Het is waar - sommige rotsen kunnen jaren achter elkaar op het water drijven. En nu weten wetenschappers hoe ze het doen, en waardoor ze uiteindelijk zinken.

Röntgenonderzoeken aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben wetenschappers geholpen dit mysterie op te lossen door monsters van lichtgewicht, glazig, en poreuze vulkanische rotsen bekend als puimsteen. De röntgenexperimenten werden uitgevoerd in Berkeley Lab's Advanced Light Source, een röntgenbron die bekend staat als een synchrotron.

Het verrassend langlevende drijfvermogen van deze rotsen - die kilometerslange puinplekken op de oceaan kunnen vormen die bekend staan ​​​​als puimsteenvlotten die duizenden kilometers kunnen reizen - kan wetenschappers helpen bij het ontdekken van vulkaanuitbarstingen onder water.

En, verder dan dat, leren over zijn drijfvermogen kan ons helpen begrijpen hoe het soorten over de planeet verspreidt; puimsteen is rijk aan voedingsstoffen en dient gemakkelijk als zeevarende drager van planten en andere organismen. Drijvend puimsteen kan ook een gevaar vormen voor boten, omdat het asgrauwe mengsel van vermalen puimsteen motoren kan verstoppen.

"De kwestie van drijvend puimsteen bestaat al heel lang in de literatuur, en het was niet opgelost, " zei Kristen E. Fauria, een afgestudeerde student van UC Berkeley die de studie leidde, gepubliceerd in Aardse en planetaire wetenschapsbrieven .

Hoewel wetenschappers wisten dat puimsteen kan drijven door gasbellen in de poriën, het was niet bekend hoe die gassen gedurende langere tijd in het puimsteen blijven zitten. Als je genoeg water opneemt in een spons, bijvoorbeeld, het zal zinken.

"Oorspronkelijk werd gedacht dat de porositeit van het puimsteen in wezen verzegeld is, "Fauri zei, als een gekurkte fles die in de zee drijft. Maar de poriën van puimsteen zijn eigenlijk grotendeels open en verbonden - meer als een ontkurkte fles. 'Als je de dop eraf laat en hij blijft drijven... wat is er dan aan de hand?'

Er is zelfs waargenomen dat sommige puimstenen in het laboratorium "bobbelen" - 's avonds zinken en overdag naar boven komen.

Om te begrijpen wat er aan het werk is in deze rotsen, het team gebruikte was om stukjes aan water blootgesteld puimsteen te coaten, bemonsterd uit de Medicine Lake-vulkaan bij Mount Shasta in Noord-Californië en de Santa María-vulkaan in Guatemala.

Vervolgens gebruikten ze een röntgenbeeldvormingstechniek bij de ALS, bekend als microtomografie, om concentraties van water en gas te bestuderen - in detail gemeten in microns, of duizendsten van een millimeter - in voorverwarmde en op kamertemperatuur puimsteenmonsters.

De gedetailleerde 3D-beelden die door de techniek worden geproduceerd, zijn zeer gegevensintensief, wat een uitdaging vormde bij het snel identificeren van de concentraties van gas en water die aanwezig zijn in de poriën van de puimsteenmonsters.

Om dit probleem aan te pakken, Zihan Wei, een gastonderzoeker van de Universiteit van Peking, gebruikte een softwaretool voor gegevensanalyse die machine learning bevat om automatisch de gas- en watercomponenten in de afbeeldingen te identificeren.

Onderzoekers ontdekten dat de gasvangende processen die in het spel zijn in de puimstenen betrekking hebben op "oppervlaktespanning, " een chemische interactie tussen het wateroppervlak en de lucht erboven die werkt als een dunne huid - hierdoor kunnen sommige wezens, waaronder insecten en hagedissen, om echt over water te lopen.

"Het proces dat dit zweven regelt, gebeurt op de schaal van mensenhaar, " zei Fauria. "Veel van de poriën zijn echt, heel klein, als dunne strootjes die allemaal bij elkaar kwamen. Oppervlaktespanning domineert dus echt."

Het team ontdekte ook dat een wiskundige formulering die bekend staat als percolatietheorie, die helpt te begrijpen hoe een vloeistof een poreus materiaal binnendringt, biedt een goede pasvorm voor het gasvangproces in puimsteen. En gasdiffusie - die beschrijft hoe gasmoleculen gebieden met een lagere concentratie zoeken - verklaart het uiteindelijke verlies van deze gassen waardoor de stenen zinken.

