Hvordan røntgenstråler hjalp med at løse mysteriet om flydende sten

Det er sandt - nogle klipper kan flyde på vand i årevis ad gangen. Og nu ved forskere, hvordan de gør det, og hvad der får dem til sidst at synke.

Røntgenundersøgelser ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har hjulpet forskere med at løse dette mysterium ved at scanne inde i prøver af letvægts, glasagtig, og porøse vulkanske klipper kendt som pimpsten. Røntgenforsøgene blev udført på Berkeley Labs Advanced Light Source, en røntgenkilde kendt som en synkrotron.

Disse stenes overraskende lang levetid, som kan danne kilometerlange snavspletter på havet, kendt som pimpstener, der kan rejse tusinder af miles-kan hjælpe forskere med at opdage vulkanudbrud under vandet.

Og, udover det, lære om dens flotation kan hjælpe os med at forstå, hvordan den spreder arter rundt om planeten; pimpsten er næringsrig og fungerer let som søfarende for planteliv og andre organismer. Flydende pimpsten kan også være en fare for både, som den askeholdige blanding af grundet pimpsten kan tilstoppe motorer.

"Spørgsmålet om flydende pimpsten har været i litteraturen i lang tid, og det var ikke løst, "sagde Kristen E. Fauria, en kandidatstuderende ved UC Berkeley, der ledede undersøgelsen, udgivet i Earth and Planetary Science Letters .

Mens forskere har vidst, at pimpsten kan flyde på grund af lommer af gas i sine porer, det var uvist, hvordan disse gasser forbliver fanget inde i pimpsten i længere perioder. Hvis du opsuger nok vand i en svamp, for eksempel, det vil synke.

"Man troede oprindeligt, at pimpstenens porøsitet i det væsentlige er forseglet, "Fauria sagde, som en korket flaske, der flyder i havet. Men pimpstenes porer er faktisk stort set åbne og forbundet - mere som en flaske uden kork. "Hvis du lader hætten være af, og den stadig flyder ... hvad sker der?"

Nogle pimpsten er endda blevet observeret for at "bobbe" i laboratoriet - synker i løbet af aftenen og dukker op i løbet af dagen.

For at forstå, hvad der foregår i disse sten, holdet brugte voks til at belægge stumper af vandudsat pimpsten, der blev taget fra Medicine Lake Volcano nær Mount Shasta i det nordlige Californien og Santa María-vulkanen i Guatemala.

De brugte derefter en røntgenbilledteknik ved ALS kendt som mikrotomografi til at studere koncentrationer af vand og gas-detaljeret målt i mikrometer, eller tusindedele af en millimeter-inden forvarmede og stuetemperatur-pimpstenprøver.

De detaljerede 3D-billeder produceret ved teknikken er meget datakrævende, hvilket udgjorde en udfordring i hurtigt at identificere koncentrationerne af gas og vand i pimpstenprøvernes porer.

For at løse dette problem, Zihan Wei, en besøgende bachelorforsker fra Peking University, brugte et dataanalysesoftware-værktøj, der inkorporerer maskinlæring til automatisk at identificere gas- og vandkomponenterne i billederne.

Forskere fandt ud af, at de gasfangende processer, der er i spil i pimpstenene, vedrører "overfladespænding, "en kemisk interaktion mellem vandets overflade og luften over den, der fungerer som en tynd hud - dette tillader nogle væsner, herunder insekter og firben, faktisk at gå på vandet.

"Processen, der styrer dette flydende, sker på skalaen af ​​menneskehår, "Sagde Fauria." Mange af porerne er virkelig, virkelig lille, som tynde sugerør, der alle er viklet sammen. Så overfladespænding dominerer virkelig. "

Teamet fandt også ud af, at en matematisk formulering kendt som perkolationsteori, som hjælper med at forstå, hvordan en væske kommer ind i et porøst materiale, giver en god pasform til gasopsamlingsprocessen i pimpsten. Og gasdiffusion - som beskriver, hvordan gasmolekyler søger områder med lavere koncentration - forklarer det eventuelle tab af disse gasser, der får stenene til at synke.

