Ученые разобрались с плавающими камнями

При помощи рентгеновской микротомографии физики поняли, почему вулканическая пемза может плавать долгое время и лишь потом тонуть. Главную роль в этом играло поверхностное натяжение воды. Статья с результатами опубликована в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Вулканическая пемза представляет собой каменную породу высокой пористости, наполненную различными газами. Ее плотность настолько мала, что позволяет ей долгое время плавать на поверхности воды и, в том числе, распространять семена растений. Было известно, что плавучесть пемзы обеспечивается находящими в порах газами, однако, почему газы удерживались так долго, оставалось неясным. «Изначально считалось, что пористость пемзы, по сути, герметична, — говорит Кристен Фауриа из Калифорнийского университета в Беркли, сравнивая пемзу с плавающей закупоренной бутылкой, — но на самом деле поры открыты и соединены, больше напоминая вскрытую бутылку».

Куски породы просвечивали рентгеновскими лучами и определяли концентрации газов и воды на микронном масштабе при комнатной и повышенной температурах. Оказалось, что за удержание газов отвечает поверхностное натяжение. «Процессы, контролирующие плавучесть, происходят на масштабе человеческого волоса, — добавляет Фауриа. — Многие поры очень-очень маленькие, там поверхностное натяжение доминирует». Коллектив также обнаружил, что физико-химическая теория перколяции (протекания) дает хорошо согласующиеся оценки удержания газов, а диффузия газов объясняет постепенную потерю газу.

«Тут имеют место два процесса: один обеспечивает плавучесть, другой приводит к погружению, — дополняет соавтор Мишель Манга. — Вода заполняет только часть пористого объема». Оказалось, что предыдущие оценки времени нахождения пемзы на поверхности океана на порядки расходятся с реальным, так как поверхностное натяжение не позволяет воде вытеснить газы в течение долгого времени. Также ученые объяснили наблюдавшееся в лаборатории опускание некоторых камней вечером и всплытие днем. Оказалось, все дело в нагревании газов, которые при повышении температуры занимают больший объем.