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

Em geral, quando se tenta estimar quanto ferro circula por solos do Ártico e de regiões montanhosas, parte-se de uma ideia simples: abaixo de 0 °C, a química “entra em marcha lenta”. Quanto mais frio o solo, menor seria a quebra de minerais.

Mas um experimento conduzido no norte da Suécia mostrou que essa lógica nem sempre vale em ambientes congelados.

O gelo pode extrair ferro de minerais comuns do solo mais rápido do que a água líquida fria - em alguns casos, por mais de quatro vezes.

Ice speeds mineral breakdown

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

Para testar isso de forma direta, sua equipe decidiu olhar para minerais de ferro, em especial a goethita - um mineral de cor ferrugem encontrado em solos, sedimentos e poeira.

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

O gelo degradou o mineral mais rapidamente do que a água líquida fria. E 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 eles são expulsos.

Essas impurezas acabam se acumulando em minúsculos bolsões de líquido remanescente, presos entre os cristais de gelo.

Nesses bolsões, as concentrações podem chegar a cerca de 500 vezes as do restante da água ao redor, o que parece acelerar a química.

Dentro desses espaços superconcentrados, a reação que puxa ferro de um grão mineral pode ocorrer muito mais rápido do que ocorreria numa água mais diluída.

Não é o gelo que faz a química - ele concentra os reagentes e os mantém confinados.

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.

Em água líquida, os que se ligam mais fortemente retiraram ferro do mineral mais rápido do que os de ligação fraca. Essa ordem já era conhecida - e esperava-se que o gelo reduzisse tudo.

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

Uma longa linha de pesquisas o coloca entre os 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 terreno congelado para rios e zonas costeiras muda as regras para ecossistemas a jusante.

Regiões frias guardam enormes reservas de ferro presas em solos de permafrost, sedimentos glaciais e camadas sazonalmente congeladas.

Entender como esse ferro chega a rios e oceanos está perto do centro do debate sobre como o Ártico reage 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 que antes eram claros ficaram com um tom laranja leitoso, tingidos por ferro e metais liberados do solo em degelo.

Pesquisadores associaram esse escoamento de cor ferrugem ao permafrost, que ao descongelar 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 quantidade suficiente 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 modelo 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, estimando a quebra de minerais com dados de temperaturas mais altas e reduzindo os valores.

As novas medições indicam que essa estratégia pode estar apontando na direção errada.

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

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

Essa subcontagem aparece em projeções sobre armazenamento de carbono em solos do norte, qualidade da água em rios do Ártico e entrega de ferro para plâncton costeiro. Nada disso foi construído considerando uma 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 - o quanto um composto se liga ao ferro - previu o quanto o gelo amplificaria a quebra do mineral em todos os compostos testados.

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

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

Se o padrão se confirmar de forma ampla, ele pode permitir que modeladores prevejam a liberação mineral no gelo a partir de uma única propriedade química - algo que projeções de nutrientes em regiões frias nunca levaram em conta.

Image Credit: USGS