Gelo marinho granular: porosidade e escoamento nos ecossistemas polares

À primeira vista, o gelo marinho parece uma placa uniforme e rígida. Mas, por dentro, é um material cheio de microbolsas e canais de salmoura - e o que realmente importa é se esses “caminhos” estão ligados entre si ou se ficam bloqueados.

Um novo estudo mostra que essa arquitectura invisível é decisiva para a forma como a água, os nutrientes e os gases se deslocam através do gelo, com efeitos em cadeia nos ecossistemas polares e na maneira como o gelo marinho reage a um planeta em aquecimento.

Investigadores da University of Utah concentraram-se no gelo marinho granular - uma variante mais áspera e desorganizada que está a tornar-se mais comum à medida que as regiões polares aquecem.

O objectivo foi perceber exactamente quando este tipo de gelo se torna poroso o suficiente para permitir a passagem de fluidos e como esse limiar se compara com formas mais conhecidas de gelo marinho.

When granular ice starts flowing

A equipa descobriu que o gelo granular se comporta de forma muito diferente do gelo colunar, que tem uma estrutura cristalina mais ordenada.

No gelo colunar, o fluido começa a escoar quando a salmoura representa cerca de 5% do volume do gelo. No gelo granular, esse ponto de viragem é bem mais elevado, exigindo algo mais próximo de 10% para que as bolsas de líquido fiquem suficientemente conectadas e permitam o escoamento.

“Passar de cinco por cento para 10 por cento significa que é preciso o dobro da porosidade, o dobro da fracção de volume de salmoura para haver escoamento”, disse o matemático Ken Golden, da University of Utah, autor principal do estudo.

Pode parecer uma diferença pequena, mas não é. O gelo granular precisa de cerca do dobro da porosidade antes de deixar de funcionar como barreira e passar a comportar-se como um sistema ligado.

How flow shapes ecosystems

Esta diferença tem consequências reais, porque o movimento de fluidos no gelo marinho controla uma série de processos, incluindo o degelo.

Define se os nutrientes conseguem chegar às algas que vivem dentro do gelo e ajuda a regular a troca de gases entre o oceano e a atmosfera. Também influencia se a água de fusão drena ou se fica acumulada à superfície.

“Se as algas estiverem a viver em gelo colunar versus gelo granular, então há condições bastante diferentes para receberem o alimento e os nutrientes”, afirmou Golden.

Isso torna a vida muito mais difícil no gelo granular. É muito mais complicado preservar nutrientes, e outros organismos - como vírus, bactérias e nemátodes - enfrentam o mesmo obstáculo.

The many forms of sea ice

Há anos que os cientistas sabem que o gelo marinho não é apenas água do mar congelada. É mais parecido com um material compósito complexo: o gelo “puro” forma a estrutura principal, enquanto a salmoura fica presa no interior.

“A geometria, a conectividade e a fracção de volume destas inclusões dependem drasticamente da temperatura”, disse Golden.

“A forma como o fluido se organiza dentro do gelo depende fortemente da estrutura policristalina. Por outras palavras, as condições em que o gelo se forma são a principal distinção entre o gelo colunar e o gelo granular.”

O gelo colunar tende a formar-se em condições mais calmas, onde os cristais conseguem crescer de forma mais organizada. O gelo granular desenvolve-se com maior probabilidade em ambientes mais agitados e turbulentos, comuns em partes da Antárctida.

Com a mudança do clima, o gelo marinho está a tornar-se mais fino, mais jovem e, em muitos locais, mais granular. Isso significa que a sua “canalização” interna também está a mudar.

O novo estudo defende que esta transição não pode ser tratada como um detalhe menor. A estrutura microscópica do gelo marinho pode acabar por influenciar processos muito maiores em todo o sistema polar.

How ice lets fluid move

A capacidade de o gelo marinho deixar passar fluidos - conhecida como permeabilidade - está no centro da questão. Se as bolsas de salmoura estiverem conectadas, a água do mar e os nutrientes dissolvidos podem circular pelo gelo. Se não estiverem, o gelo comporta-se mais como uma parede.

Essa diferença afecta a base da teia alimentar associada ao gelo marinho, porque algas e outros organismos microscópicos dependem desses percursos para sobreviver. Também tem impacto em processos físicos de maior escala.

O gelo granular tem uma estrutura de permeabilidade muito diferente, que condiciona como os fluidos se movem no seu interior. Isto é relevante para a reposição de nutrientes, para a produção de snow-ice na Antárctida e para a evolução de poças de degelo no Árctico.

When ice starts flowing

O momento em que o escoamento começa é crítico - determina quando os nutrientes deixam de circular ou regressam, quando as poças de degelo drenam e quando a água do mar pode percolar para cima, inundar a superfície e voltar a congelar.

Cerca de um quarto do pack de gelo da Antárctida forma-se por este modo granular, e o facto de o gelo ser granular ou colunar pode influenciar a quantidade de gelo produzido.

Trabalhos anteriores de Golden ajudaram a estabelecer a “Regra dos Cincos” para o gelo marinho colunar, segundo a qual a permeabilidade começa por volta de 5% de porosidade - tipicamente perto de 23°F (-5°C), com salinidade a rondar 5 partes por mil. No gelo granular, porém, essa regra deixa de se aplicar.

A harder path for CO2

Golden suspeitava há anos que o gelo granular teria um limiar mais elevado. Com o tempo, o trabalho de campo foi sugerindo que isso era provável, sobretudo à medida que o gelo granular se tornava mais comum no Árctico.

O novo artigo nasceu de medições feitas na Antárctida durante investigação a bordo do navio australiano Aurora Australis. Essas observações mostraram que, abaixo do limiar de 10% de porosidade, as bolsas de salmoura no gelo granular permanecem demasiado desconectadas para permitir escoamento.

Essa conclusão traz implicações mais amplas. Se os gases se movem com mais dificuldade através do gelo, as trocas entre o oceano e a atmosfera podem ser alteradas. E se a água de fusão à superfície não drenar tão bem, poderá ficar acumulada durante mais tempo.

“No gelo granular, é mais difícil o CO2 mover-se através do gelo”, disse Golden. “Há condições diferentes em que se obtém transporte para cima ou para baixo. Isso também é importante para os bichinhos microbianos.”

More ponds, more melting

Um dos efeitos indirectos mais claros pode envolver as poças de degelo. Estas acumulações de água formam-se no topo do gelo marinho durante períodos mais quentes, de fusão.

Se o gelo por baixo for permeável, parte dessa água pode drenar. Se não for, as poças podem manter-se e alastrar.

Isto importa porque o gelo claro reflecte bem a luz solar, enquanto as poças mais escuras absorvem muito mais calor. Quanto mais água ficar à superfície, menor é o albedo do gelo. Como resultado, o gelo absorve mais calor e aquece mais.

“O albedo da superfície pode ser muito diferente, porque pode ter 60% de cobertura versus 40% de cobertura, dependendo da capacidade de drenar”, disse Golden.

Em termos simples, a expansão do gelo granular pode dificultar a saída da água de fusão, permitindo que mais calor seja absorvido e potencialmente acelerando o degelo.

Assim, o futuro do gelo marinho pode depender não só de quanto gelo resta, mas também do tipo de gelo que existe. Uma mudança na microestrutura pode parecer um pormenor. No mundo polar, porém, pode influenciar tudo - desde a vida microbiana até ao ritmo de perda de gelo.