ไขปริศนาหินลอยน้ำ

May 31, 2017 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าหิน ลอย ได้อย่างไร

หินบางชนิดสามารถ ลอย บนน้ำได้ครั้งละหลายปี ก่อตัวเป็นเศษซากยาวหลายไมล์ที่ลอยไปเป็นระยะทางหลายพันไมล์บน ผิวน้ำ มหาสมุทร ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบแล้วว่าพวกมันทำได้อย่างไร และเหตุใดในที่สุดพวกมันจึงจม

นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) กระทรวงพลังงานได้ไขปริศนานี้ด้วยการสแกนตัวอย่างหินภูเขาไฟน้ำหนักเบา เป็นแก้ว และมีรูพรุน ที่เรียกว่าหินภูเขาไฟ การทดลองรังสีเอกซ์เหล่านี้ดำเนินการที่ Advanced Light Source (ALS) ของ Berkeley Lab ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่เรียกว่าซินโครตรอน

การลอยตัว ของหินเหล่านี้เป็นเวลานานสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบการปะทุของภูเขาไฟใต้น้ำ และทำความเข้าใจว่าหินภูเขาไฟที่ลอยอยู่ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางที่อุดมด้วยสารอาหารในการเดินเรือซึ่งแพร่กระจายสายพันธุ์ต่างๆ ทั่วโลกได้อย่างไร นอกจากนี้ ยังเป็นอันตรายต่อเรือด้วย เนื่องจากส่วนผสมของเถ้าภูเขาไฟที่บดเป็นเถ้าถ่านอาจทำให้เครื่องยนต์ของเรืออุดตันได้

ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าถุง แก๊ส ในรูขุมขนช่วยให้ภูเขาไฟ ลอย แต่พวกเขาไม่รู้ว่าก๊าซยังคงติดอยู่เป็นเวลานานได้อย่างไร ความลึกลับนั้นลึกซึ้งยิ่งขึ้นเมื่อพิจารณาว่ารูขุมขนของหินภูเขาไฟนั้นเปิดและเชื่อมต่อกันเป็นส่วนใหญ่ เหมือนกับขวดที่ไม่ได้ปิดจุก สิ่งที่น่าสนใจคือมีการสังเกตว่าหินภูเขาไฟบางก้อนในห้องปฏิบัติการจมลงในตอนเย็นและ ผิวน้ำ ในตอนกลางวัน

สำหรับการสอบสวน นักวิจัยได้เคลือบเศษหินภูเขาไฟที่สัมผัสกับน้ำซึ่งนำมาจากภูเขาไฟทะเลสาบเมดิซีน ใกล้กับภูเขาชาสตาทางตอนเหนือของแคลิฟอร์เนีย และภูเขาไฟซานตามาเรียของกัวเตมาลา จากนั้น พวกเขาใช้เทคนิคการถ่ายภาพรังสีเอกซ์ที่เรียกว่า microtomography เพื่อศึกษาความเข้มข้นของน้ำและ แก๊ส โดยวัดเป็นไมครอน (หนึ่งในพันของมิลลิเมตร) ภายในตัวอย่างหินภูเขาไฟที่อุณหภูมิห้องและอุ่นร้อน ภาพสามมิติที่ได้นั้นมีข้อมูลเข้มข้นมากจนเป็นการท้าทายในการระบุความเข้มข้นของ แก๊ส และน้ำในรูพรุนของตัวอย่างอย่างรวดเร็ว

ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขโดย Zihan Wei นักวิจัยระดับปริญญาตรีรับเชิญจากมหาวิทยาลัยปักกิ่ง ใช้เครื่องมือซอฟต์แวร์วิเคราะห์ข้อมูลที่รวมการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อระบุส่วนประกอบของ แก๊ส และน้ำในภาพโดยอัตโนมัติ นักวิจัยค้นพบว่ากระบวนการกักก๊าซที่พบในหินภูเขาไฟนั้นสัมพันธ์กับแรงตึง ผิวน้ำ ซึ่งเป็นปฏิกิริยาทางเคมีระหว่าง ผิวน้ำ กับอากาศเหนือผิวน้ำซึ่งทำหน้าที่เหมือนผิวหนังบางๆ

"กระบวนการควบคุมการลอยตัวนี้เกิดขึ้นในระดับเส้นผมของมนุษย์ รูขุมขนจำนวนมากมีขนาดเล็กมาก เหมือนกับหลอดเส้นเล็ก ๆ ที่พันเข้าด้วยกัน ดังนั้นแรงตึง ผิวน้ำ จึงมีอิทธิพลเหนือมาก" คริสเตน อี โฟเรีย กล่าว นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ UC Berkeley ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษานี้ ซึ่งตีพิมพ์ใน Earth and Planetary Science Letters

