Nos solos árticos, a formação de gelo acelera a liberação de ferro

Ice speeds mineral breakdown

Quase toda estimativa de quanto ferro circula em solos do Ártico e de regiões montanhosas começa com a mesma ideia: quando a temperatura cai abaixo de 0 °C, a química “freia”. Quanto mais gelado o solo, menor seria a quebra de minerais.

Só que um experimento no norte da Suécia mostrou que o congelamento pode fazer o contrário do esperado. Em vez de reduzir a reatividade, 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.

Jean-François Boily, professor do Departamento de Química da Universidade de Umeå, passa anos questionando a noção de que ambientes congelados são quimicamente “silenciosos”.

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

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

O gelo degradou o mineral mais rápido do que a água líquida fria. O aumento acompanhou com precisão o quanto cada sal dissolvido se liga ao ferro.

The role of tiny liquid pockets

A explicação mais provável tem a ver com o que acontece quando a água congela. O gelo puro não “acomoda” sais dissolvidos nem minerais em suspensão, e eles acabam sendo expulsos.

Essas impurezas se acumulam em microbolsões de líquido remanescente presos entre cristais de gelo.

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

Nesses bolsões lotados, a reação que puxa ferro de um grão mineral pode acontecer muito mais depressa do que ocorreria em água líquida 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 se ligam ao ferro com diferentes intensidades, enquanto o perclorato quase não interage com o ferro e serviu como controle.

Em água líquida, os ligantes mais fortes removiam ferro do mineral mais rápido do que os mais fracos. Essa ordem já era conhecida - e esperava-se que o gelo apenas desacelerasse tudo.

Em vez disso, os pesquisadores viram o oposto. Todo sal reativo dissolveu mais ferro no gelo do que na fase líquida.

O fluoreto, o ligante mais forte, liberou mais de quatro vezes mais ferro no gelo do que em 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 absorve.

Uma longa linha de estudos o estabelece como um dos elementos-traço mais relevantes da química ambiental.

Ele também se liga ao carbono orgânico nos solos e altera a cor e a acidez de águas naturais. Quanto desse ferro sai do solo congelado para rios e zonas costeiras muda as regras para os 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 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 transparentes ficaram laranja-leitosos, tingidos por ferro e metais liberados do solo em degelo.

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

A nova química do gelo acrescenta outro mecanismo: mesmo solo que ainda não descongelou por completo pode liberar ferro por reações dentro de seus bolsões congelados.

Esses riachos agora carregam ferro e metais dissolvidos em quantidade suficiente para prejudicar insetos aquáticos e ameaçar populações de salmão, como 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 momento em que a química entra em pausa, estimando a quebra de minerais a partir de dados mais quentes e reduzindo esses valores.

As novas medições sugerem que essa abordagem pode estar apontando na direção errada.

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

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

Essa subcontagem aparece em 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 química ativa no gelo.

A predictive pattern emerges

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

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

Até este estudo, ninguém tinha estabelecido uma regra tão limpa ligando a força de ligação à quebra mineral impulsionada pelo gelo. Simples o bastante, ao que parece, para entrar diretamente em modelos ambientais.

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

Se o 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 as projeções de nutrientes em regiões frias nunca levaram em conta.

Image Credit: USGS