Yüzen kayaların gizemi çözülüyor

May 31, 2017 Bilim insanları kayaların nasıl yüzebildiğini keşfetti

Bazı kayalar yıllarca su üzerinde yüzebilir ve okyanus yüzeyinde binlerce kilometre boyunca sürüklenen kilometrelerce uzunlukta enkaz parçaları oluşturabilir. Artık bilim insanları bunu nasıl yaptıklarını ve sonunda neden battıklarını keşfettiler.

Enerji Bölümü'nün Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndaki (Berkeley Laboratuvarı) bilim insanları, pomza taşları olarak bilinen hafif, camsı ve gözenekli volkanik kaya örneklerini tarayarak bu gizemi çözdüler. Bu X-ışını deneyleri, senkrotron olarak bilinen bir X-ışını kaynağı olan Berkeley Laboratuvarı'nın Gelişmiş Işık Kaynağında (ALS) gerçekleştirildi.

Bu kayaların uzun ömürlü kaldırma kuvveti, bilim adamlarının su altı yanardağ patlamalarını keşfetmelerine ve yüzen pomza taşının, türleri dünyaya yayan, denizde besin açısından zengin bir ortam olarak nasıl hizmet ettiğini anlamalarına yardımcı olabilir. Ayrıca öğütülmüş pomzanın kül karışımı gemi motorlarını tıkayabileceğinden tekneler için de tehlike oluşturur.

Bilim adamları pomza gözeneklerindeki gaz ceplerinin pomza taşının yüzmesini sağladığını biliyor olsa da, gazların uzun süreler boyunca nasıl sıkışıp kaldığını bilmiyorlar. Ponza taşının gözeneklerinin tıpalı olmayan bir şişe gibi büyük oranda açık ve bağlantılı olduğu düşünüldüğünde gizem daha da derinleşiyor. İlginçtir ki laboratuvardaki bazı pomza taşlarının akşam battığı, gündüz ise yüzeye çıktığı gözlemlenmiştir.

Araştırmacılar, araştırmaları için Kuzey Kaliforniya'daki Shasta Dağı yakınlarındaki Medicine Lake Yanardağı ve Guatemala'nın Santa María Yanardağı'ndan alınan, suya maruz kalan pomza parçalarını kapladılar. Daha sonra, önceden ısıtılmış ve oda sıcaklığındaki pomza numunelerindeki su ve gaz konsantrasyonlarını mikron (milimetrenin binde biri) cinsinden ölçerek incelemek için mikrotomografi olarak bilinen bir X-ışını görüntüleme tekniği kullandılar. Ortaya çıkan üç boyutlu görüntüler o kadar veri yoğundu ki numunelerin gözeneklerindeki gaz ve su konsantrasyonlarını hızlı bir şekilde belirlemek zordu.

Bu sorun, Pekin Üniversitesi'nden misafir lisans araştırmacısı Zihan Wei tarafından, görüntülerdeki gaz ve su bileşenlerini otomatik olarak tanımlamak için makine öğrenimini içeren bir veri analizi yazılım aracı kullanılarak çözüldü. Araştırmacılar, pomza taşlarında bulunan gaz tutma işlemlerinin, su yüzeyi ile üzerindeki hava arasındaki ince bir deri gibi davranan kimyasal etkileşim olan yüzey gerilimi ile ilişkili olduğunu keşfettiler.

"Bu yüzmeyi kontrol eden süreç, insan saçı ölçeğinde gerçekleşir. Gözeneklerin çoğu, birbirine sarılmış ince çubuklar gibi gerçekten çok küçüktür. Yani yüzey gerilimi gerçekten hakimdir" dedi Kristen E Fauria. Araştırmayı yöneten UC Berkeley yüksek lisans öğrencisi, Earth and Planetary Science Letters dergisinde yayınlandı.

Ekip ayrıca, bir sıvının gözenekli bir malzemeye nasıl girdiğini açıklayan, süzülme teorisi olarak bilinen matematiksel bir formülasyonun, pomzadaki gaz yakalama sürecini açıkladığını buldu. Ayrıca, gaz moleküllerinin daha düşük konsantrasyonlu alanları nasıl aradığını açıklayan gaz difüzyonu, bu gazların nihai kaybını ve taşların batmasının nedenini açıklar.

Berkeley Laboratuvarı'nın Enerji Yer Bilimleri Bölümü'nde kadrolu bilim adamı ve UC Berkeley'de Yer ve Gezegen Bilimleri Bölümü'nde profesör olan Michael Manga şunları söyledi: "İki farklı süreç var: biri süngertaşının yüzmesini sağlıyor, diğeri ise ponza taşının yüzmesini sağlıyor. batmasını sağlar."

X-ışını çalışmaları ilk kez bu süreçlerin ölçülmesine yardımcı oldu. Çalışma, bazı durumlarda, yüzdürme süresine ilişkin önceki tahminlerin birkaç büyüklük mertebesinde saptığını gösterdi. Su, pomzadaki gazları çevreleyip hapsederek taşları yüzdüren kabarcıklar oluşturur. Yüzey gerilimi, kabarcıkların uzun süre içeride kilitli kalmasını sağlar. Laboratuvar deneylerinde gözlemlenen sallanma, sıkışan gazın gündüz sıcakta genleşmesi, gece sıcaklık düştüğünde ise daralmasından kaynaklanmaktadır.

ALS'deki X-ışını çalışması, Manga'nın UC Berkeley laboratuvarında suda yüzen küçük pomza parçalarıyla ilgili çalışmalarla birlikte, araştırmacıların bir pomza taşının genellikle ne kadar süreyle yüzeceğini, yapısına bağlı olarak tahmin eden bir formül geliştirmesine yardımcı oldu. boyut.

Çalışma, derin su altı volkanlarından fışkıran pomzanın yüzeye nasıl çıktığı gibi daha fazla soruyu tetikledi. Araştırmacılar aynı zamanda ALS'de "dev" olarak adlandırılan ve uzunluğu bir metreden fazla olan süngertaşı örneklerini incelemek için X-ışını deneyleri de gerçekleştirdiler. Bu taş, 2015 yılında Fauria ve Manga'nın da katıldığı bir keşif gezisi sırasında Yeni Zelanda'nın yüzlerce kilometre kuzeyindeki aktif bir su altı yanardağı bölgesindeki deniz tabanından çıkarıldı.

Sualtı yanardağ patlamalarının izini sürmek, karadaki patlamaları takip etmek kadar kolay değildir. Su altı yanardağ patlamalarından kaynaklanan pomza taşlarının boyutları büyük farklılıklar gösterir ancak genellikle bir elma büyüklüğünde olabilir; karadaki volkanlardan çıkan pomza taşları ise golf topundan daha küçük olma eğilimindedir.

Manga, "Bu dev pomza taşının nasıl yapıldığını anlamaya çalışıyoruz" dedi. "Denizaltı patlamalarının nasıl çalıştığını pek anlamıyoruz. Bu yanardağ, varsaydığımızdan tamamen farklı bir şekilde patladı. Umudumuz, süreci anlamak için bu örneği kullanabiliriz."

Fauria, su altı yanardağ araştırmalarından öğrenilecek çok şey olduğunu kabul ederek, ALS'deki X-ışını çalışmalarının ekibinin çalışmalarında sürekli bir rol oynayacağını ekledi.

Video