Michael Manga, een stafwetenschapper in de Energy Geosciences Division van Berkeley Lab en een professor in de afdeling Aard- en Planetaire Wetenschappen van UC Berkeley die deelnamen aan het onderzoek, zei, "Er zijn twee verschillende processen:een die puimsteen laat drijven en een die het laat zinken, " en de röntgenonderzoeken hielpen om deze processen voor de eerste keer te kwantificeren. De studie toonde aan dat eerdere schattingen voor de flotatietijd in sommige gevallen verschillende orden van grootte afwijken.

"Kristen had het idee dat achteraf duidelijk is, "Manga zei, "dat water vult slechts een deel van de porieruimte." Het water omringt en houdt gassen vast in het puimsteen, vormen bellen die de stenen drijvend maken. Oppervlaktespanning zorgt ervoor dat deze bellen voor langere tijd binnen blijven. Het dobberen dat werd waargenomen in laboratoriumexperimenten met het drijven van puimsteen wordt verklaard door ingesloten gas dat uitzet tijdens de hitte van de dag, waardoor de stenen tijdelijk blijven drijven totdat de temperatuur daalt.

Het röntgenwerk bij de ALS, in combinatie met studies van kleine stukjes puimsteen die in water drijven in het UC Berkeley-lab van Manga, hielp onderzoekers een formule te ontwikkelen om te voorspellen hoe lang een puimsteen typisch zal blijven drijven op basis van zijn grootte. Manga heeft ook een röntgentechniek gebruikt bij de ALS, microdiffractie genaamd, wat handig is voor het bestuderen van de oorsprong van kristallen in vulkanisch gesteente.

Dula Parkinson, een onderzoekswetenschapper bij Berkeley Lab's ALS die assisteerde bij de microtomografie-experimenten van het team, zei, "Ik sta er altijd versteld van hoeveel informatie Michael Manga en zijn medewerkers kunnen halen uit de beelden die ze verzamelen bij ALS, en hoe ze die informatie kunnen combineren met andere stukjes om echt ingewikkelde puzzels op te lossen."

De recente studie riep meer vragen op over drijvend puimsteen, Fauria zei, zoals hoe puimsteen, uitgestoten door diepe onderwatervulkanen, zijn weg naar de oppervlakte vindt. Haar onderzoeksteam heeft ook röntgenexperimenten uitgevoerd bij de ALS om monsters te bestuderen van zogenaamd "gigantisch" puimsteen dat meer dan een meter lang was.

Die steen werd gewonnen uit de zeebodem in het gebied van een actieve onderwatervulkaan door een onderzoeksexpeditie in 2015 waaraan Fauria en Manga deelnamen. De expeditie, naar een locatie honderden mijlen ten noorden van Nieuw-Zeeland, werd mede geleid door Rebecca Carey, een wetenschapper die voorheen verbonden was aan de ALS van het Lab.

Onderwater vulkaanuitbarstingen zijn niet zo gemakkelijk op te sporen als uitbarstingen op het land, en drijvend puimsteen dat werd opgemerkt door een passagier in een commercieel vliegtuig, hielp onderzoekers de bron van een grote onderwateruitbarsting in 2012 op te sporen en motiveerde de onderzoeksexpeditie. Puimstenen die door vulkaanuitbarstingen onder water worden uitgespuwd, variëren sterk in grootte, maar kunnen meestal ongeveer zo groot zijn als een appel, terwijl puimstenen van vulkanen op het land meestal kleiner zijn dan een golfbal.

"We proberen te begrijpen hoe deze gigantische puimsteen is gemaakt, " zei Manga. "We begrijpen niet goed hoe uitbarstingen van onderzeeërs werken. Deze vulkaan barstte heel anders uit dan we hadden gedacht. We hopen dat we dit ene voorbeeld kunnen gebruiken om het proces te begrijpen."

Fauria was het ermee eens dat er veel te leren is van onderwatervulkaanonderzoeken, en ze merkte op dat röntgenonderzoeken aan de ALS een blijvende rol zullen spelen in het werk van haar team.