ทีมงานยังพบอีกว่าสูตรทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าทฤษฎีการซึมผ่าน ซึ่งอธิบายว่าของเหลวเข้าไปในวัสดุที่มีรูพรุนได้อย่างไร ทำให้เกิดกระบวนการกักก๊าซในหินภูเขาไฟ นอกจากนี้ การแพร่กระจาย แก๊ส ซึ่งอธิบายว่าโมเลกุล แก๊ส แสวงหาพื้นที่ที่มีความเข้มข้นต่ำกว่าได้อย่างไร อธิบายถึงการสูญเสียก๊าซเหล่านี้ในที่สุดและสาเหตุที่ก้อนหินจม

Michael Manga นักวิทยาศาสตร์ประจำแผนกธรณีศาสตร์พลังงานของ Berkeley Lab และศาสตราจารย์ในภาควิชาวิทยาศาสตร์โลกและดาวเคราะห์ที่ UC Berkeley กล่าวว่า "มีกระบวนการที่แตกต่างกันสองกระบวนการ กระบวนการหนึ่งทำให้ภูเขาไฟ ลอย และอีกกระบวนการหนึ่งที่ทำให้ภูเขาไฟลอยตัวได้ ทำให้มันจม"

การศึกษาเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ช่วยระบุปริมาณกระบวนการเหล่านี้ได้เป็นครั้งแรก การศึกษาพบว่าในบางกรณี การประมาณการเวลาลอยอยู่ในน้ำก่อนหน้านี้ไม่เป็นไปตามลำดับความสำคัญหลายระดับ น้ำล้อมรอบและดักก๊าซไว้ในภูเขาไฟ ทำให้เกิดฟองที่ทำให้หินลอยได้ แรงตึง ผิวน้ำ จะทำให้ฟองอากาศล็อคอยู่ภายในเป็นเวลานาน การสั่นที่สังเกตได้ในการทดลองในห้องปฏิบัติการนั้นเกิดจากการขยายตัวของ แก๊ส ที่กักขังในช่วงที่มีอากาศร้อนในตอนกลางวัน และการหดตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงในเวลากลางคืน

งานเอ็กซ์เรย์ที่ ALS ร่วมกับการศึกษาชิ้นเล็กๆ ของภูเขาไฟที่ลอยอยู่ในน้ำในห้องทดลอง UC Berkeley ของ Manga ช่วยให้นักวิจัยพัฒนาสูตรที่คาดการณ์ว่าโดยทั่วไปแล้วหินภูเขาไฟจะ ลอย ได้นานแค่ไหนโดยพิจารณาจาก ขนาด.

การศึกษานี้กระตุ้นให้เกิดคำถามเพิ่มเติม เช่น ภูเขาไฟที่พุ่งออกมาจากภูเขาไฟใต้น้ำลึกพบทางขึ้นสู่ ผิวน้ำ ได้อย่างไร นักวิจัยยังได้ทำการทดลองด้วยรังสีเอกซ์ที่ ALS เพื่อศึกษาตัวอย่างจากหินภูเขาไฟยักษ์ที่มีความยาวมากกว่าหนึ่งเมตร หินดังกล่าวถูกเก็บมาจากก้นทะเลในบริเวณภูเขาไฟใต้น้ำที่ยังคุกรุ่นซึ่งอยู่ห่างจากนิวซีแลนด์ไปทางเหนือหลายร้อยไมล์ ในระหว่างการสำรวจในปี 2558 ที่โฟเรียและมังกาเข้าร่วมด้วย

การปะทุของภูเขาไฟใต้น้ำนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะติดตามได้เหมือนกับการปะทุบนบก หินภูเขาไฟจากการปะทุของภูเขาไฟใต้น้ำมีขนาดแตกต่างกันมาก แต่โดยทั่วไปจะมีขนาดประมาณแอปเปิ้ล ในขณะที่หินภูเขาไฟจากภูเขาไฟบนบกมักจะมีขนาดเล็กกว่าลูกกอล์ฟ

"เรากำลังพยายามทำความเข้าใจว่าหินภูเขาไฟขนาดยักษ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไร" Manga กล่าว "เราไม่เข้าใจวิธีการระเบิดใต้น้ำ ภูเขาไฟลูกนี้ปะทุแตกต่างไปจากที่เราคาดไว้อย่างสิ้นเชิง หวังว่าเราจะใช้ตัวอย่างนี้เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการนี้"

โฟเรียเห็นพ้องกันว่ายังมีอะไรอีกมากมายที่ต้องเรียนรู้จากการศึกษาภูเขาไฟใต้น้ำ โดยเสริมว่าการศึกษารังสีเอกซ์ที่ ALS จะมีบทบาทอย่างต่อเนื่องในการทำงานของทีมของเธอ

วิดีโอ