Es cierto: algunas rocas pueden flotar en el agua durante años a la vez. Y ahora los científicos saben cómo lo hacen y qué hace que finalmente se hundan.
Los estudios de rayos X en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab han ayudado a los científicos a resolver este misterio escaneando muestras internas de rocas volcánicas livianas, vítreas y porosas conocidas como piedras pómez. Los experimentos de rayos X fueronrealizado en la Fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, una fuente de rayos X conocida como sincrotrón.
La flotabilidad sorprendentemente duradera de estas rocas, que pueden formar parches de escombros de millas de largo en el océano conocidos como balsas de piedra pómez que pueden viajar por miles de millas, pueden ayudar a los científicos a descubrir erupciones de volcanes bajo el agua.
Y, más allá de eso, aprender acerca de su flotación puede ayudarnos a comprender cómo se propaga la especie en todo el planeta; la piedra pómez es rica en nutrientes y sirve fácilmente como portador de vida vegetal y otros organismos para la navegación. La piedra pómez flotante también puede ser un peligro para los barcos, ya que la mezcla cenicienta de piedra pómez molida puede obstruir los motores.
"La cuestión de la piedra pómez flotante ha estado en la literatura durante mucho tiempo y no se ha resuelto", dijo Kristen E. Fauria, una estudiante graduada de UC Berkeley que dirigió el estudio, publicada en Letras de la Tierra y de la Ciencia Planetaria .
Si bien los científicos han sabido que la piedra pómez puede flotar debido a las bolsas de gas en sus poros, no se sabía cómo esos gases permanecen atrapados dentro de la piedra pómez por períodos prolongados. Si absorbe suficiente agua en una esponja, por ejemplo, se hundirá.
"Originalmente se pensó que la porosidad de la piedra pómez está esencialmente sellada", dijo Fauria, como una botella con corcho flotando en el mar. Pero los poros de la piedra pómez en realidad están en gran medida abiertos y conectados, más como una botella sin corcho ". Si dejas eltapa y todavía flota ... ¿qué está pasando? "
Incluso se ha observado que algunas piedras pómez se "agitan" en el laboratorio, hundiéndose durante la noche y emergiendo durante el día.
Para comprender lo que está funcionando en estas rocas, el equipo usó cera para recubrir trozos de piedra pómez expuesta al agua muestreada del Volcán Medicine Lake cerca del Monte Shasta en el norte de California y el Volcán Santa María en Guatemala.
Luego utilizaron una técnica de imágenes de rayos X en el ALS conocida como microtomografía para estudiar las concentraciones de agua y gas, en detalle medidas en micras o milésimas de milímetro, dentro de muestras de piedra pómez precalentadas y a temperatura ambiente.
Las imágenes tridimensionales detalladas producidas por la técnica requieren muchos datos, lo que supuso un desafío para identificar rápidamente las concentraciones de gas y agua presentes en los poros de las muestras de piedra pómez.
Para abordar este problema, Zihan Wei, investigador universitario visitante de la Universidad de Pekín, utilizó una herramienta de software de análisis de datos que incorpora aprendizaje automático para identificar automáticamente los componentes de gas y agua en las imágenes.
Los investigadores descubrieron que los procesos de captura de gases que están en juego en las piedras pómez se relacionan con la "tensión superficial", una interacción química entre la superficie del agua y el aire que se encuentra encima que actúa como una piel delgada; esto permite que algunas criaturas,incluidos insectos y lagartos, para caminar sobre el agua.
"El proceso que controla esta flotación ocurre en la escala del cabello humano", dijo Fauria. "Muchos de los poros son muy, muy pequeños, como pajitas delgadas que se enrollan juntas. Así que la tensión superficial realmente domina".
El equipo también descubrió que una formulación matemática conocida como teoría de la filtración, que ayuda a comprender cómo un líquido ingresa a un material poroso, proporciona un buen ajuste para el proceso de captura de gases en piedra pómez. Y la difusión de gases, que describe cómo las moléculas de gasbuscar áreas de menor concentración: explica la eventual pérdida de estos gases que hace que las piedras se hundan.
Michael Manga, científico del personal de la División de Geociencias Energéticas de Berkeley Lab y profesor del Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias de la Universidad de California en Berkeley, dijo: "Hay dos procesos diferentes: uno que permite que la piedra pómez flote y otroeso hace que se hunda ", y los estudios de rayos X ayudaron a cuantificar estos procesos por primera vez. El estudio mostró que las estimaciones previas para el tiempo de flotación fueron en algunos casos diferentes en varios órdenes de magnitud".
"Kristen tuvo la idea de que, en retrospectiva, es obvio", dijo Manga, "que el agua está llenando solo parte del espacio de los poros". El agua rodea y atrapa gases en la piedra pómez, formando burbujas que hacen flotar las piedras. Superficiela tensión sirve para mantener estas burbujas encerradas en el interior durante períodos prolongados. La sacudida observada en los experimentos de laboratorio de flotación de piedra pómez se explica por la expansión del gas atrapado durante el calor del día, lo que hace que las piedras floten temporalmente hasta que la temperatura baje.
El trabajo de rayos X en el ALS, junto con estudios de pequeñas piezas de piedra pómez que flotan en el agua en el laboratorio UC Berkeley de Manga, ayudó a los investigadores a desarrollar una fórmula para predecir cuánto tiempo flotará una piedra pómez en función de su tamaño.También ha utilizado una técnica de rayos X en la ELA llamada microdifracción, que es útil para estudiar el origen de los cristales en las rocas volcánicas.
Dula Parkinson, un científico investigador en ALS de Berkeley Lab que ayudó con los experimentos de microtomografía del equipo, dijo: "Siempre me sorprende la cantidad de información que Michael Manga y sus colaboradores pueden extraer de las imágenes que recopilan en ALS, ycómo pueden unir esa información con otras piezas para resolver acertijos realmente complicados "
El estudio reciente provocó más preguntas sobre la piedra pómez flotante, dijo Fauria, como cómo la piedra pómez, expulsada de los volcanes submarinos profundos, llega a la superficie. Su equipo de investigación también realizó experimentos de rayos X en el ALS para estudiar muestras dellamada piedra pómez "gigante" que medía más de un metro de largo.
Esa piedra fue recuperada del fondo del mar en el área de un volcán submarino activo por una expedición de investigación de 2015 en la que participaron Fauria y Manga. La expedición, a un sitio a cientos de millas al norte de Nueva Zelanda, fue codirigida por RebeccaCarey, un científico anteriormente afiliado al ALS del laboratorio.
Las erupciones de un volcán submarino no son tan fáciles de rastrear como las erupciones en tierra, y la piedra pómez flotante detectada por un pasajero en un avión comercial realmente ayudó a los investigadores a rastrear la fuente de una gran erupción submarina que ocurrió en 2012 y motivó la expedición de investigación.Las piedras pómez arrojadas por las erupciones de los volcanes submarinos varían ampliamente en tamaño, pero generalmente pueden ser del tamaño de una manzana, mientras que las piedras pómez de los volcanes en tierra tienden a ser más pequeñas que una pelota de golf.
"Estamos tratando de entender cómo se hizo esta piedra pómez gigante", dijo Manga. "No entendemos bien cómo funcionan las erupciones submarinas. Este volcán entró en erupción completamente diferente de lo que supusimos. Nuestra esperanza es que podamos usar estoun ejemplo para entender el proceso "
Fauria estuvo de acuerdo en que hay mucho que aprender de los estudios de volcanes submarinos, y señaló que los estudios de rayos X en el ALS desempeñarán un papel continuo en el trabajo de su equipo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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