Tillbaka när han arbetade med sin doktorsexamen. i geofysik vid University of Chicago på 1980-talet, Dork Sahagian tog en paus en dag från att studera lavaflöden för att gå på en föreläsning om hur regndroppar bildas i moln.

Det han lärde sig gav honom ett nytt perspektiv på lava och inspirerade honom att utveckla en ny metod för att uppskatta den historiska höjden av jordens landytor.

"På föreläsningen säger Sahagian, som nu är professor i jord- och miljövetenskap vid Lehigh, "en atmosfärsfysiker visade hur större regndroppar faller snabbare eftersom de har ett större förhållande mellan volym och yta och därmed en högre sluthastighet än mindre regndroppar.

"På grund av detta, de större dropparna kommer ikapp de mindre dropparna och smälter samman med dem. Regndroppar växer sedan i storlek, vilket gör att storleksfördelningen blir större."

Just då, Sahagian studerade vesiklarna, eller luftbubblor, som blir suspenderade i de härdade flödena av basalt lava, en mycket flytande form av smält sten som spys ut av vulkaner. Vesiklerna bildas och fångas i lavaflödets övre och undre skikt; mellanskiktet, den sista att stelna, förblir bubbelfri.

Fysikerns föreläsning ledde till ett Eureka-ögonblick för Sahagian.

"Jag vände upp och ner på himlen, så att säga, " minns han. "Jag föreställde mig de större lavabubblorna som flödade uppåt, som bubblorna i champagne eller läsk, och komma ikapp de mindre bubblorna och sedan smälta ihop och stiga ännu snabbare."

De övre och nedre skikten av lavan, Sahagian antog, bör innehålla ungefär samma storlek av bubblor och samma fördelning av bubblor. Han gjorde några matematiska beräkningar och skrev en modell som beskrev ökningen, tillväxt och koalescens av bubblor i ett lavaflöde.

"Men så en dag insåg jag att storleksfördelningen av bubblorna i toppen av flödet borde skilja sig från fördelningen på botten även om lavan kommer från samma vulkaniska magma, " sa han. "Det är för att på toppen, bubblorna utsätts endast för atmosfärstryck, medan på botten, de utsätts för atmosfärstryck såväl som för det hydrostatiska trycket från vikten av lavan ovanför."

Således, Sahagian resonerade, genom att beräkna förhållandet mellan modal bubbelstorlek i lavans övre och undre lager, och relaterar detta till lavaflödets tjocklek och ålder, han kunde bestämma det atmosfäriska trycket som rådde när lavan lade sig, eller härdas till sin slutliga position. (Modalstorleken är storleksintervallet med den största populationen av bubblor.)

"Med andra ord, förhållandena mellan bubblornas volymer bör vara desamma som förhållandet mellan trycken. Om vi ​​kan mäta bubbelvolymerna och lavans tjocklek, vi kan lösa för atmosfärstryck."

Och med tanke på att atmosfärstrycket sjunker som en funktion av ökande höjd, Sahagian drog vidare slutsatsen att det borde vara möjligt att avgöra på vilken höjd lavan låg.

Flera år senare, Sahagian, vid det här laget en fakultetsmedlem vid Ohio State University, åkte till Hawaii för att testa formeln i basaltiska lavaflöden som hade hårdnat under vulkanutbrottet 1959 av Mauna Loa.

"När du är osäker, " han säger, "gå till Hawaii."

Sahagian och hans elev, Joe Maus, uppmätta bubbelstorlekar och fördelning i prover tagna från basen av Mauna Loa vid havsnivån och från dess topp vid 12, 000 fots höjd. För att undvika skeva resultat, de provade bara helt enkelt placerade, välbevarade och exponerade lavaflöden som inte hade förändrats — genom uppblåsning eller dränering — sedan de övre och nedre delarna av flödena stelnat.

"Vi spanade mycket runt innan vi hittade rätt sorts flöden, " Sahagian sa. "Vi ville försäkra oss om att vesiculariteten vi mätte verkligen var en funktion av stratigrafisk position i flödet."

Forskarna beräknade förhållandet mellan den genomsnittliga bubbelstorleken i lavans övre och undre lager vid basen av Mauna Loa och bestämde sedan samma förhållande för lavan vid vulkanens toppmöte. Skillnaden mellan de två förhållandena var signifikant, och det motsvarade ungefär skillnaden i atmosfärstryck mellan toppen och basen av Mauna Loa. Sahagian och Maus rapporterade sina resultat i Nature magazine 1994 i en artikel med titeln "Basalt Vesicularity as a Measure of Atmospheric Pressure and Paleoelevation."

"Om atmosfäriskt havsnivåtryck är känt (eller antas), " de skrev, "Vesikelstorleksfördelningar i basaltflöden kan alltså användas som en indikator på paleoelevation av emplacement. Analys av vesikelstorleksfördelningen av basaltprover som samlats in från toppen och basen av Mauna Loa-vulkanen på Hawaii [visar] att tekniken ger uppskattningar av omgivande tryck som gav uppskattningar av höjden med en upplösning på cirka 400 meter."

