È vero:alcune rocce possono galleggiare sull'acqua per anni alla volta. E ora gli scienziati sanno come lo fanno, e cosa li fa affondare alla fine.

Gli studi a raggi X presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno aiutato gli scienziati a risolvere questo mistero scansionando all'interno campioni di materiali leggeri, vetroso, e rocce vulcaniche porose note come pietre pomice. Gli esperimenti a raggi X sono stati eseguiti presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab, una sorgente di raggi X nota come sincrotrone.

La galleggiabilità sorprendentemente longeva di queste rocce, che possono formare macchie di detriti lunghe miglia sull'oceano note come zattere di pomice che possono viaggiare per migliaia di miglia, può aiutare gli scienziati a scoprire le eruzioni vulcaniche sottomarine.

E, oltre a questo, conoscere il suo galleggiamento può aiutarci a capire come diffonde le specie in tutto il pianeta; la pomice è ricca di sostanze nutritive e funge prontamente da vettore marittimo di vita vegetale e altri organismi. La pomice galleggiante può anche essere un pericolo per le barche, poiché la miscela cinerea di pomice macinata può intasare i motori.

"La questione della pomice galleggiante è stata per lungo tempo in letteratura, e non era stato risolto, " ha detto Kristen E. Fauria, uno studente laureato dell'UC Berkeley che ha guidato lo studio, pubblicato in Lettere di Scienze della Terra e dei Pianeti .

Mentre gli scienziati sanno che la pomice può galleggiare a causa delle sacche di gas nei suoi pori, non si sa come quei gas rimangano intrappolati all'interno della pomice per periodi prolungati. Se assorbi abbastanza acqua in una spugna, Per esempio, affonderà.

"In origine si pensava che la porosità della pomice fosse essenzialmente sigillata, "Fauria ha detto come una bottiglia tappata che galleggia nel mare. Ma i pori della pomice sono in realtà in gran parte aperti e collegati, più simili a una bottiglia stappata. "Se togli il tappo e galleggia ancora... che succede?"

Alcune pietre pomice sono state persino osservate "sballare" in laboratorio, affondando durante la sera e affiorando durante il giorno.

Per capire cosa c'è all'opera in queste rocce, il team ha utilizzato la cera per rivestire pezzi di pomice esposta all'acqua prelevata dal vulcano Medicine Lake vicino al Monte Shasta nel nord della California e al vulcano Santa María in Guatemala.

Hanno quindi utilizzato una tecnica di imaging a raggi X presso la SLA nota come microtomografia per studiare le concentrazioni di acqua e gas, misurate in dettaglio in micron, o millesimi di millimetro, all'interno di campioni di pomice preriscaldati ea temperatura ambiente.

Le immagini 3D dettagliate prodotte dalla tecnica sono ad alta intensità di dati, che ha rappresentato una sfida nell'identificare rapidamente le concentrazioni di gas e acqua presenti nei pori dei campioni di pomice.

Per affrontare questo problema, Zihan Wei, un ricercatore universitario in visita presso l'Università di Pechino, ha utilizzato uno strumento software di analisi dei dati che incorpora l'apprendimento automatico per identificare automaticamente i componenti del gas e dell'acqua nelle immagini.

I ricercatori hanno scoperto che i processi di intrappolamento del gas in gioco nelle pietre pomice si riferiscono alla "tensione superficiale, "un'interazione chimica tra la superficie dell'acqua e l'aria sopra di essa che si comporta come una pelle sottile, questo permette ad alcune creature, compresi insetti e lucertole, camminare davvero sull'acqua.

"Il processo che controlla questo fluttuare avviene sulla scala dei capelli umani, " disse Fauria. "Molti dei pori sono davvero, davvero piccolo, come sottili cannucce tutte avvolte insieme. Quindi la tensione superficiale domina davvero".

Il team ha anche scoperto che una formulazione matematica nota come teoria della percolazione, che aiuta a capire come un liquido entra in un materiale poroso, fornisce una buona misura per il processo di intrappolamento del gas nella pomice. E la diffusione del gas, che descrive come le molecole di gas cercano aree di concentrazione più bassa, spiega l'eventuale perdita di questi gas che fa affondare le pietre.

