газы в пемзе, образуя пузырьки, которые придают камням плавучесть. Поверхностное натяжение удерживает пузырьки внутри в течение длительного времени. Качание, наблюдаемое в лабораторных экспериментах, происходит из-за расширения захваченного газа в дневную жару и сжатия, когда температура падает ночью.

Рентгеновские работы в ALS, а также исследования небольших кусочков пемзы, плавающих в воде в лаборатории Манги Калифорнийского университета в Беркли, помогли исследователям разработать формулу, которая предсказывает, как долго пемза обычно будет плавать на основе ее размер.

Исследование вызвало еще больше вопросов, например, как пемза, выброшенная из глубоководных вулканов, попадает на поверхность. Исследователи также провели рентгеновские эксперименты в ALS для изучения образцов так называемой «гигантской» пемзы длиной более метра. Этот камень был извлечен со дна моря в районе действующего подводного вулкана в сотнях миль к северу от Новой Зеландии во время экспедиции 2015 года, в которой участвовали Фаурия и Манга.

Извержения подводных вулканов отследить не так легко, как извержения на суше. Пемза из подводных извержений вулканов сильно различается по размеру, но обычно может быть размером с яблоко, тогда как пемза из вулканов на суше обычно меньше мяча для гольфа.

"Мы пытаемся понять, как была сделана эта гигантская пемза", - сказал Манга. «Мы плохо понимаем, как происходят извержения на подводных лодках. Этот вулкан извергался совершенно иначе, чем мы предполагали. Мы надеемся, что мы сможем использовать этот пример, чтобы понять процесс».

Фаурия согласилась, что можно многому научиться из исследований подводных вулканов, добавив, что рентгеновские исследования в ALS будут играть постоянную роль в работе ее команды.

Видео