A formação de gelo acelera a liberação de ferro nos solos árticos

Ice speeds mineral breakdown

A maioria das estimativas sobre quanto ferro circula por solos do Ártico e de regiões montanhosas parte de uma ideia bem estabelecida: quando o solo congela, a química “entra em marcha lenta”. Quanto mais frio o terreno, menor a quebra de minerais.

Um experimento conduzido por pesquisadores no norte da Suécia desafia essa lógica. Em vez de frear tudo, o gelo pode acelerar a liberação de ferro a partir de minerais comuns do solo - em alguns casos, por mais de quatro vezes em comparação com água líquida fria.

Jean-François Boily, professor do Departamento de Química da Universidade de Umeå, passa anos questionando a suposição de que ambientes congelados sejam quimicamente silenciosos.

A equipe decidiu testar isso de forma direta. Eles focaram em minerais de ferro, em especial a goethita - um mineral de cor ferrugem presente em solos, sedimentos e poeira.

O experimento foi feito de duas maneiras: uma em água líquida logo acima do ponto de congelamento e outra em gelo sólido bem abaixo dele.

No gelo, o mineral se degradou mais rápido do que no líquido frio. O aumento acompanhou com precisão o quanto cada sal dissolvido se liga ao ferro.

The role of tiny liquid pockets

A explicação mais provável está no que acontece quando a água congela. O gelo puro não “acomoda” sais dissolvidos nem minerais em suspensão, então esses materiais são empurrados para fora.

Essas impurezas acabam reunidas em minúsculos bolsões de líquido remanescente presos entre cristais de gelo.

Ali, as concentrações podem chegar a cerca de 500 vezes mais altas do que na água ao redor, o que aparentemente impulsiona a química mais rápida.

Nesses bolsões superconcentrados, a reação que arranca ferro de um grão mineral pode acontecer muito mais depressa do que ocorreria em um líquido diluído.

Não é o gelo que faz a química - ele concentra os ingredientes e os mantém no lugar.

Salt drives a faster reaction

O grupo testou quatro compostos dissolvidos - fluoreto, sulfato, cloreto e perclorato. Três se ligam ao ferro com forças diferentes, enquanto o perclorato quase não interage com o ferro e funcionou como controle.

Em água líquida, os ligantes mais fortes retiraram ferro do mineral mais rapidamente do que os fracos. Essa ordem já era conhecida - esperava-se que o gelo reduzisse tudo.

Só que os pesquisadores viram o contrário. Todo sal reativo dissolveu ferro mais rápido no gelo do que no líquido.

O fluoreto, o ligante mais forte, liberou mais de quatro vezes mais ferro no gelo do que na água líquida fria. O perclorato não dissolveu nada em nenhuma das fases.

“O resultado foi notavelmente claro. O gelo aumentou a taxa de dissolução para todo sal que se liga ao ferro, e quanto mais forte a ligação, maior o aumento”, disse Boily.

Why iron counts

O ferro controla o crescimento de plâncton e algas em grandes áreas do oceano aberto, regulando discretamente quanto carbono a água consegue absorver.

Uma longa linha de pesquisas o coloca entre os elementos-traço mais relevantes na química ambiental.

Ele também se liga ao carbono orgânico nos solos e altera a cor e a acidez de águas naturais. A quantidade que sai do solo congelado para rios e zonas costeiras muda as regras dos ecossistemas a jusante.

Regiões frias guardam enormes reservas de ferro presas em solos de permafrost, sedimentos glaciais e terrenos que congelam sazonalmente.

Entender como esse ferro chega a rios e oceanos está perto do centro de como o Ártico responde ao aquecimento.

Rivers turn orange

O resultado de laboratório combina com algo que já vem acontecendo no norte do Alasca.

Na última década, mais de 200 riachos antes cristalinos ficaram com um tom laranja leitoso, manchados por ferro e metais que vazam de terrenos em degelo.

Pesquisadores ligaram esse escoamento cor de ferrugem ao permafrost, que ao descongelar expõe minerais enterrados ao intemperismo.

A nova química do gelo acrescenta outro mecanismo: mesmo sem o solo ter derretido por completo, ele pode liberar ferro por reações dentro de seus bolsões congelados.

Esses riachos agora carregam ferro e metais dissolvidos em níveis suficientes para prejudicar insetos aquáticos e ameaçar populações de salmão, como documentado em um estudo recente.

Saber quais reações acontecem dentro do gelo dá aos pesquisadores de campo um guia mais claro do que monitorar.

Models underestimate frozen soil chemistry

A maioria dos modelos ambientais trata o congelamento como o momento em que a química para, calculando a quebra de minerais a partir de dados de temperaturas mais altas e reduzindo os valores.

As novas medições sugerem que essa estratégia tem apontado para a direção errada.

Cerca de 17% da superfície terrestre está sobre permafrost, com áreas ainda maiores passando por ciclos de congelamento e degelo todos os anos.

Se o gelo acelera a liberação de ferro em vez de freá-la, modelos de fluxo de nutrientes vêm trabalhando com entradas incompletas.

Essa subcontagem aparece nas projeções de armazenamento de carbono em solos do norte, na qualidade da água em rios do Ártico e na entrega de ferro para o plâncton costeiro. Nenhuma dessas projeções foi construída considerando uma química ativa dentro do gelo.

A predictive pattern emerges

Apesar de toda a química complicada que ocorre dentro do gelo, o novo resultado é surpreendentemente organizado.

Uma única propriedade - o quão forte um composto se liga ao ferro - previu quanto o gelo amplificaria a quebra do mineral em todos os compostos testados.

Até este estudo, ninguém tinha estabelecido uma regra tão limpa conectando a força de ligação à quebra de minerais impulsionada pelo gelo. Simples o suficiente, ao que parece, para ser encaixada diretamente em modelos ambientais.

Boily disse que a consistência entre todos os compostos pegou a equipe de surpresa.

Se esse padrão se mantiver de forma ampla, ele pode permitir que modeladores prevejam a liberação de minerais impulsionada pelo gelo a partir de uma única propriedade química - algo que as projeções de nutrientes em regiões frias nunca levaram em conta.

Image Credit: USGS