Решавање мистерије плутајућих стена

May 31, 2017 Научници су открили како камење може да плута

Неке стене могу годинама плутати по води, формирајући миљама дуге крхотине које лебде хиљадама миља по површини океана. Сада су научници открили како то раде и зашто на крају потону.

Научници из Националне лабораторије Лоренса Берклија (Лабораторија Беркли) из Одељења за енергетику решили су ову мистерију скенирањем узорака лаганих, стакластих и порозних вулканских стена познатих као пловућац. Ови рендгенски експерименти су спроведени у напредном извору светлости (АЛС) лабораторије Беркли, извору рендгенских зрака познатом као синхротрон.

Дуготрајна узгона ових стена може помоћи научницима да открију подводне ерупције вулкана и схвате како плутајућа пловућац служи као поморски медијум богат хранљивим материјама који шири врсте широм света. Поред тога, представља опасност за чамце, јер пепељаста мешавина млевеног пловућца може зачепити бродске моторе.

Иако научници знају да џепови гаса у порама пловућца омогућавају плутању пловућца, они не знају како гасови остају заробљени током дужег периода. Мистерија се продубљује када се узме у обзир да су поре пловца у великој мери отворене и повезане, попут отчепљене боце. Занимљиво је да је у лабораторији примећено да неко камење пловућца тоне увече, а избија на површину током дана.

За своју истрагу, истраживачи су премазали комадиће пловца изложеног води из вулкана Медицине Лаке близу планине Шаста у северној Калифорнији и вулкана Санта Марија у Гватемали. Затим су користили технику рендгенског снимања познату као микротомографија да би проучавали концентрације воде и гаса - мерећи их у микронима (хиљадитим деловима милиметра) - унутар претходно загрејаних узорака пловцаца на собној температури. Добијене тродимензионалне слике биле су толико интензивне података да је био изазов брзо идентификовати концентрације гаса и воде у порама узорака.

Овај проблем је решио гостујући додипломски истраживач са Пекиншког универзитета, Зихан Веи, који је користио софтверски алат за анализу података који укључује машинско учење да аутоматски идентификује компоненте гаса и воде на сликама. Истраживачи су открили да су процеси хватања гаса који се налазе у камењу пловућца повезани са површинским напоном, хемијском интеракцијом између површине воде и ваздуха изнад ње која делује као танка кожа.

"Процес који контролише ово плутање дешава се на нивоу људске косе. Многе поре су заиста, стварно мале, као танке сламчице које су све намотане заједно. Тако да површинска напетост заиста доминира", рекла је Кристен Е Фауриа , дипломирани студент УЦ Беркелеи који је водио студију, објављену у Еартх анд Планетари Сциенце Леттерс.

Тим је такође открио да математичка формулација позната као теорија перколације, која објашњава како течност улази у порозни материјал, објашњава процес хватања гаса у пловућцу. Поред тога, дифузија гаса - која описује како молекули гаса траже подручја ниже концентрације - објашњава евентуални губитак ових гасова и разлог због којег камење тоне.

Мајкл Манга, научник у одељењу за енергетске геонауке у лабораторији Беркли и професор на Одељењу за науку о Земљи и планети на УЦ Берклију, рекао је: "Постоје два различита процеса: један који дозвољава пловућцу да плута и други који чини да тоне“.

Рендгенске студије су помогле да се ови процеси квантификују по први пут. Студија је показала да су у неким случајевима претходне процене времена флотације биле погрешне за неколико редова величине. Вода окружује и задржава гасове у пловућци, формирајући мехуриће који чине камење плутајућим. Површински напон држи мехуриће закључане унутра на дужи период. Померање уочено у лабораторијским експериментима је последица ширења заробљеног гаса током дневне врућине и контракције када температура падне ноћу.

Рендгенски рад на АЛС-у, заједно са студијама малих комада пловућца који плутају у води у Мангиној лабораторији УЦ Беркелеи, помогао је истраживачима да развију формулу која предвиђа колико дуго ће пловућац обично плутати на основу величина.

Студија је покренула више питања, као што је како пловућца, избачена из дубоких подводних вулкана, проналази пут до површине. Истраживачи су такође спровели рендгенске експерименте на АЛС-у како би проучавали узорке такозване "џиновске" пловке која је била дугачка више од метра. Тај камен је извучен са морског дна у области активног подводног вулкана стотинама миља северно од Новог Зеланда, током експедиције 2015. у којој су учествовали Фауриа и Манга.

Ерупције подводних вулкана није тако лако пратити као ерупције на копну. Пловац из подводних ерупција вулкана увелико варира у величини, али обично може бити величине јабуке, док је камење пловућца из вулкана на копну обично мање од лоптице за голф.

"Покушавамо да схватимо како је направљена ова џиновска камена пловућац", рекао је Манга. "Не разумемо добро како функционишу подморске ерупције. Овај вулкан је еруптирао потпуно другачије него што смо претпоставили. Надамо се да можемо да искористимо овај један пример да разумемо процес."

Фауриа се сложила да се из студија подводних вулкана може много научити, додајући да ће рендгенске студије на АЛС-у играти сталну улогу у раду њеног тима.

<а href="https://ввв.иоутубе.цом/ватцх?в=Зт7_к_лЗЗкк" title="" target="_blank">Видео