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Um tubo de gelo desce até o fundo do mar antártico

A salmoura expulsa do gelo marinho afunda, congela a água em volta e prende no chão do mar os bichos lentos demais para fugir.

Brinicle congelando o fundo em McMurdo

Em 1974, o oceanógrafo Seelye Martin, da Universidade de Washington, publicou no Journal of Fluid Mechanics o resultado de um tanque de água salgada posto para congelar por cima: debaixo da placa de gelo nasceu um tubo oco, de parede gelada, que crescia para baixo como uma estalactite (a ponta de pedra pendurada no teto das cavernas), só que feita de gelo e dentro da água.

Martin não inventou o fenômeno no laboratório. Em 1970, a revista Science tinha publicado um relato de R. A. Paige com fotos de pontas parecidas, penduradas sob o gelo do estreito de McMurdo, na Antártida, vistas por mergulhadores das estações científicas da região.

As fotos mostravam tubos parados. Ninguém tinha visto um deles crescer, porque o processo leva horas, acontece no escuro do inverno polar e pede água calma, ar muito frio e um mergulhador disposto a ficar lá embaixo.

A cena completa só apareceu em 2011, no Frozen Planet (Planeta Congelado), série documentária da BBC narrada por David Attenborough. Perto de Little Razorback Island, uma ilhota no estreito de McMurdo, a equipe deixou uma câmera de time-lapse (gravação de um quadro a cada intervalo, depois acelerada) apontada para o gelo.

No vídeo, um fio branco brota da face de baixo do gelo e desce. Engrossa, ganha parede, avança pela coluna de água até tocar o fundo. Ali ele se espalha como geada sobre a areia e os seixos, abrindo uma teia branca que avança pelo chão do mar.

Estrelas-do-mar e ouriços que estavam no caminho não se mexem rápido o bastante. A crosta branca passa por cima deles, e os bichos ficam presos no gelo, imóveis, enquanto a teia continua a se alastrar.

Os cientistas chamam o tubo de brinicle, junção do inglês brine (salmoura) com icicle (pingente de gelo). A palavra descreve a forma. O mecanismo começa antes, no instante em que a água do mar vira gelo e se recusa a levar o sal junto.

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I  O Mecanismo

O sal expulso do gelo

O brinicle nasce de uma recusa química. Quando a água do mar congela, as moléculas de água se encaixam numa grade de cristal tão regular que os íons do sal (os pedaços de sal dissolvido, com carga elétrica) não cabem nela.

O gelo marinho, então, sai quase doce. O sal sobra e se concentra em bolsões e canais finos dentro do gelo, cheios de salmoura (água com sal muito concentrado). Quanto mais o gelo esfria, mais água congela nas paredes desses canais e mais salgada fica a sobra.

Sal dissolvido baixa a temperatura de congelamento da água. É pelo mesmo motivo que se joga sal na estrada coberta de neve. A água do mar comum congela perto de 1,9 grau negativo; a salmoura dos canais continua líquida bem abaixo disso, tão fria quanto o gelo que a cerca.

Essa salmoura tem dois traços que mandam no resto. Ela é mais fria que a água do mar logo abaixo do gelo. E é mais densa, porque carrega mais sal por litro, então tende a afundar.

Os canais vão se ligando e formam uma rede de drenagem. Num ponto da face de baixo do gelo, a salmoura começa a escorrer para o mar, num fio contínuo que desce.

A partir daí, o brinicle se monta em quatro passos:

1. A salmoura gelada escorre do canal e afunda na água do mar, mais leve e mais quente que ela.

2. Em contato com o fio de salmoura, a água do mar em volta perde calor e congela, formando uma casca de gelo.

3. A casca vira um tubo oco, e a salmoura segue descendo por dentro dele, isolada, sem se misturar.

4. Na ponta de baixo, a salmoura que sai congela mais água, e o tubo cresce para o fundo, um anel de cada vez.

O tubo funciona como uma chaminé de cabeça para baixo. A parede de gelo isola a salmoura e impede que ela se dilua cedo demais. Assim o fio chega ao fundo ainda frio e salgado o bastante para seguir congelando o que encosta nele.

Quando a ponta toca o chão do mar, a salmoura não tem mais para onde descer. Ela se espalha pelo fundo, rente aos seixos, e congela a água em contato com a areia. Nasce a teia branca filmada pela BBC, que avança pelo chão enquanto houver salmoura chegando do alto.

O fenômeno só se completa com água parada. Correnteza forte espalha a salmoura antes que a casca se forme, e o tubo nem chega a nascer. No estreito de McMurdo, o gelo fixo da costa protege a água de baixo e dá ao brinicle a calma de que ele precisa.

