Giải mã bí ẩn tảng đá nổi

May 31, 2017 Các nhà khoa học đã phát hiện ra cách đá có thể nổi

Một số tảng đá có thể nổi trên mặt nước nhiều năm liền, tạo thành những mảnh vụn dài hàng dặm trôi dạt hàng nghìn dặm trên bề mặt đại dương. Giờ đây, các nhà khoa học đã khám phá ra cách chúng làm điều đó và tại sao cuối cùng chúng lại chìm.

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) của Bộ Năng lượng đã giải quyết được bí ẩn này bằng cách quét các mẫu đá núi lửa nhẹ, thủy tinh và xốp được gọi là đá bọt. Những thí nghiệm tia X này được tiến hành tại Nguồn sáng tiên tiến (ALS) của Phòng thí nghiệm Berkeley, một nguồn tia X được gọi là synchrotron.

Tính nổi lâu dài của những tảng đá này có thể giúp các nhà khoa học khám phá các vụ phun trào núi lửa dưới nước và hiểu được đá bọt nổi đóng vai trò như một môi trường giàu dinh dưỡng cho người đi biển để lan truyền các loài trên khắp thế giới như thế nào. Ngoài ra, đây còn là mối nguy hiểm cho tàu thuyền vì hỗn hợp tro của đá bọt trên mặt đất có thể làm tắc động cơ tàu.

Mặc dù các nhà khoa học đã biết rằng các túi khí trong các lỗ đá bọt giúp đá bọt nổi lên, nhưng họ không biết làm thế nào các khí này vẫn bị giữ lại trong thời gian dài. Bí ẩn càng sâu sắc hơn khi người ta cho rằng các lỗ chân lông của đá bọt phần lớn mở và kết nối với nhau, giống như một cái chai đã mở nút chai. Điều thú vị là một số đá bọt trong phòng thí nghiệm đã được quan sát thấy chìm vào buổi tối và nổi lên vào ban ngày.

Để điều tra, các nhà nghiên cứu đã phủ lên các mảnh đá bọt tiếp xúc với nước lấy từ Núi lửa Hồ Medicine gần Núi Shasta ở Bắc California và Núi lửa Santa María của Guatemala. Sau đó, họ sử dụng kỹ thuật chụp ảnh tia X được gọi là vi phẫu để nghiên cứu nồng độ của nước và khí – đo bằng micron (một phần nghìn milimét) – trong các mẫu đá bọt được làm nóng trước và ở nhiệt độ phòng. Các hình ảnh ba chiều thu được đòi hỏi nhiều dữ liệu đến mức việc xác định nhanh chóng nồng độ khí và nước trong các lỗ của mẫu là một thách thức.

Vấn đề này đã được giải quyết bởi một nhà nghiên cứu đại học thỉnh giảng đến từ Đại học Bắc Kinh, Zihan Wei, đã sử dụng một công cụ phần mềm phân tích dữ liệu kết hợp với công nghệ học máy để tự động xác định các thành phần của khí và nước trong hình ảnh. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng quá trình bẫy khí được tìm thấy trong đá bọt có liên quan đến sức căng bề mặt, một tương tác hóa học giữa mặt nước và không khí phía trên nó hoạt động giống như một lớp da mỏng.

"Quá trình kiểm soát sự nổi này xảy ra trên quy mô tóc của con người. Nhiều lỗ chân lông thực sự rất nhỏ, giống như những ống hút mỏng quấn lại với nhau. Vì vậy, sức căng bề mặt thực sự chiếm ưu thế", Kristen E Fauria cho biết , một sinh viên tốt nghiệp UC Berkeley, người đứng đầu nghiên cứu, được công bố trên Earth and Planetary Science Letters.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng một công thức toán học được gọi là lý thuyết thẩm thấu, giải thích cách chất lỏng đi vào vật liệu xốp, giải thích cho quá trình giữ khí trong đá bọt. Ngoài ra, sự khuếch tán khí - mô tả cách các phân tử khí tìm kiếm những khu vực có nồng độ thấp hơn - giải thích sự mất mát cuối cùng của các loại khí này và lý do khiến đá chìm xuống.

Michael Manga, một nhà khoa học thuộc Phòng Khoa học Địa chất Năng lượng của Phòng thí nghiệm Berkeley và là giáo sư tại Khoa Khoa học Trái đất và Hành tinh tại UC Berkeley, cho biết: "Có hai quá trình khác nhau: một làm cho đá bọt nổi và một là làm nó chìm xuống."

Các nghiên cứu về tia X lần đầu tiên đã giúp định lượng các quá trình này. Nghiên cứu cho thấy rằng trong một số trường hợp, các ước tính trước đây về thời gian tuyển nổi đã sai lệch nhiều bậc. Nước bao quanh và giữ khí trong đá bọt, tạo thành bong bóng làm cho đá nổi lên. Sức căng bề mặt giữ cho bong bóng bị khóa bên trong trong thời gian dài. Sự nhấp nhô quan sát được trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm là do sự giãn nở của khí bị mắc kẹt trong thời tiết nắng nóng vào ban ngày và sự co lại khi nhiệt độ giảm vào ban đêm.

Công việc chụp X-quang tại ALS, cùng với các nghiên cứu về những mảnh đá bọt nhỏ trôi nổi trong nước tại phòng thí nghiệm UC Berkeley của Manga, đã giúp các nhà nghiên cứu phát triển một công thức dự đoán thời gian một viên đá bọt thường nổi dựa trên đặc điểm của nó. kích cỡ.

Nghiên cứu này đã đặt ra nhiều câu hỏi hơn, chẳng hạn như làm thế nào đá bọt phun ra từ những ngọn núi lửa sâu dưới nước lại nổi lên bề mặt. Các nhà nghiên cứu cũng đã tiến hành thí nghiệm tia X tại ALS để nghiên cứu các mẫu từ cái gọi là đá bọt "khổng lồ" dài hơn một mét. Viên đá đó được vớt lên từ đáy biển ở khu vực một ngọn núi lửa dưới nước đang hoạt động cách New Zealand hàng trăm dặm về phía bắc, trong chuyến thám hiểm năm 2015 mà Fauria và Manga tham gia.

Các vụ phun trào núi lửa dưới nước không dễ theo dõi như các vụ phun trào trên đất liền. Đá bọt từ các vụ phun trào núi lửa dưới nước có kích thước khác nhau nhưng thường có kích thước bằng một quả táo, trong khi đá bọt từ núi lửa trên đất liền có xu hướng nhỏ hơn một quả bóng gôn.

"Chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu tảng đá bọt khổng lồ này được tạo ra như thế nào," Manga nói. "Chúng tôi không hiểu rõ hoạt động của các vụ phun trào dưới lòng đất. Ngọn núi lửa này phun trào hoàn toàn khác với những gì chúng tôi đưa ra giả thuyết. Hy vọng của chúng tôi là có thể sử dụng ví dụ này để hiểu quá trình."

Fauria đồng ý rằng có nhiều điều cần học hỏi từ các nghiên cứu về núi lửa dưới nước, đồng thời nói thêm rằng các nghiên cứu về tia X tại ALS sẽ đóng một vai trò liên tục trong công việc của nhóm cô.

Video