News

Bagaimana Sinar-X Pecahkan Misteri Batu-batu yang Mengapung di Lautan

[Foto: Shutterstock]
Memang benar, beberapa batu bisa mengapung di atas air selama bertahun-tahun. Namun kini, ilmuwan tahu bagaimana batu-batu tersebut bisa mengapung, dan apa yang menyebabkan mereka akhirnya tenggelam.

Studi sinar-X di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley milik Departemen Energi (Berkeley Lab) telah membantu ilmuwan memecahkan misteri ini dengan memindai sampel batuan vulkanik ringan, transparan, dan berpori yang dikenal sebagai batu apung. Eksperimen sinar-X dilakukan di Sumber Cahaya Lanjutan Berkeley Lab, sumber sinar-X yang dikenal sebagai sinkrotron.

Daya apung yang mengejutkan dari bebatuan ini —yang dapat membentuk puing-puing puing-puing mil-mil di laut yang dikenal sebagai rakit apung yang dapat berjalan sejauh ribuan mil— dapat membantu ilmuwan menemukan letusan gunung berapi bawah laut.

Namun lebih dari itu, mempelajari kemampuan mengapung batu-batu tersebut dapat membantu kita memahami bagaimana spesies menyebar di sekitar planet ini. Batu apung adalah nutrisi yang kaya dan mudah berfungsi sebagai pembawa pelaut kehidupan tanaman dan organisme lainnya. Batu apung apung juga bisa menjadi bahaya bagi kapal, karena campuran pumis yang menyerupai abu bisa menyumbat mesin.

“Pertanyaan tentang bagaimana batu apung bisa mengapung sudah lama beredar, dan belum terselesaikan,” kata Kristen E. Fauria, seorang mahasiswa pascasarjana UC Berkeley yang memimpin penelitian tersebut, yang diterbitkan di Earth and Planetary Science Letters.

Sementara ilmuwan telah mengetahui bahwa batu apung dapat mengapung karena kantong gas di pori-porinya, tidak diketahui bagaimana gas tersebut tetap terjebak di dalam batu apung untuk waktu yang lama. Jika Anda menyerap cukup air dalam spons, misalnya, spons lama-lama akan tenggelam.

“Awalnya diperkirakan porositas batu apung yang tersegel dari air,” kata Fauria, seperti botol dengan sumbatnya yang mengapung di laut. Tapi pori-pori batu biasanya terbuka dan terhubung —lebih seperti botol yang tidak disumbat. “Jika Anda menanggalkan sumbatnya dan botol masih mengapung … apa yang Anda pikirkan?”

Baca Juga:  Apple Akan Segera Hapus Aplikasi-Aplikasi yang 'Kadaluarsa' Dari App Store

Beberapa batu apung bahkan pernah diamati di laboratorium, dan beberapa tenggelam pada malam hari dan mengapung di siang hari.

Untuk memahami apa yang terjadi dengan bebatuan ini, tim tersebut menggunakan lilin untuk melapisi potongan batu apung yang ada di Medicine Lake Volcano di dekat Gunung Shasta di California Utara dan Santa María Volcano di Guatemala.

Mereka kemudian menggunakan teknik pencitraan sinar-X di ALS yang dikenal sebagai mikrotomografi untuk mempelajari konsentrasi air dan gas —yang secara rinci diukur dalam mikron, atau seperseribu milimeter— pada sampel batu apung dipanaskan dan batu apung yang berada pada suhu kamar.

Gambaran rinci 3-D yang dihasilkan oleh teknik ini sangat data-intensif, yang merupakan tantangan untuk upaya mengidentifikasi secara cepat konsentrasi gas dan air yang ada di pori-pori batu apung.

Untuk mengatasi masalah ini, Zihan Wei, seorang peneliti sarjana tamu dari Universitas Peking, menggunakan perangkat lunak analisis data yang menggabungkan pembelajaran mesin untuk secara otomatis mengidentifikasi komponen gas dan air.

Periset menemukan bahwa proses perangkap gas yang dimainkan di batu apung berhubungan dengan “ketegangan permukaan” atau interaksi kimia antara permukaan air dan udara di atasnya yang bertindak seperti kulit tipis. Ini memungkinkan beberapa makhluk, termasuk serangga dan kadal, untuk benar-benar berjalan di atas air.


“Proses yang mengendalikan kemampuan mengapung ini terjadi pada skala rambut manusia,” kata Fauria. “Banyak pori-pori yang benar-benar sangat kecil, seperti sedotan tipis yang saling berdekatan. Jadi, ketegangan permukaan benar-benar mendominasi.”

