Löser mysteriet med flytande stenar

May 31, 2017 Forskare har upptäckt hur stenar kan flyta

Vissa stenar kan flyta på vattnet i flera år i taget och bilda milslånga skräpfläckar som driver tusentals mil på havsytan. Nu har forskare upptäckt hur de gör det och varför de så småningom sjunker.

Forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har löst detta mysterium genom att skanna prover av lätta, glasartade och porösa vulkaniska stenar som kallas pimpsten. Dessa röntgenexperiment utfördes vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en röntgenkälla känd som en synkrotron.

Den långlivade flytkraften hos dessa stenar kan hjälpa forskare att upptäcka vulkanutbrott under vattnet och förstå hur den flytande pimpstenen fungerar som ett sjöfarande näringsrikt medium som sprider arter över hela världen. Dessutom är det en fara för båtar, eftersom den askiga blandningen av mald pimpsten kan täppa till fartygsmotorer.

Medan forskare har vetat att gasfickor i pimpstenens porer gör att pimpstenen kan flyta, vet de inte hur gaserna förblir instängda under långa perioder. Mysteriet fördjupas när man tänker på att pimpstenens porer till stor del är öppna och sammankopplade, som en okorkad flaska. Intressant nog har vissa pimpstenar i laboratoriet observerats sjunka under kvällen och yta under dagen.

För sin undersökning täckte forskarna bitar av vattenexponerad pimpsten från Medicine Lake Volcano nära Mount Shasta i norra Kalifornien och Guatemalas Santa María Volcano. Sedan använde de en röntgenteknik som kallas mikrotomografi för att studera koncentrationerna av vatten och gas – mäta det i mikron (tusendelar av en millimeter) – i förvärmda och rumstempererade pimpstensprover. De resulterande tredimensionella bilderna var så dataintensiva att det var en utmaning att snabbt identifiera koncentrationerna av gas och vatten i provernas porer.

Det här problemet löstes av en besökande forskare från Peking University, Zihan Wei, som använde ett dataanalysverktyg som innehåller maskininlärning för att automatiskt identifiera komponenterna av gas och vatten i bilderna. Forskarna upptäckte att gasinfångningsprocesserna som finns i pimpstenarna är relaterade till ytspänning, en kemisk interaktion mellan vattenytan och luften ovanför den som fungerar som en tunn hud.

"Processen som styr detta flytande sker på skalan av människohår. Många av porerna är riktigt, riktigt små, som tunna strån som alla lindas ihop. Så ytspänningen dominerar verkligen", säger Kristen E Fauria , en doktorand från UC Berkeley som ledde studien, publicerad i Earth and Planetary Science Letters.

Teamet fann också att en matematisk formulering känd som perkolationsteori, som förklarar hur en vätska kommer in i ett poröst material, står för gasinfångningsprocessen i pimpsten. Dessutom förklarar gasdiffusion - som beskriver hur gasmolekyler söker områden med lägre koncentration - den eventuella förlusten av dessa gaser och anledningen till att stenarna sjunker.

Michael Manga, en stabsforskare vid Berkeley Labs Energy Geosciences Division och en professor vid Institutionen för jord- och planetvetenskap vid UC Berkeley, sa: "Det finns två olika processer: en som låter pimpsten flyta och en som får det att sjunka."

Röntgenstudierna hjälpte till att kvantifiera dessa processer för första gången. Studien visade att i vissa fall var tidigare uppskattningar för flyttid av flera storleksordningar. Vattnet omger och fångar in gaser i pimpstenen och bildar bubblor som gör att stenarna flyter. Ytspänningen håller bubblorna låsta inuti under längre perioder. Guppningen som observerats i laboratorieexperiment beror på expansionen av instängd gas under dagens hetta och sammandragningen när temperaturen sjunker på natten.

Röntgenarbetet vid ALS, tillsammans med studier av små bitar av pimpsten som flyter i vatten i Mangas UC Berkeley-labb, hjälpte forskare att utveckla en formel som förutsäger hur länge en pimpsten vanligtvis flyter baserat på dess storlek.

Studien utlöste fler frågor, till exempel hur pimpsten, utskjuten från djupa undervattensvulkaner, hittar sin väg till ytan. Forskarna har även genomfört röntgenexperiment vid ALS för att studera prover från så kallad "jätte" pimpsten som mätte mer än en meter lång. Den stenen hämtades från havsbotten i området för en aktiv undervattensvulkan hundratals mil norr om Nya Zeeland, under en expedition 2015 som Fauria och Manga deltog i.

Undervattensvulkanutbrott är inte lika lätta att spåra som utbrott på land. Pimpstenar från vulkanutbrott under vattnet varierar mycket i storlek men kan vanligtvis vara ungefär lika stora som ett äpple, medan pimpstenar från vulkaner på land tenderar att vara mindre än en golfboll.

"Vi försöker förstå hur denna gigantiska pimpsten gjordes," sa Manga. "Vi förstår inte väl hur ubåtsutbrott fungerar. Den här vulkanen bröt ut helt annorlunda än vi antog. Vår förhoppning är att vi kan använda det här exemplet för att förstå processen."

Fauria höll med om att det finns mycket att lära av undervattensvulkanstudier och tillade att röntgenstudier vid ALS kommer att spela en fortlöpande roll i hennes teams arbete.

Video