Розгадування таємниці плаваючих каменів

May 31, 2017 Вчені виявили, як каміння може плавати

Деякі камені можуть плавати на воді роками, утворюючи мильові плями сміття, які дрейфують на тисячі миль на поверхні океану. Тепер вчені з’ясували, як вони це роблять і чому зрештою тонуть.

Науковці Національної лабораторії імені Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) Департаменту енергетики розгадали цю таємницю шляхом сканування зразків легких, скляних і пористих вулканічних порід, відомих як пемза. Ці рентгенівські експерименти були проведені в лабораторії Berkeley's Advanced Light Source (ALS), джерелі рентгенівського випромінювання, відомому як синхротрон.

Довготривала плавучість цих порід може допомогти вченим виявити підводні виверження вулканів і зрозуміти, як плаваюча пемза служить багатим поживними речовинами середовищем, яке поширює види по всьому світу. Крім того, це небезпека для човнів, оскільки попеляста суміш подрібненої пемзи може засмітити суднові двигуни.

Хоча вчені знають, що кишені газу в порах пемзи дозволяють пемзі плавати, вони не знають, як гази залишаються в пастці протягом тривалого часу. Таємниця поглиблюється, якщо взяти до уваги, що пори пемзи в основному відкриті та з’єднані, як відкоркована пляшка. Цікаво, що деякі пемзи в лабораторії занурювалися ввечері та спливали на поверхню вдень.

Для свого дослідження дослідники покрили шматочки відкритої води пемзи, взяті з вулкана Медісне Лейк поблизу гори Шаста в Північній Каліфорнії та вулкана Санта-Марія в Гватемалі. Потім вони використали техніку рентгенівської візуалізації, відому як мікротомографія, щоб дослідити концентрацію води та газу – вимірявши її в мікронах (тисячних частках міліметра) – у попередньо нагрітих зразках пемзи кімнатної температури. Отримані тривимірні зображення були настільки інтенсивними, що виявилося складним завданням швидко визначити концентрацію газу та води в порах зразків.

Цю проблему вирішив запрошений дослідник з Пекінського університету Зіхан Вей, який використав програмне забезпечення для аналізу даних, яке включає машинне навчання для автоматичної ідентифікації компонентів газу та води на зображеннях. Дослідники виявили, що процеси уловлювання газу, виявлені в пемзі, пов’язані з поверхневим натягом, хімічною взаємодією між поверхнею води та повітрям над нею, яка діє як тонка шкіра.

"Процес, який контролює це плавання, відбувається в масштабі людського волосся. Багато пори дійсно, дуже маленькі, як тонкі соломинки, усі змотані разом. Тому поверхневий натяг справді домінує", - сказала Крістен Е Фауріа , аспірант Каліфорнійського університету в Берклі, який очолював дослідження, опубліковане в Earth and Planetary Science Letters.

Команда також виявила, що математична формула, відома як теорія перколяції, яка пояснює, як рідина потрапляє в пористий матеріал, пояснює процес уловлювання газу в пемзі. Крім того, дифузія газу, яка описує, як молекули газу шукають області з меншою концентрацією, пояснює кінцеву втрату цих газів і причину, чому камені тонуть.

Майкл Манга, науковий співробітник відділу енергетичних геонаук Лабораторії Берклі та професор кафедри науки про Землю та планети Каліфорнійського університету в Берклі, сказав: «Є два різні процеси: один, який дозволяє пемзі плавати, і інший, який змушує його тонути».

Рентгенівські дослідження допомогли вперше кількісно визначити ці процеси. Дослідження показало, що в деяких випадках попередні оцінки часу флотації відрізнялися на кілька порядків. Вода оточує та затримує гази в пемзі, утворюючи бульбашки, які роблять каміння плавучим. Поверхневий натяг утримує бульбашки всередині протягом тривалого часу. Погойдування, яке спостерігається в лабораторних експериментах, пов’язане з розширенням захопленого газу під час денної спеки та стисненням, коли температура падає вночі.

Рентгенівська робота в ALS разом із дослідженнями маленьких шматочків пемзи, що плавають у воді в лабораторії Manga Каліфорнійського університету в Берклі, допомогла дослідникам розробити формулу, яка передбачає, як довго пемза зазвичай плаватиме на основі її розмір.

Дослідження викликало більше питань, наприклад, як пемза, викинута з глибоких підводних вулканів, знаходить свій шлях на поверхню. Дослідники також провели рентгенівські експерименти в ALS, щоб вивчити зразки так званої «гігантської» пемзи довжиною більше метра. Цей камінь був вилучений з морського дна в районі активного підводного вулкана за сотні миль на північ від Нової Зеландії під час експедиції 2015 року, в якій брали участь Фаурія та Манга.

Підводні виверження вулканів не так легко відстежити, як виверження на суші. Пемза від підводних вивержень вулканів дуже різниться за розміром, але зазвичай може бути приблизно з яблуко, тоді як пемза від вулканів на суші, як правило, менша за м’яч для гольфу.

«Ми намагаємося зрозуміти, як утворилася ця гігантська пемза», — сказав Манга. «Ми погано розуміємо, як працюють підводні виверження. Цей вулкан вивергався зовсім не так, як ми припускали. Ми сподіваємося, що зможемо використати цей один приклад, щоб зрозуміти процес».

Фаурія погодилася, що є чому навчитися з підводних досліджень вулканів, додавши, що рентгенівські дослідження в ALS відіграватимуть постійну роль у роботі її команди.

Відео