É verdade - algumas rochas podem flutuar na água por anos a fio. E agora os cientistas sabem como fazem isso, e o que os faz afundar.

Estudos de raios-X no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) ajudaram os cientistas a resolver este mistério digitalizando amostras de materiais leves, vítreo, e rochas vulcânicas porosas conhecidas como pedras-pomes. Os experimentos de raios-X foram realizados no Berkeley Lab's Advanced Light Source, uma fonte de raios-X conhecida como síncrotron.

A flutuabilidade surpreendentemente longa dessas rochas - que podem formar manchas de detritos de quilômetros de extensão no oceano conhecidas como jangadas de pedra-pomes que podem viajar por milhares de quilômetros - pode ajudar os cientistas a descobrir erupções vulcânicas subaquáticas.

E, além disso, aprender sobre sua flutuação pode nos ajudar a entender como ele espalha as espécies ao redor do planeta; a pedra-pomes é rica em nutrientes e serve prontamente como um portador marítimo da vida das plantas e de outros organismos. Pedra-pomes flutuante também pode ser um perigo para os barcos, já que a mistura de pedra-pomes moída pode entupir os motores.

"A questão da pedra-pomes flutuante está presente na literatura há muito tempo, e não tinha sido resolvido, "disse Kristen E. Fauria, um estudante de graduação da UC Berkeley que liderou o estudo, publicado em Cartas da Terra e da Ciência Planetária .

Embora os cientistas saibam que a pedra-pomes pode flutuar por causa de bolsas de gás em seus poros, não se sabia como esses gases permanecem presos dentro da pedra-pomes por períodos prolongados. Se você absorver água suficiente em uma esponja, por exemplo, vai afundar.

"Pensou-se originalmente que a porosidade da pedra-pomes é essencialmente selada, "Fauria disse, como uma garrafa com rolha flutuando no mar. Mas os poros da pedra-pomes estão, na verdade, amplamente abertos e conectados - mais como uma garrafa sem rolha. "Se você deixar a tampa aberta e ela ainda flutuar ... o que está acontecendo?"

Algumas pedras-pomes também foram observadas "balançando" no laboratório - afundando durante a noite e voltando à superfície durante o dia.

Para entender o que está acontecendo nessas rochas, a equipe usou cera para revestir pedaços de pedra-pomes expostos à água, coletados no vulcão Medicine Lake, próximo ao Monte Shasta, no norte da Califórnia, e no vulcão Santa María, na Guatemala.

Eles então usaram uma técnica de imagem de raios-X no ALS conhecida como microtomografia para estudar as concentrações de água e gás - em detalhes medidos em mícrons, ou milésimos de milímetro - em amostras de pedra-pomes pré-aquecidas e em temperatura ambiente.

As imagens 3D detalhadas produzidas pela técnica usam muitos dados, o que representou um desafio em identificar rapidamente as concentrações de gás e água presentes nos poros das amostras de pedra-pomes.

Para resolver este problema, Zihan Wei, um pesquisador visitante de graduação da Universidade de Pequim, usou uma ferramenta de software de análise de dados que incorpora aprendizado de máquina para identificar automaticamente os componentes de gás e água nas imagens.

Os pesquisadores descobriram que os processos de aprisionamento de gás que estão em jogo nas pedras-pomes estão relacionados à "tensão superficial, "uma interação química entre a superfície da água e o ar acima dela que age como uma pele fina - isso permite que algumas criaturas, incluindo insetos e lagartos, para realmente andar sobre a água.

"O processo que controla essa flutuação acontece na escala do cabelo humano, "Fauria disse." Muitos dos poros são realmente, muito pequeno, como canudos finos todos enrolados juntos. Portanto, a tensão superficial realmente domina. "

A equipe também descobriu que uma formulação matemática conhecida como teoria da percolação, o que ajuda a entender como um líquido entra em um material poroso, fornece um bom ajuste para o processo de retenção de gás em pedra-pomes. E a difusão de gás - que descreve como as moléculas de gás buscam áreas de concentração mais baixa - explica a eventual perda desses gases que fazem com que as pedras afundem.

