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

Ice speeds mineral breakdown

A maioria das estimativas sobre quanto ferro circula em solos do Ártico e de regiões montanhosas parte de uma ideia quase automática: quando o solo congela, a química “entra em marcha lenta”. Quanto mais frio o chão, menor a quebra de minerais - e, portanto, menor a liberação de elementos como o ferro.

Mas um experimento feito no norte da Suécia coloca essa lógica em xeque. Os pesquisadores descobriram que o gelo pode arrancar ferro de minerais comuns do solo mais rápido do que a água líquida fria - em alguns casos, mais de quatro vezes mais rápido.

Jean-François Boily, professor do Departamento de Química da Universidade de Umeå, passou anos questionando a suposição de que ambientes congelados são quimicamente inertes.

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

O experimento seguiu dois caminhos: um em água líquida logo acima de 0 °C e outro em gelo sólido bem abaixo de 0 °C.

O gelo degradou o mineral mais rápido do que o líquido frio. Esse aumento acompanhou exatamente o quanto cada sal dissolvido se liga ao ferro.

The role of tiny liquid pockets

A explicação mais provável envolve o que ocorre quando a água congela. O gelo puro não acomoda sais dissolvidos nem minerais em suspensão - eles são expulsos durante a formação dos cristais.

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

Ali, as concentrações podem chegar a algo como 500 vezes mais do que na água ao redor, o que parece impulsionar a química acelerada.

Nesses bolsões superconcentrados, a reação que puxa ferro de um grão mineral pode acontecer muito mais rápido do que aconteceria em uma solução diluída.

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 deles se ligam ao ferro com forças diferentes, enquanto o perclorato quase não interage com o ferro e serviu como controle.

Na água líquida, os compostos que se ligam com mais força retiraram ferro do mineral mais rápido do que os fracos. Essa ordem já era conhecida - a expectativa era que o gelo apenas desacelerasse tudo.

Em vez disso, os pesquisadores viram o efeito inverso. Todo sal reativo dissolveu ferro mais rapidamente 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 estudos o coloca entre os oligoelementos mais importantes da química ambiental.

Ele também se liga ao carbono orgânico nos solos e altera a cor e a acidez das águas naturais. A quantidade que sai de terrenos congelados 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.

Como esse ferro chega a rios e oceanos está perto do centro do entendimento sobre como o Ártico reage ao aquecimento.

Rivers turn orange

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

Na última década, mais de 200 riachos antes claros ficaram com um laranja leitoso, tingidos por ferro e metais que vazam do solo em degelo.

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

A nova química do gelo acrescenta mais um mecanismo: mesmo onde o solo ainda não descongelou totalmente, ele pode liberar ferro por reações dentro desses 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.

Entender quais reações ocorrem dentro do gelo dá aos pesquisadores de campo um roteiro 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 esse valor.

As novas medições sugerem que esse método tem apontado para a direção errada.

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

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

Essa subestimativa se propaga para projeções de armazenamento de carbono em solos do norte, qualidade da água em rios árticos e entrega de ferro ao plâncton costeiro. Nada disso foi construído considerando uma química ativa no gelo.

A predictive pattern emerges

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

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

Até este estudo, ninguém havia estabelecido uma regra tão direta conectando força de ligação e degradação mineral impulsionada pelo gelo. Simples o bastante, ao que parece, para ser incorporada diretamente a modelos ambientais.

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

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

Image Credit: USGS