Pressure-induced desalting of NaCl-bearing ice VII: A compositional filter in water-rich planets

Profundamente sob as cascas de gelo de luas como Europa e Encélado, ou dentro dos vastos mundos ricos em água que orbitam estrelas distantes, reside uma camada de água congelada tão espessa que a pressão em sua base é milhões de vezes maior que a pressão do ar ao nível do mar. Nessas profundidades esmagadoras, a água não se comporta como o gelo que conhecemos de um lago de inverno. Em vez disso, ela se transforma em um sólido cristalino denso conhecido como gelo VII, uma forma de água que permanece sólida mesmo em temperaturas muito acima do ponto de ebulição da água na superfície. Durante décadas, cientistas planetários operaram sob uma suposição simples sobre o que acontece quando o sal se dissolve nesses oceanos profundos: conforme a água congela neste gelo de alta pressão, o sal é expelido, rejeitado pela estrutura cristalina e deixado para trás no oceano líquido acima. Essa ideia moldou nossa compreensão de como esses mundos são construídos, como seus interiores se movem e se seus oceanos ocultos poderiam sustentar a vida. Se o sal não pode entrar no gelo profundo, então os oceanos permanecem salgados enquanto as cascas de gelo permanecem puras, criando um tipo específico de camada de densidade que impulsiona as correntes internas do planeta.

No entanto, um novo estudo desafia essa visão de longa data ao revelar que, sob as condições certas, o sal não precisa ser deixado para trás. Pesquisadores descobriram que, quando uma solução salina é congelada rapidamente e depois comprimida sob pressão imensa, o gelo resultante pode aprisionar uma quantidade significativa de sal dentro de sua estrutura cristalina. Essa descoberta sugere que os interiores profundos de planetas ricos em água podem ser muito mais complexos quimicamente do que se pensava anteriormente, com o gelo salino agindo como um reservatório oculto que poderia alterar a forma como o calor e o material se movem através desses mundos. O estudo foca no cloreto de sódio, o mesmo sal de cozinha comum encontrado nos oceanos da Terra, e demonstra que ele pode se tornar parte integrante do próprio gelo, em vez de apenas uma impureza situada entre os cristais.

A equipe, liderada por pesquisadores de instituições de toda a Europa, partiu para testar o que acontece com o sal quando ele é submetido às condições extremas encontradas no interior de luas geladas. Eles começaram com uma solução concentrada de sal e água, semelhante à salmoura encontrada nos oceanos da Terra, mas muito mais forte. Em vez de simplesmente congelar essa mistura lentamente, o que naturalmente expulsaria o sal, eles usaram uma técnica chamada "resfriamento rápido e compressão" (quench-and-compress). Primeiro, eles resfriaram o líquido tão rapidamente que ele se transformou em um sólido desordenado, semelhante a um vidro, sem formar cristais. Depois, mantendo a amostra congelada, colocaram-na dentro de um dispositivo capaz de gerar pressões muito superiores a qualquer coisa encontrada na superfície da Terra. Ao comprimirem essa mistura de água e sal amorfa e vítrea, eles a aqueceram de volta à temperatura ambiente. Esse caminho específico — congelar rápido, depois comprimir — permitiu que os íons de sal fossem aprisionados dentro da estrutura de gelo em formação antes que o cristal tivesse a chance de rejeitá-los.

Quando os pesquisadores examinaram o material resultante usando poderosos feixes de raios X e espalhamento de nêutrons, encontraram algo inesperado. O gelo que se formou não era o padrão gelo VII puro. Em vez disso, era uma versão expandida do cristal que continha uma quantidade significativa de sal em seu interior. Os íons de sal, sódio e cloro, haviam tomado o lugar das moléculas de água dentro da rede do gelo, criando uma solução sólida onde o sal estava tecido diretamente na própria estrutura do gelo. Esta nova forma de gelo tinha uma célula unitária, o bloco de construção básico e repetitivo do cristal, cerca de oito e meio por cento maior que o gelo VII puro. A estrutura era altamente desordenada, com os íons de sal fazendo com que as moléculas de água ao redor se torcessem e se reorientassem para acomodar os átomos estranhos. Crucialmente, não havia sinal de cristais de sal separados ou hidratos de sal; o sal estava totalmente integrado ao gelo.

Os pesquisadores então testaram o quão estável esse gelo salino realmente era. Eles reduziram lentamente a pressão sobre a amostra enquanto mantinham a temperatura constante. Em uma pressão de aproximadamente 5,1 gigapascais, ocorreu uma mudança dramática. O gelo salino e expandido subitamente expulsou o sal, que cristalizou em grãos de sal sólidos e separados. O gelo retornou à sua forma pura, e o sal foi deixado para trás como um mineral distinto. Quando tentaram comprimir a amostra novamente para recriar o gelo salino, isso não aconteceu. O sal permaneceu separado, recusando-se a reentrar na estrutura do gelo. Isso revelou que a formação deste gelo salino não é um processo simples e reversível que acontece automaticamente sob alta pressão. Em vez disso, depende inteiramente da história do material: só se forma se o sal for aprisionado em um estado desordenado antes do gelo cristalizar. Uma vez que o sal é expelido, ele não pode ser facilmente forçado a entrar novamente.

Esta descoberta tem implicações profundas para a forma como entendemos os interiores de planetas ricos em água. Como o gelo salino é menos denso do que uma mistura de gelo puro e cristais de sal separados, ele pode flutuar mais facilmente dentro do manto profundo de um planeta. Isso significa que o gelo salino pode ser transportado para cima pelo movimento lento e turbulento do interior do planeta, transportando sal da interface de rocha profunda em direção ao oceano superficial. No entanto, conforme este gelo salino sobe e a pressão diminui, ele eventualmente atingirá o limiar crítico de 5,1 gigapascais. Nesse ponto, o gelo liberará seu sal, que então afundará novamente porque é mais denso que o gelo circundante. Este processo atua como um filtro, permitindo que algum sal viaje para cima, mas retendo uma parte significativa dele em uma profundidade específica.

O estudo sugere que a composição química dos oceanos subsuperficiais em luas e exoplanetas pode ser controlada por este filtro induzido pela pressão. Se o gelo profundo puder reter o sal, os oceanos acima podem ser menos salgados do que os modelos preveem. Por outro lado, se o gelo liberar o sal em uma profundidade específica, ele pode criar uma camada de material salgado e denso que inibe a mistura adicional. Os pesquisadores observam que, embora seus experimentos tenham usado concentrações de sal muito altas para tornar o efeito claro, o princípio provavelmente se aplica às salmouras mais diluídas encontradas na natureza, embora a profundidade exata deste efeito de filtragem dependa dos níveis específicos de temperatura e sal de cada mundo. Ao mostrar que o gelo VII pode atuar como um hospedeiro para o sal sob certas condições, o estudo força um repensar de como os elementos químicos se movem através dos interiores profundos dos mundos mais misteriosos do sistema solar. O gelo profundo não é apenas uma barreira passiva que exclui o sal; é um participante dinâmico na evolução química desses planetas, capaz de aprisionar, transportar e liberar sal de maneiras que eram anteriormente inimagináveis.