Reševanje skrivnosti lebdečih kamnov

May 31, 2017 Znanstveniki so odkrili, kako lahko kamenje plava

Nekateri kamni lahko lebdijo na vodi več let in tvorijo kilometre dolge zaplate odpadkov, ki se po površini oceana vlečejo tisoče milj. Zdaj so znanstveniki odkrili, kako to počnejo in zakaj se na koncu potopijo.

Znanstveniki Nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley Ministrstva za energijo (Berkeley Lab) so rešili to skrivnost s skeniranjem vzorcev lahkih, steklenih in poroznih vulkanskih kamnin, znanih kot plovec. Ti poskusi z rentgenskimi žarki so bili izvedeni v Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), viru rentgenskih žarkov, znanem kot sinhrotron.

Dolgotrajna plovnost teh kamnin lahko znanstvenikom pomaga pri odkrivanju podvodnih vulkanskih izbruhov in razumevanju, kako plavajoči plovec služi kot pomorski medij, bogat s hranili, ki širi vrste po vsem svetu. Poleg tega je nevarnost za čolne, saj lahko pepelnata mešanica zmletega plovca zamaši ladijske motorje.

Medtem ko so znanstveniki vedeli, da žepki plina v porah plovca omogočajo, da plovec lebdi, ne vedo, kako plini ostanejo ujeti dlje časa. Skrivnost se poglablja, če upoštevamo, da so pore plovca večinoma odprte in povezane, kot pri odmašeni steklenici. Zanimivo je, da so v laboratoriju opazili, da se nekateri plovci zvečer pogrezajo in čez dan potopijo na površje.

Za svojo preiskavo so raziskovalci prekrili koščke vode izpostavljene plovca, vzete iz vulkana Medicine Lake blizu gore Shasta v severni Kaliforniji in vulkana Santa María v Gvatemali. Nato so uporabili tehniko slikanja z rentgenskimi žarki, znano kot mikrotomografija, za preučevanje koncentracije vode in plina – merjenje v mikronih (tisočinke milimetra) – v predhodno segretih vzorcih plovca pri sobni temperaturi. Nastale tridimenzionalne slike so bile tako intenzivne s podatki, da je bilo hitro določiti koncentracije plina in vode v porah vzorcev izziv.

To težavo je rešil gostujoči dodiplomski raziskovalec z univerze v Pekingu, Zihan Wei, ki je uporabil programsko orodje za analizo podatkov, ki vključuje strojno učenje za samodejno prepoznavanje komponent plina in vode na slikah. Raziskovalci so odkrili, da so procesi lovljenja plinov v plovcu povezani s površinsko napetostjo, kemično interakcijo med vodno površino in zrakom nad njo, ki deluje kot tanka koža.

"Proces, ki nadzoruje to lebdenje, poteka na ravni človeških las. Veliko por je res zelo majhnih, kot tanke slamice, zvite skupaj. Tako da površinska napetost resnično prevladuje," je povedala Kristen E Fauria , podiplomski študent UC Berkeley, ki je vodil študijo, objavljeno v Earth and Planetary Science Letters.

Ekipa je tudi ugotovila, da matematična formulacija, znana kot perkolacijska teorija, ki pojasnjuje, kako tekočina vstopi v porozni material, pojasnjuje proces lovljenja plinov v plovcu. Poleg tega difuzija plinov – ki opisuje, kako molekule plina iščejo področja z nižjo koncentracijo – pojasnjuje morebitno izgubo teh plinov in razlog, zakaj kamni potonejo.

Michael Manga, strokovni sodelavec oddelka za energetske geoznanosti laboratorija Berkeley in profesor na oddelku za Zemljo in planetarne znanosti na UC Berkeley, je dejal: "Obstajata dva različna procesa: eden, ki pusti plovcu lebdeti, in drugi, ki naredi, da se potopi."

Rentgenske študije so prvič pomagale kvantificirati te procese. Študija je pokazala, da so bile prejšnje ocene časa flotacije v nekaterih primerih drugačne za več velikosti. Voda obdaja in ujame pline v plovcu ter tvori mehurčke, zaradi katerih kamni rastejo. Površinska napetost dlje časa zadržuje mehurčke v notranjosti. Nihanje, opaženo v laboratorijskih poskusih, je posledica širjenja ujetega plina med vročino dneva in krčenja, ko temperatura pade ponoči.

Rentgensko delo na ALS je skupaj s študijami majhnih koščkov plovca, ki plavajo v vodi v Manginem laboratoriju UC Berkeley, pomagalo raziskovalcem razviti formulo, ki predvideva, kako dolgo bo plovec običajno lebdel na podlagi njegove velikost.

Študija je sprožila več vprašanj, na primer, kako plovec, ki ga izvržejo globoko podvodni vulkani, najde pot na površje. Raziskovalci so izvedli tudi poskuse z rentgenskimi žarki na ALS, da bi proučevali vzorce iz tako imenovane "velikanske" plovce, ki je bila dolga več kot meter. Ta kamen so med ekspedicijo leta 2015, v kateri sta sodelovala Fauria in Manga, našli z morskega dna na območju aktivnega podvodnega vulkana na stotine milj severno od Nove Zelandije.

Podvodnih vulkanskih izbruhov ni tako enostavno izslediti kot izbruhov na kopnem. Plovec iz podvodnih vulkanskih izbruhov se zelo razlikuje po velikosti, vendar je običajno velik približno kot jabolko, medtem ko je plovec iz vulkanov na kopnem ponavadi manjši od žogice za golf.

"Poskušamo razumeti, kako je nastala ta velikanska plovca," je dejal Manga. "Ne razumemo dobro, kako delujejo podmorski izbruhi. Ta vulkan je izbruhnil popolnoma drugače, kot smo domnevali. Upamo, da bomo lahko uporabili ta en primer za razumevanje procesa."

Fauria se je strinjala, da se je veliko naučiti iz študij podvodnih vulkanov, in dodala, da bodo študije rentgenskih žarkov na ALS igrale stalno vlogo pri delu njene ekipe.

Video