Formação de gelo acelera a liberação de ferro nos solos árticos

Ice speeds mineral breakdown

A maior parte das estimativas sobre quanto ferro circula por solos do Ártico e de áreas montanhosas parte de uma ideia simples: quando o solo congela, a química “desacelera”. Em outras palavras, quanto mais frio o terreno, menor seria a quebra de minerais.

Um experimento feito no norte da Suécia sugere que essa regra pode estar incompleta. Em certas condições, 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 “silenciosos”.

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

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

O gelo degradou o mineral mais rapidamente do que o líquido frio. Esse 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 essas substâncias são empurradas para fora.

Essas impurezas acabam se acumulando em microbolsas de líquido remanescente presas entre cristais de gelo.

Nesses bolsões, as concentrações podem chegar a cerca de 500 vezes mais do que na água ao redor - o que parece impulsionar a química acelerada.

Nesse ambiente “apertado”, a reação que remove ferro de um grão mineral pode ocorrer muito mais rápido do que aconteceria em uma solução diluída.

O gelo não faz a química por si só - ele concentra os reagentes 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; já o perclorato quase não interage com o ferro e funciona como controle.

Na água líquida, os compostos que se ligam mais fortemente retiraram ferro do mineral mais rápido do que os fracos. Essa ordem já era conhecida - e esperava-se que o gelo desacelerasse tudo.

Em vez disso, os pesquisadores observaram o contrário. Todo sal reativo dissolveu mais ferro 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 estabelece como um dos elementos-traço mais importantes 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 para ecossistemas a jusante.

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

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 ocorrendo no norte do Alasca.

Na última década, mais de 200 riachos antes transparentes ficaram laranja-leitosos, manchados por ferro e metais liberados de terrenos em degelo.

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

A nova química do gelo adiciona outro mecanismo: mesmo um solo que ainda não descongelou totalmente pode liberar ferro por reações dentro desses bolsões congelados.

Esses riachos agora carregam ferro e metais dissolvidos em quantidade suficiente para prejudicar insetos aquáticos e ameaçar populações de salmão, conforme documentado em um estudo recente.

Entender quais reações acontecem 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 ponto em que a química “pausa”, calculando a degradação mineral com base em dados de temperaturas mais altas e reduzindo os valores.

As novas medições indicam que essa abordagem pode estar apontando para a direção errada.

Cerca de 17% da superfície terrestre do planeta fica sobre permafrost, com áreas ainda maiores passando por ciclos de congelamento e degelo a cada ano.

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 também em projeções de armazenamento de carbono em solos do norte, qualidade da água em rios árticos e entrega de ferro ao plâncton costeiro. Nenhuma dessas projeções foi construída considerando uma química ativa dentro do gelo.

A predictive pattern emerges

Apesar de toda a complexidade da química no gelo, o novo resultado é incomumente organizado.

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

Antes deste estudo, ninguém havia estabelecido uma regra tão limpa conectando força de ligação à degradação mineral impulsionada por gelo. Simples o bastante, ao que parece, para ser incorporada diretamente a modelos ambientais.

Boily disse que a consistência entre todos os compostos surpreendeu sua equipe.

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

Image Credit: USGS