"Vi var glada över detta, " säger Sahagian. "Det fanns egentligen inga bra geologiska paleoaltimetrar för att berätta hur högt ett landområde var om det inte var vid havsnivån. Vi kunde mäta vattendjupet bättre än vi kunde mäta höjd.

"Men nu hade jag gjort en paleoaltimeter av en trivial matematisk formel, och det fungerade."

Sahagian tog sedan sin nya teknik till Coloradoplatån, som täcker stora delar av Utah, Colorado, Arizona och New Mexico. Forskare som använde olika metoder för att mäta platåns geologiskt senaste höjdhöjning hade kommit fram till till synes motsägelsefulla slutsatser om när – och därmed varför – höjningen inträffade.

"Vi försökte lösa en tvist mellan de som sa att det här var en ny upplyftning och de som sa att det var uråldrigt. Det visade sig att båda grupperna hade rätt. Platån har varit upplyftande i minst 30 miljoner år men den har varit upplyftande snabbare i de senaste fem till tio miljoner åren än det var tidigare."

Senast, Sahagian har rest till Hangaybergen i centrala Mongoliet för att ta sig an ett annat geologiskt pussel:Hur gjorde en relativt hög region - Hangay är en platå med toppar som når 13, 000 fot i höjd - förekommer i ett kontinentalt inland där höjderna vanligtvis är låga? Också, Hangay ligger nära stora sprickzoner som sträcker sig och som kan förväntas ha en utplattande effekt på topografin.

Sahagian och hans medarbetare, Alex Proussevitch från University of New Hampshire och tidigare från Siberian Academy of Sciences i Novosibirsk, Ryssland, är en del av ett tvärvetenskapligt team av två dussin forskare som har tillbringat sju år med att studera Hangay med ett anslag från National Science Foundation. Teamet inkluderar Lehigh-fakultetsmedlemmar Peter Zeitler, en geokronolog, Anne Meltzer, en seismolog, och Bruce Idleman, en senior forskare. Forskarna hoppas kunna kasta ljus över jordens geologiska historia och på kopplingarna som länkar samman kontinental deformation, utvecklingen av topografi och globalt klimat.

I Mongoliet, den första ordern för Sahagian och Proussevitch och deras kollegor var att söka efter prover av välexponerade, oförändrad lava vars tjocklek kunde mätas exakt. Eftersom Hangaybergen är en region med robust topografi med få vägar och lite om någon infrastruktur, gruppen ansåg sig vara lyckligt lottad att hitta en rysktalande förare med en terrängbil.

"Vi spanade mycket runt och samlade in prover, " säger Sahagian. "Vi försökte se till att dessa lavaplatser hade bra exponering och att vi kunde se toppen och botten av ett lavaflöde. Vi gick över hela Hangayplatån och de omgivande områdena, inklusive Gobiöknen, där det också fanns lavaflöden."

Gruppen samlade in prover som borrade 1-tums kärnor. Exemplaren daterades av Zeitler och hans elever i Lehighs Geochronology Lab och visade sig variera i ålder från 100, 000 år till 3-4 miljoner år till 9,5 miljoner år.

"Vi hade turen att få en bra åldersfördelning, säger Sahagian.

Forskarna använde sedan högupplöst datorröntgentomografiskanning för att mäta bubbelstorlekar och fördelningar i de övre och nedre lagren av varje lavaprov. De bestämde sedan förhållandet mellan genomsnittliga vesikelstorlekar mellan skikten och, senare, atmosfärstrycket vid tidpunkten för placeringen.

Gruppen rapporterade sina resultat förra året i en artikel i Journal of Geology med titeln "Uplift of Central Mongola Recorded in Vesicular Basalts." Dess huvudsakliga slutsats:Hangaybergen har stigit i höjd med cirka 1 kilometer, plus eller minus några hundra meter, under de senaste 10 miljoner åren. När denna upphöjning inträffade, och om det hände på en gång, gradvis eller i anfall och börjar, har ännu inte fastställts.

Sahagian säger att mycket arbete återstår att göra i Hangaybergen.

"Detta är ett av våra första resultat. Många olika hypoteser har föreslagits om varför Hangay-regionen är hög och varför den är upplyftande. Vi hoppas kunna testa dessa och utveckla en egen hypotes. Vi väntar på att resultat av seismiskt arbete som kommer att berätta mer om mantelns djupa struktur och övre och nedre litosfären.

"Men när det gäller vårt arbete med basalt vesicularity, vårt resultat är robust. En kilometer på 10 miljoner år är inte en onormal höjningshastighet. Det är väldigt överensstämmande med vad andra hittar. Hur tolkar vi det resultatet? Det är den större bilden, och det måste fortfarande lösas."