Peneliti juga menemukan bahwa formulasi matematis yang dikenal sebagai teori perkolasi, yang membantu memahami bagaimana cairan memasuki material berpori, memberikan kecocokan yang baik untuk proses perangkap gas pada batu apung. Dan difusi gas —yang menggambarkan bagaimana molekul gas mencari area dengan konsentrasi rendah— menjelaskan mengapa gas menghilang, yang menyebabkan batu-batu tersebut tenggelam.

Baca Juga:  Drone Temukan Tanaman Super Langka di Pulau Terpencil Hawaii

Michael Manga, seorang ilmuwan staf di Berkeley Lab Energy Geosciences Division dan seorang profesor di Departemen Ilmu Bumi dan Planet di UC Berkeley yang berpartisipasi dalam penelitian ini, mengatakan, “Ada dua proses yang berbeda: yang memungkinkan mengapung apung dan yang membuat Itu tenggelam.”

Studi sinar-X membantu mengukur proses ini untuk pertama kalinya. Studi tersebut menunjukkan bahwa perkiraan sebelumnya untuk waktu flotasi dalam beberapa kasus diimbangi beberapa kali lipat.

“Kristen memiliki gagasan bahwa di belakang sudah jelas,” kata Manga, “air itu hanya mengisi sebagian dari ruang pori-pori.” Air mengelilingi dan perangkap gas di batu apung, membentuk gelembung yang membuat batu apung. Ketegangan permukaan berfungsi untuk menjaga agar gelembung ini terkunci di dalam untuk waktu yang lama. Terobosan yang diamati pada percobaan laboratorium pengapungan apung dijelaskan oleh gas yang terperangkap yang meluas selama adanya panas matahari, yang menyebabkan batu-batunya mengapung sementara sampai suhu turun.

Penelitian sinar-X di ALS, ditambah dengan studi tentang potongan-potongan kecil batu apung yang mengambang di air di laboratorium Manga di UC Berkeley, membantu para peneloto mengembangkan formula untuk memprediksi berapa lama batu apung biasanya mengapung berdasarkan ukurannya.

Manga juga menggunakan teknik sinar-X di ALS yang disebut microdiffraction, yang berguna untuk mempelajari asal mula kristal di batuan vulkanik.

“Saya selalu takjub dengan banyaknya informasi yang bisa didapat Michael Manga dan kolaboratornya dari gambar yang mereka kumpulkan di ALS, dan bagaimana mereka dapat menggabungkan informasi tersebut dengan bagian lain untuk memecahkan teka-teki yang benar-benar rumit,” kata Dula Parkinson, seorang ilmuwan riset di Berkeley Lab’s ALS yang membantu percobaan mikrotomografi tim tersebut.

Baca Juga:  Susul Apple Pay dan Samsung Pay, Kini Android Pay Sudah Tersedia di Singapura

Studi baru-baru ini memicu lebih banyak pertanyaan dan penelitian tentang batu apung mengambang, seperti bagaimana batu apung —yang dikeluarkan dari gunung berapi bawah laut yang dalam— menemukan jalan ke permukaan. Tim risetnya juga telah melakukan percobaan sinar-X di ALS untuk mempelajari sampel dari batu apung “raksasa” yang berukuran lebih dari satu meter.

Batu itu ditemukan dari dasar laut di daerah gunung berapi bawah laut yang aktif oleh sebuah ekspedisi penelitian 2015 yang diikuti oleh Fauria dan Manga. Ekspedisi tersebut, menjelajahi sebuah lokasi yang berjarak ratusan mil utara Selandia Baru, dipimpin oleh Rebecca Carey, seorang ilmuwan yang sebelumnya berafiliasi dengan ALS.

Letusan gunung berapi bawah air tidak mudah dilacak seperti letusan di darat. Sebuah batu apung raksasa yang terlihat oleh seorang penumpang di pesawat komersial benar-benar membantu peneliti melacak sumber letusan bawah air utama yang terjadi pada tahun 2012 dan memotivasi ekspedisi penelitian. Batu apung yang dimuntahkan dari letusan gunung berapi bawah laut besarnya sangat bervariasi, namun biasanya berukuran seukuran apel, sedangkan batu apung dari gunung berapi di darat cenderung lebih kecil dari bola golf.

“Kami mencoba memahami bagaimana batu apung raksasa ini terjadi,” kata Manga. “Kami belum memahami bagaimana letusan kapal selam terjadi. Gunung api ini meletus (dengan keadaan yang) sama sekali berbeda dari yang kami perkirakan. Semoga kita bisa menggunakan contoh yang satu ini untuk memahami prosesnya.”

Fauria setuju bahwa ada banyak pelajaran yang bisa diambil dari studi gunung berapi bawah laut, dan dia mencatat bahwa penelitian sinar-X di ALS akan memainkan peran berkelanjutan dalam pekerjaan timnya.