Michael Manga, en personaleforsker i Berkeley Labs Energy Geosciences Division og en professor i Institut for Jord- og Planetarisk Videnskab ved UC Berkeley, der deltog i undersøgelsen, sagde, "Der er to forskellige processer:en der lader pimpsten flyde og en der får den til at synke, "og røntgenundersøgelserne var med til at kvantificere disse processer for første gang. Undersøgelsen viste, at tidligere estimater for flotationstid i nogle tilfælde var af flere størrelsesordener.

"Kristen havde den idé, at det i eftertid er indlysende, "Sagde Manga, "at vand kun fylder noget af porepladsen." Vandet omgiver og fanger gasser i pimpstenen, danner bobler, der gør stenene flydende. Overfladespænding tjener til at holde disse bobler låst inde i længere perioder. Den bobbing observeret i laboratorieforsøg af pimpsten floatation forklares af fanget gas ekspanderer i løbet af dagens varme, hvilket får stenene til midlertidigt at flyde, indtil temperaturen falder.

Røntgenarbejdet ved ALS, kombineret med undersøgelser af små stykker pimpsten, der flyder i vand i Mangas UC Berkeley -laboratorium, hjalp forskere med at udvikle en formel til at forudsige, hvor længe en pimpsten typisk vil flyde baseret på dens størrelse. Manga har også brugt en røntgenteknik ved ALS kaldet mikrodiffraktion, hvilket er nyttigt til at studere oprindelsen af ​​krystaller i vulkanske klipper.

Dula Parkinson, en forsker ved Berkeley Labs ALS, der hjalp med teamets mikrotomografiske eksperimenter, sagde, "Jeg er altid overrasket over, hvor meget information Michael Manga og hans samarbejdspartnere er i stand til at udtrække fra de billeder, de indsamler på ALS, og hvordan de er i stand til at forbinde disse oplysninger med andre brikker for at løse virkelig komplicerede gåder. "

Den nylige undersøgelse udløste flere spørgsmål om flydende pimpsten, Fauria sagde, såsom hvordan pimpsten, skubbet ud fra dybe undersøiske vulkaner, finder vej til overfladen. Hendes forskerhold har også gennemført røntgenforsøg på ALS for at undersøge prøver fra såkaldt "kæmpe" pimpsten, der var mere end en meter lang.

Denne sten blev genvundet fra havbunden i området ved en aktiv undersøisk vulkan ved en forskningsekspedition fra 2015, som Fauria og Manga deltog i. Ekspeditionen, til et websted hundredvis af miles nord for New Zealand, blev ledet af Rebecca Carey, en forsker, der tidligere var tilknyttet Labs ALS.

Undersøiske vulkanudbrud er ikke lige så lette at spore som udbrud på land, og flydende pimpsten opdaget af en passager på et kommercielt fly hjalp faktisk forskere med at spore kilden til et større undervandsudbrud, der fandt sted i 2012 og motiverede forskningsekspeditionen. Pimpsten udspydt fra vulkanudbrud under vandet varierer meget i størrelse, men kan typisk være på størrelse med et æble, mens pimpsten fra vulkaner på land har en tendens til at være mindre end en golfbold.

"Vi forsøger at forstå, hvordan denne kæmpe pimpsten blev lavet, "Sagde Manga." Vi forstår ikke godt, hvordan ubådsudbrud fungerer. Denne vulkan brød ud helt anderledes, end vi antog. Vores håb er, at vi kan bruge dette ene eksempel til at forstå processen. "

Fauria var enig i, at der er meget at lære af undersøiske vulkanstudier, og hun bemærkede, at røntgenundersøgelser ved ALS vil spille en løbende rolle i hendes teams arbejde.