Michael Manga, um cientista da equipe da Divisão de Geociências de Energia do Berkeley Lab e um professor do Departamento de Ciências da Terra e Planetárias da UC Berkeley que participou do estudo, disse, “Existem dois processos diferentes:um que deixa a pedra-pomes flutuar e outro que a faz afundar, "e os estudos de raios-X ajudaram a quantificar esses processos pela primeira vez. O estudo mostrou que as estimativas anteriores para o tempo de flutuação estavam erradas em alguns casos em várias ordens de magnitude.

"Kristen teve a ideia de que, em retrospectiva, é óbvio, "Mangá disse, "essa água está preenchendo apenas parte do espaço dos poros." A água envolve e retém gases na pedra-pomes, formando bolhas que tornam as pedras flutuantes. A tensão superficial serve para manter essas bolhas fechadas por períodos prolongados. A oscilação observada em experimentos de laboratório de flutuação de pedra-pomes é explicada pela expansão do gás aprisionado durante o calor do dia, o que faz com que as pedras flutuem temporariamente até que a temperatura caia.

O trabalho de raios-X no ALS, juntamente com estudos de pequenos pedaços de pedra-pomes flutuando na água no laboratório UC Berkeley de Manga, ajudou os pesquisadores a desenvolver uma fórmula para prever quanto tempo uma pedra-pomes irá flutuar com base em seu tamanho. Manga também usou uma técnica de raios-X no ALS chamada microdifração, que é útil para estudar as origens dos cristais nas rochas vulcânicas.

Dula Parkinson, um cientista pesquisador do ALS do Berkeley Lab que ajudou nos experimentos de microtomografia da equipe, disse, "Sempre fico surpreso com a quantidade de informações que Michael Manga e seus colaboradores conseguem extrair das imagens que coletam na ALS, e como eles são capazes de juntar essas informações com outras peças para resolver quebra-cabeças realmente complicados. "

O estudo recente gerou mais perguntas sobre pedra-pomes flutuante, Fauria disse, como como pedra-pomes, ejetado de vulcões subaquáticos profundos, encontra o seu caminho para a superfície. Sua equipe de pesquisa também conduziu experimentos de raios-X no ALS para estudar amostras da chamada pedra-pomes "gigante" que mede mais de um metro de comprimento.

Essa pedra foi recuperada do fundo do mar na área de um vulcão subaquático ativo por uma expedição de pesquisa de 2015 da qual Fauria e Manga participaram. para um local a centenas de quilômetros ao norte da Nova Zelândia, foi co-liderado por Rebecca Carey, um cientista anteriormente afiliado ao ALS do laboratório.

As erupções do vulcão subaquático não são tão fáceis de rastrear como as erupções na terra, e pedra-pomes flutuante vista por um passageiro em uma aeronave comercial na verdade ajudou os pesquisadores a rastrear a origem de uma grande erupção subaquática que ocorreu em 2012 e motivou a expedição de pesquisa. Pedras-pomes expelidas de erupções vulcânicas subaquáticas variam amplamente em tamanho, mas normalmente podem ser do tamanho de uma maçã, enquanto as pedras-pomes dos vulcões terrestres tendem a ser menores do que uma bola de golfe.

"Estamos tentando entender como essa pedra-pomes gigante foi feita, "Disse Mangá." Não entendemos bem como funcionam as erupções de submarinos. Este vulcão entrou em erupção de forma completamente diferente da nossa hipótese. Nossa esperança é que possamos usar este único exemplo para entender o processo. "

Fauria concordou que há muito a aprender com os estudos de vulcões subaquáticos, e ela observou que os estudos de raios-X no ALS desempenharão um papel contínuo no trabalho de sua equipe.