Seigja kviku

Seigja (viskositet) er eiginleiki efnis sem við hugsum oftast ekkert um, en hún er mjög mikilvæg varðandi hegðun allra vökva, eins og til dæmis hraunkviku.  Berum til dæmis saman tvö vökva sem þið þekkið vel: vatn og tómatssósu.  Seigja tómatssósunnar er einmitt  eitt hundrað sinnum hærri en vatnsins, þegar við berum þessa vökva saman með seigjumælingu og notum seigjugildi vísindanna, en það nefnist Pa s eða paskal-sekúndur. Tjara er ótrúlega seigur vökvi, og lengsta tilraun vísindanna er tilraun með seigju tjöru.  Þessi tilraun er enn í gangi í Queensland háskólanum í Brisbane í Ástralíu, eftir 84 ár, enda á tilraunin metið í Guinness Book of Records.  Prófessor Thomas Parnell setti tjöru í trekt árið 1927 og beið síðan eftir því að dropar af tjöru læku niður úr trektinni. Hann sá fyrsta dropann falla árið 1938, og annan dropann árið 1947, rétt áður en hann dó.  Tilraunin er enn í gangi í Brisbane (vonandi hafa flóðin þar nýlega ekki haft nein slæm áhrif) en nú hafa alls átta dropar fallið, sá síðasti í nóvember árið 2000.  Seigja tjöru hefur verið reiknuð út á grundvelli þessar tilraunar, og reyndist hún 230 milljörðum hærri en seigja vatns, eða 2,3x10⁸ Pa s.   Eðlisfræðideild Queensland Háskóla í Brisbane hefur vefmyndavél á tjörutilrauninni, svo þið getið, kæru lesendur, fylgst með því þegar næsti dropi fellur, ef þið þafið mikla þolinmæði og góðan tíma og yfirleitt nennið að bíða eftir þeim merka atburði.  Vefmyndavélin er hér http://www.smp.uq.edu.au/pitch/

Það er annars upplagt að rannsaka seigju einmitt heima í eldhúsinu, og gera sjálfur tilraunir varðandi áhrif hita á seigjuna. Eftirfarnadi gildi eru fyrir seigju ýmissa efna við 20 stiga hita, gefin í pascal-sekúndum eða Pa s: vatn  0,001, hunang 10, tómatsósa 100, bráðið súkkulaði 130, hnetusmjör 250.  Myndin til hliðar sýnir seigju á nokkrum tegundum rúðuglers, eða réttara sagt heita vökvans eða kvikunnar sem myndar  rúðugler.  Svarta kúrvan sýnir áhrif hita á seigju fyrir “venjulegt” rúðugler, en einingarnar eru í log Pa s.   Seigja glerkvikunnar við um 700 stiga hita er sem sagt mörgum milljörðum sinnum hærri en við 1100 stiga hita, samkvæmt línuritinu. 

Það sem við köllum föst efni, eins og ís, hafa líka seigjueiginleika, þegar litið er á efnið í nógu miklu magni.  Heill skriðjökull af ís rennur, og er seigja jökuls um 10¹³ Pa s.   Möttlull, jarðar, lagið undir jarðskorpunni, er enn seigari.  Venjulegur möttull, eins og undir meginlöndunum, er um 10²¹ Pa s.  Möttullinn undir Íslandi er alls ekki venjulegur, þar sem hann er óvenju heitur.  Seigja okkar möttuls er um það bil 10¹⁸ Pa s og þessi lága seigja hefur þau áhrif að  lóðréttar jarðskorpuhreyfingar eru mun hraðari á Íslandi en víðast hvar á jörðu.

En snúm okkur nú að aðalefninu: seigju hraunkviku.  Það er gífurlegur munur á seigju á ýmsum tegundum af kviku, en seigjan er háð bæði hita og efnasamsetningu og einnig innihaldi vatns og annara reikulla efna í kvikunni.  Seigja kviku  getur verið allt frá 100 Pa s fyrir mjög heita basalt kviku, og allt til 10¹¹ Pa s fyrir mjög kísilríka líparít kviku, og nær sviðið á seigju kviku því yfir um ellefu stærðargráður!  Auk þess er seigjan háð þrýstingi, og er seigja kviku djúpt í jörðu, undir háum þrýstingi, því enn lægri en á yfirborði.  Heitasta og þynnsta kvikan sem við þekkjum er kölluð komatiít, og hefur hún seigjugildi um 0,1 til 10 Pa s, eða álíka og hunang.  Komatiít hraun runnu á frumöld jarðar, fyrir meir en 2,5 milljörðum ára. Síðan hefur þessi kvika ekki komið upp á yfirborð hér á okkar plánetu.  En hins vegar gýs kómatiít hraunum á plánetunni Io, eins og ég hef bloggað um hér: http://vulkan.blog.is/admin/blog/?entry_id=997761

Ég hef mælt seigju kvikunnar sem kom upp í gosinu á Fimmvörðuhálsi í fyrra, og einnig kvikunnar sem gaus í toppgíg Eyjafjallajökuls.  Aðgerðin byggist á efnagreiningu glerdropa, sem finnast inni í kristöllum.  Þessir kristallar eða steindir  hafa myndast í kvikunni á miklu dýpi, og berast upp á yfirborðið með kvikunni. Þessar mælingar á efnasamsetningu veita upplýsingar um hita, sem ég hef einnig bloggað um hér http://vulkan.blog.is/blog/vulkan/entry/1141566/

og er þá hægt að reikna út seigjuna. Niðurstöðurnar eru sýndar á myndinni til hliðar. Alkalí basalt kvika frá Fimmvörðuhálsi hefur seigju frá 5 til 50 Pa s, og hún er sem sagt lapþunn.  Hins vegar er trakíandesít kvikan sem kom upp úr toppgíg með seigju á bilinu 1000 til 4000 Pa s, eða um eitt hundrað sinnum seigari!  Þessi mikli munur á seigju er að nokkru leyti skýringin á því, hvers vegna þessi tvö eldgos voru svo gjörólík í hegðun.  Alkalí basalt kvikan var heitari, mjög þunnfljótandi og myndaði hraun.  Hins vegar var trakíandesít kvikan svo seig, að gasbólur sem mynduðust í kvikunni gatu ekki risið og sloppið út, heldur bárust upp með kvikunni og sprungu á yfirborði.  Að sjálfsögðu átti samspil kviku og bráðnandi jökuls og gufusprengingar einnig mikinn þátt  í sprengivirkninni í Eyjafjallajökli, en seigja kvikunnar er mikilvægt atriði, sem taka verður inn í reikninginn.

Athugasemdir

[Ómar Bjarki Smárason, 17.2.2011 kl. 23:26]

Seigur ertu, Haraldur, að halda þessu til haga og hafðu þakkir fyrir. Geore Walker var með klump af tjöru á statívi á skrifstofu sinni í Imperial College i London svona til að gera mönnum grein fyrir seigju súrrar rhýolít kviku. En trektin er hrein snilld og sýnir þá þolinmæði biðlund sem vísindamenn þurfa stundum að hafa.....!