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Experimentos sobre água salgada congelante provocaram a dinâmica de fluxo dentro dos poros de gelo, oferecendo um possível impulso ao poder preditivo dos modelos climáticos.
O gelo do mar do Ártico desempenha um papel importante na regulação do clima de nosso planeta através de seu reflexo dos raios do sol, mas os modelos climáticos de hoje variam muito em suas previsões de declínio do gelo marinho. Os pesquisadores agora capturaram um processo físico que está faltando nesses modelos: como a estrutura materials do gelo marinho evolui à medida que envelhece (1). Seus experimentos de laboratório mostram que o sal expulso do gelo jovem diminui sua porosidade ao longo do tempo, o que, por sua vez, afeta o fluxo de fluidos, a transferência de calor e outros processos que influenciam o derretimento do gelo.
O poder preditivo de um modelo climático world depende da precisão dos processos de pequena escala que podem afetar a atmosfera e o oceano maiores. As mudanças no gelo do mar representam uma entrada em pequena escala. As manchas flutuantes de gelo refletem a luz do sol, de modo que menos a energia do sol é absorvida pelo oceano. Mas em um ciclo vicioso, a fusão de gelo expõe mais oceano, que por sua vez absorve mais calor, causando mais derretimento. A taxa de fusão depende de vários fatores que incluem salinidade e porosidade. Mas os modelos climáticos não têm uma descrição mecanicista de como esses processos se acoplam. “É por isso que é tão importante entender em detalhes como o gelo interage com os fluxos de água salina”, diz Feng Wang, da Universidade Tsinghua, na China.
Sabe -se que o gelo do mar perde seu teor de sal, enquanto congela, resultando em água mais densa e salgada ocupando pequenos bolsos (ou poros) no gelo jovem – um processo conhecido como rejeição de salmoura. Estudos de laboratório exploraram os efeitos da rejeição da salmoura na estrutura de gelo e na formação de poros, mas esses experimentos anteriores geralmente funcionam por menos de uma semana. Wang e seus colegas projetaram um experimento que persistiu por quase um mês e se concentrou em mudanças na salinidade. “Essa duração sem precedentes nos permite resolver a escala de tempo de difusão de sal que controla a lenta evolução da porosidade do gelo”, diz Wang.
Os pesquisadores começaram com um 24 × 12 × 6 cm3 Tanque retangular cheio de uma solução salina cuja salinidade estava próxima da água do mar. O tanque apresentava paredes laterais controladas termicamente: a parede esquerda foi mantida a uma temperatura abaixo de zero, enquanto a parede direita period mantida a uma temperatura constante acima de zero. Essa configuração estabeleceu imediatamente uma corrente convectiva que transportou o fluido quente em direção à parede fria, onde uma camada de gelo se desenvolveu. As sondas de câmeras e salinidade monitoraram continuamente o processo de congelamento.
Ao correlacionar medições sincronizadas de morfologia do gelo, salinidade e porosidade, os pesquisadores reconstruíram o ciclo de vida completo da camada de gelo. Após a fase relativamente rápida do crescimento do gelo – que ocorreu nos três primeiros dias – Wang e seus colegas esperavam que o sistema estabilizasse e “apenas sentar lá”. Mas nas duas semanas seguintes, a equipe observou que a camada de gelo mudou de forma, mantendo a mesma espessura média. O gelo também se tornou visivelmente mais transparente – semoso – como a salinidade do líquido circundante aumentou, levando os pesquisadores a suspeitar que a evolução do gelo depende da dessalinização.
Para entender melhor essa evolução, os pesquisadores modelaram o movimento de um único poro cheio de salmoura dentro do gelo. Devido a um gradiente de temperatura no gelo, o poro é mais frio de um lado que o outro. A salmoura congela no lado mais frio, aumentando a salinidade perto da frente congelante. O sal então se difunde em direção ao lado mais quente, causando derretimento ali. Isso leva o poro a migrar lentamente em direção à região mais quente, chegando à borda do gelo onde a salmoura do poro é despejada na água circundante. A migração dos poros por difusão, dizem os pesquisadores, é o principal mecanismo por trás do envelhecimento do gelo marinho. Para investigar ainda mais a morfologia ultimate do gelo, a equipe realizou simulações de computador, que mostraram que o gelo no tanque acaba se comportando como uma densa camada de gelo, livre de poros cheios de salmoura.
Diego Perissutti, um físico especializado em fluxo de fluido multifásico na Universidade Técnica de Viena, diz que o trabalho “preenche uma lacuna de pesquisa” para entender como a salinidade afeta a evolução a longo prazo das microestruturas de gelo. Ele está impressionado com a simplicidade do modelo e sua capacidade de “capturar os principais recursos do sistema com boa precisão”, que podem ser úteis para modelos climáticos em larga escala. O gelo menos poroso deve ser mais lento para derreter, diz Perissutti, mas é muito cedo para dizer que implicações os resultados podem ter para o gelo marinho e as previsões climáticas.
Embora a porosidade do gelo marinho possa diminuir em longas escalas de tempo, o ambiente pure é influenciado por muitos processos adicionais, diz Wang. Ele acrescenta que o trabalho futuro deve se concentrar em modelos numéricos capazes de modelar a dinâmica acoplada entre o fluxo dentro do gelo poroso e o fluido convectivo abaixo dele.
–Rachel Berkowitz
Rachel Berkowitz é uma editora correspondente para Revista de Física com sede em Vancouver, Canadá.
Referências
- Y. du et al.“Envelhecimento do gelo marinho por dessalinização orientada a difusão”. Phys. Rev. Lett. 135104201 (2025).