II  Por que Importa

Um jardim químico ao contrário

A forma do brinicle lembrou aos químicos um experimento de escola centenário: o jardim químico. Quem joga um cristal de sal metálico numa solução de silicato vê crescer tubos coloridos, que sobem como plantas a partir do fundo do copo.

Em 2013, o físico Julyan Cartwright, do Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra, em Granada, publicou com colegas na revista Langmuir o artigo “Brinicles as a case of inverse chemical gardens” (Brinicles como um caso de jardins químicos invertidos). A tese do grupo: o brinicle é o mesmo processo, de cabeça para baixo.

No jardim de copo, uma membrana fina se forma onde dois líquidos diferentes se encontram, e o líquido de dentro empurra o tubo para cima. No brinicle, a membrana é a casca de gelo, e o líquido de dentro, mais pesado, puxa o tubo para baixo.

A comparação tem peso fora da química de sala de aula. Jardins químicos entram há décadas nas hipóteses sobre a origem da vida, porque a parede do tubo separa dois líquidos de composição diferente e mantém, por horas, um degrau de temperatura, sal e acidez entre o lado de dentro e o de fora.

Degraus assim guardam energia química utilizável. As chaminés hidrotermais do fundo do oceano fazem o mesmo em escala maior, e grupos de pesquisa defendem que as primeiras reações da vida podem ter aproveitado divisórias desse tipo.

O brinicle acrescenta um cenário frio à lista. Dentro da casca, a salmoura concentrada fica isolada da água do mar, separada por uma parede porosa de gelo. O grupo de Cartwright apontou o tubo como um laboratório natural para estudar reações em membrana a temperaturas muito baixas.

O raciocínio se estende para fora da Terra. Europa, lua de Júpiter, e Encélado, lua de Saturno, têm oceanos salgados sob uma casca de gelo. Se o gelo dessas luas também expulsa sal ao crescer, tubos parecidos podem se formar lá embaixo, onde nenhuma sonda chegou.

No fundo de McMurdo, a lição é mais imediata. O gelo marinho, que parece uma tampa inerte sobre o oceano, despeja salmoura gelada no mar o inverno inteiro e reorganiza a vida do fundo por onde ela passa. Para uma estrela-do-mar, o perigo desce do teto.

III  A Fonte

Do tanque de 1974 à câmera sob o gelo

A primeira descrição publicada é a de R. A. Paige, na revista Science, em 1970, com o título “Stalactite growth beneath sea ice” (Crescimento de estalactites sob o gelo marinho). O artigo registrava as pontas de gelo vistas sob o estreito de McMurdo e propunha que elas cresciam a partir da salmoura drenada do gelo de cima.

Faltava a física. Seelye Martin a forneceu em 1974, no Journal of Fluid Mechanics, com o artigo “Ice stalactites: comparison of a laminar flow theory with experiment” (Estalactites de gelo: comparação de uma teoria de escoamento laminar com o experimento). Escoamento laminar é o fluxo em camadas lisas, sem redemoinho, como o do fio de salmoura dentro do tubo.

O tanque de Martin reproduziu o fenômeno sob controle. Água salgada congelava por cima, a salmoura escorria por baixo do gelo e o tubo crescia, permitindo medir a velocidade do avanço e compará-la com a conta teórica. A teoria e o tanque bateram, e o brinicle ganhou explicação física.

Durante quatro décadas, o retrato ficou dividido em duas metades. De um lado, fotos de tubos já prontos, tiradas por mergulhadores. Do outro, o tubo de laboratório, medido em centímetros. Ninguém tinha a sequência inteira no mar, do primeiro fio ao fundo congelado.

A gravação de 2011 exigiu montar uma câmera de time-lapse capaz de aguentar a água a quase 2 graus negativos e deixá-la presa sob o gelo, perto de Little Razorback Island, durante horas. As imagens entraram no episódio sobre o inverno do Frozen Planet, exibido na TV britânica em novembro de 2011.

Pela sequência da BBC, o tubo atravessa a coluna de água até tocar o fundo, e a teia branca avança pelo chão a partir da ponta. As estrelas-do-mar e os ouriços presos aparecem imóveis na última tomada.

O vídeo não substitui os artigos. A Science de 1970 e o Journal of Fluid Mechanics de 1974 explicam o processo; a câmera da BBC mostra a escala e as consequências no fundo. E o artigo da Langmuir de 2013 ligou o fenômeno a uma família inteira de estruturas químicas.

37 anos separam o tubo de laboratório de Seelye Martin e a primeira imagem do brinicle crescendo no mar (Journal of Fluid Mechanics, 1974; BBC, Frozen Planet, 2011).

Continue curioso. Mirabile dictu.

CIÊNCIA BIZARRA

Parece mentira. Mas é real e está provado