Это правда - некоторые камни могут плавать в воде годами. И теперь ученые знают, как они это делают и что заставляет их в конце концов тонуть.
Рентгеновские исследования в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) помогли ученым разгадать эту загадку, просканировав образцы легких, стеклообразных и пористых вулканических пород, известных как пемза. Рентгеновские эксперименты проводились на установке Advanced Light Source лаборатории Беркли, источнике рентгеновского излучения, известном как синхротрон.
Удивительно долгоживущая плавучесть этих камней, которые могут образовывать участки обломков длиной в несколько миль в океане, известные как плоты из пемзы, которые могут путешествовать на тысячи миль, может помочь ученым обнаружить подводные извержения вулканов.
И, кроме того, изучение его плавучести может помочь нам понять, как он распространяет виды по планете; пемза богата питательными веществами и легко служит морским переносчиком растений и других организмов. Плавающая пемза также может представлять опасность для лодок, так как пепельная смесь измельченной пемзы может засорить двигатели.
«Вопрос о плавающей пемзе уже давно обсуждается в литературе и до сих пор не решен», - сказала Кристен Э. Фориа, аспирантка Калифорнийского университета в Беркли, которая руководила исследованием, опубликованным в журналах «Земля и мир». Письма о планетарной науке.
Хотя ученые знали, что пемза может плавать из-за газовых карманов в ее порах, было неизвестно, как эти газы остаются в ловушке внутри пемзы в течение длительных периодов времени. Например, если вы наберете достаточно воды в губку, она утонет.
«Первоначально считалось, что пористость пемзы по существу герметична», - сказала Фаурия, как закупоренная бутылка, плавающая в море. Но поры пемзы на самом деле в значительной степени открыты и соединены - больше похоже на откупоренную бутылку. «Если вы не снимаете колпачок, а он все еще плавает… что происходит?»
Некоторые камни пемзы даже "качались" в лаборатории - тонули вечером и всплывали на поверхность днем.
Чтобы понять, что происходит с этими породами, команда использовала воск, чтобы покрыть кусочки пемзы, подвергшейся воздействию воды, взятые из вулкана Медисин-Лейк возле горы Шаста в Северной Калифорнии и вулкана Санта-Мария в Гватемале.
Затем они использовали метод рентгеновской визуализации в ALS, известный как микротомография, для изучения концентраций воды и газа - подробно измеренных в микронах или тысячных долях миллиметра - в предварительно нагретых образцах пемзы комнатной температуры.
Подробные трехмерные изображения, полученные с помощью этой техники, представляют собой химическое взаимодействие между поверхностью воды и воздухом над ней, которое действует как тонкая кожа - это позволяет некоторым существам, включая насекомых и ящериц, фактически ходить по ней. вода.
«Процесс, который контролирует это плавание, происходит в масштабе человеческого волоса», - сказал Фаурия. «Многие поры очень, очень маленькие, как тонкие соломинки, свернутые вместе. Таким образом, поверхностное натяжение действительно доминирует».
Команда также обнаружила, что математическая формулировка, известная как теория перколяции, которая помогает понять, как жидкость попадает в пористый материал, хорошо подходит для процесса улавливания газа в пемзе. А диффузия газа, которая описывает, как молекулы газа ищут области с более низкой концентрацией, объясняет возможную потерю этих газов, которая заставляет камни тонуть.
Майкл Манга, штатный научный сотрудник отдела геолого-геофизических исследований лаборатории Беркли и профессор кафедры наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли, участвовавший в исследовании, сказал: «Есть два разных процесса: один из них позволяет пемзе плавающий и тот, который заставляет его тонуть», и рентгеновские исследования помогли впервые количественно оценить эти процессы. Исследование показало, что предыдущие оценки времени флотации в некоторых случаях отличались на несколько порядков.
"Кристен пришла в голову мысль, что если оглянуться назад, очевидно, - сказал Манга, - что вода заполняет лишь часть пор". Вода окружает пемзу и улавливает газы, образуя пузырьки, которые делают камни плавучими. Поверхностное натяжение удерживает эти пузырьки внутри в течение длительного времени. Покачивание, наблюдаемое в лабораторных экспериментах по плаванию пемзы, объясняется расширением захваченного газа во время дневной жары, из-за чего камни временно всплывают до тех пор, пока температура не упадет..
Рентгеновская работа в ALS в сочетании с исследованиями небольших кусочков пемзы, плавающих в воде в лаборатории Манги Калифорнийского университета в Беркли, помогла исследователям разработать формулу для прогнозирования того, как долго пемза обычно будет плавать на основе ее размер. Манга также использовал рентгеновский метод в ALS, называемый микродифракцией, который полезен для изучения происхождения кристаллов в вулканических породах.
Дула Паркинсон, ученый-исследователь из Беркли Лаборатории БАС, который помогал команде в экспериментах по микротомографии, сказал: «Я всегда поражаюсь тому, сколько информации Майкл Манга и его сотрудники могут извлечь из изображений, которые они собирают в БАС, и как они могут объединять эту информацию с другими частями для решения действительно сложных головоломок».
Недавнее исследование вызвало больше вопросов о плавающей пемзе, сказал Фаурия, например о том, как пемза, выбрасываемая из глубоких подводных вулканов, находит свой путь на поверхность. Ее исследовательская группа также провела рентгеновские эксперименты в ALS для изучения образцов так называемой «гигантской» пемзы длиной более метра.
Этот камень был извлечен со дна моря в районе действующего подводного вулкана исследовательской экспедицией 2015 года, в которой участвовали Фаурия и Манга. под руководством Ребекки Кэри, ученого, ранее связанного с БАС лаборатории.
Извержения подводных вулканов не так легко отследить, как извержения на суше, и плавающая пемза, замеченная пассажиром коммерческого самолета, фактически помогла исследователям отследить источник крупного подводного извержения, которое произошло в 2012 году и послужило причиной исследовательская экспедиция. Пемза, извергаемая извержением подводного вулкана, сильно различается по размеру, но обычно может быть размером с яблоко, в то время как пемза из вулканов на суше, как правило, меньше мяча для гольфа.
«Мы пытаемся понять, как был сделан этот гигантский камень из пемзы», - сказал Манга. «Мы плохо понимаем, как происходят извержения подводных лодок. Этот вулкан извергался совершенно иначе, чем мы предполагали. Мы надеемся, что сможем использовать этот пример, чтобы понять процесс».
Фаурия согласилась с тем, что исследования подводных вулканов могут многому научить, и отметила, что рентгеновские исследования в ALS будут играть постоянную роль в работе ее группы.