Es cierto, algunas rocas pueden flotar en el agua durante años. 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 (Laboratorio de Berkeley) han ayudado a los científicos a resolver este misterio al escanear muestras del interior de materiales livianos, vidrioso, y rocas volcánicas porosas conocidas como piedras pómez. Los experimentos de rayos X se realizaron 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 miles de millas, puede ayudar a los científicos a descubrir erupciones volcánicas submarinas.

Y, Más allá de eso, aprender sobre su flotación puede ayudarnos a comprender cómo propaga las especies por el planeta; La piedra pómez es rica en nutrientes y sirve fácilmente como portador marino de vida vegetal y otros organismos. 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 rondando la literatura durante mucho tiempo, y no se había resuelto "dijo Kristen E. Fauria, un estudiante graduado de UC Berkeley que dirigió el estudio, publicado en Cartas de ciencia terrestre y planetaria .

Si bien los científicos han sabido que la piedra pómez puede flotar debido a las bolsas de gas en sus poros, se desconocía cómo esos gases permanecen atrapados dentro de la piedra pómez durante períodos prolongados. Si empapa suficiente agua en una esponja, por ejemplo, se hundirá.

"Originalmente se pensó que la porosidad de la piedra pómez está esencialmente sellada, "Fauria dijo, como una botella con corcho flotando en el mar. Pero los poros de la piedra pómez están en gran parte abiertos y conectados, más como una botella descorchada. "Si dejas la tapa puesta y todavía flota ... ¿qué está pasando?"

Incluso se ha observado que algunas piedras pómez "se balancean" en el laboratorio, se hunden durante la noche y salen a la superficie durante el día.

Para entender lo que está funcionando en estas rocas, El equipo usó cera para recubrir trozos de piedra pómez expuesta al agua de la muestra del volcán Medicine Lake cerca del monte Shasta en el norte de California y del volcán Santa María en Guatemala.

Luego utilizaron una técnica de imágenes de rayos X en la ALS conocida como microtomografía para estudiar las concentraciones de agua y gas, en detalle medido en micrones, o milésimas de milímetro, dentro de muestras de piedra pómez precalentadas ya temperatura ambiente.

Las imágenes tridimensionales detalladas producidas por la técnica requieren una gran cantidad de datos, lo que planteó 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, un 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 encontraron que los procesos de atrapamiento de gas 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 sobre ella que actúa como una piel delgada; esto permite que algunas criaturas, incluyendo insectos y lagartos, caminar sobre el agua.

"El proceso que controla esta flotación ocurre en la escala del cabello humano, "Dijo Fauria." Muchos de los poros son realmente, realmente pequeño, como pajitas finas, todas enrolladas juntas. Así que la tensión superficial realmente domina ".

El equipo también encontró que una formulación matemática conocida como teoría de percolación, que ayuda a comprender cómo un líquido entra en un material poroso, proporciona un buen ajuste para el proceso de captura de gas en piedra pómez. Y la difusión de gas, que describe cómo las moléculas de gas buscan áreas de menor concentración, explica la eventual pérdida de estos gases que hace que las piedras se hundan.

Michael Manga, un científico de planta en la División de Geociencias de Energía de Berkeley Lab y un profesor en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias en UC Berkeley que participó en el estudio, dijo, "Hay dos procesos diferentes:uno que deja flotar la piedra pómez y otro que hace que se hunda, "y los estudios de rayos X ayudaron a cuantificar estos procesos por primera vez. El estudio mostró que las estimaciones anteriores para el tiempo de flotación estaban en algunos casos desviadas en varios órdenes de magnitud.

"Kristen tuvo la idea de que, en retrospectiva, es obvio, "Manga dijo, "esa agua está llenando sólo una parte del espacio de los poros". El agua rodea y atrapa los gases en la piedra pómez, formando burbujas que hacen que las piedras floten. La tensión superficial sirve para mantener estas burbujas encerradas en el interior durante períodos prolongados. El balanceo observado en 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 desciende.

El trabajo de rayos X en la ALS, junto con estudios de pequeños trozos de piedra pómez flotando en el agua en el laboratorio de Manga en UC Berkeley, ayudó a los investigadores a desarrollar una fórmula para predecir cuánto tiempo flotará una piedra pómez en función de su tamaño. Manga también ha utilizado una técnica de rayos X en la ALS llamada microdifracción, que es útil para estudiar el origen de los cristales en rocas volcánicas.

Dula Parkinson, un científico investigador del 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, y cómo pueden unir esa información con otras piezas para resolver acertijos realmente complicados ".

El estudio reciente provocó más preguntas sobre la piedra pómez flotante, Fauria dijo, como la piedra pómez, Expulsado de volcanes submarinos profundos, encuentra su camino hacia la superficie. Su equipo de investigación también ha realizado experimentos de rayos X en la ALS para estudiar muestras de la llamada 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 Rebecca Carey, un científico anteriormente afiliado al ALS del laboratorio.

Las erupciones de volcanes submarinos no son tan fáciles de rastrear como las erupciones en tierra, y la piedra pómez flotante detectada por un pasajero en un avión comercial en realidad ayudó a los investigadores a rastrear el origen de una gran erupción submarina que ocurrió en 2012 y motivó la expedición de investigación. Las piedras pómez arrojadas por erupciones volcánicas submarinas varían mucho en tamaño, pero generalmente pueden ser del tamaño de una manzana. mientras que las piedras pómez de los volcanes terrestres 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 de forma completamente diferente a lo que supusimos. Nuestra esperanza es que podamos utilizar este ejemplo para comprender 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 la ALS desempeñarán un papel continuo en el trabajo de su equipo.