Michele Manga, uno scienziato dello staff della divisione di geoscienze energetiche del Berkeley Lab e un professore del Dipartimento di Scienze della Terra e dei pianeti dell'Università di Berkeley che ha partecipato allo studio, disse, "Ci sono due processi diversi:uno che fa galleggiare la pomice e uno che la fa affondare, " e gli studi a raggi X hanno contribuito a quantificare questi processi per la prima volta. Lo studio ha mostrato che le stime precedenti per il tempo di flottazione erano in alcuni casi errate di diversi ordini di grandezza.

"Kristen aveva l'idea che col senno di poi è ovvio, "Manga ha detto, "che l'acqua sta riempiendo solo una parte dello spazio dei pori." L'acqua circonda e intrappola i gas nella pomice, formando bolle che fanno galleggiare le pietre. La tensione superficiale serve a mantenere queste bolle bloccate all'interno per periodi prolungati. L'oscillazione osservata negli esperimenti di laboratorio di galleggiamento della pomice è spiegata dal gas intrappolato che si espande durante il calore del giorno, che fa galleggiare temporaneamente le pietre fino a quando la temperatura non scende.

Il lavoro a raggi X alla SLA, insieme a studi su piccoli pezzi di pomice che galleggiano nell'acqua nel laboratorio di Manga a Berkeley, ha aiutato i ricercatori a sviluppare una formula per prevedere per quanto tempo una pietra pomice galleggia tipicamente in base alle sue dimensioni. Manga ha anche utilizzato una tecnica a raggi X presso la SLA chiamata microdiffrazione, utile per studiare l'origine dei cristalli nelle rocce vulcaniche.

Dula Parkinson, un ricercatore presso l'ALS del Berkeley Lab che ha assistito agli esperimenti di microtomografia del team, disse, "Sono sempre stupito di quante informazioni Michael Manga e i suoi collaboratori siano in grado di estrarre dalle immagini che raccolgono presso la SLA, e come sono in grado di unire quelle informazioni con altri pezzi per risolvere enigmi davvero complicati."

Il recente studio ha sollevato più domande sulla pomice galleggiante, Fauria ha detto, come come pomice, espulso da profondi vulcani sottomarini, trova la sua strada verso la superficie. Il suo gruppo di ricerca ha anche condotto esperimenti a raggi X presso la SLA per studiare campioni di cosiddetta pomice "gigante" che misuravano più di un metro di lunghezza.

Quella pietra è stata recuperata dal fondo del mare nell'area di un vulcano sottomarino attivo da una spedizione di ricerca del 2015 a cui hanno partecipato Fauria e Manga. La spedizione, in un sito centinaia di miglia a nord della Nuova Zelanda, è stato co-diretto da Rebecca Carey, uno scienziato precedentemente affiliato con la SLA del laboratorio.

Le eruzioni vulcaniche subacquee non sono facili da rintracciare come le eruzioni terrestri, e la pomice galleggiante individuata da un passeggero su un aereo commerciale ha effettivamente aiutato i ricercatori a rintracciare la fonte di una grande eruzione sottomarina avvenuta nel 2012 e ha motivato la spedizione di ricerca. Le pietre pomice emesse dalle eruzioni vulcaniche sottomarine variano ampiamente in termini di dimensioni, ma in genere possono avere le dimensioni di una mela, mentre le pietre pomice dei vulcani sulla terraferma tendono ad essere più piccole di una pallina da golf.

"Stiamo cercando di capire come è stata fatta questa gigantesca roccia pomice, " Manga ha detto. "Non capiamo bene come funzionano le eruzioni sottomarine. Questo vulcano ha eruttato in modo completamente diverso da quanto ipotizzato. La nostra speranza è di poter utilizzare questo esempio per comprendere il processo".

Fauria ha convenuto che c'è molto da imparare dagli studi sui vulcani sottomarini, e ha notato che gli studi sui raggi X presso la SLA svolgeranno un ruolo costante nel lavoro del suo team.