Fogo e gelo: descobrindo erupções vulcânicas com cromatografia iônica
19 de abr. de 2021
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Algumas respostas estão nas profundezas do gelo, esperando para serem desvendadas.
A realização de pesquisas em química ambiental me levou aos lugares mais remotos da Terra. Nos meus estudos durante o doutorado, tive a sorte de manusear amostras do Pólo Sul e de realizar a minha própria investigação na Gronelândia e, mais tarde, na Antártida para os meus estudos do pós-doutorado. O que estávamos procurando que nos levou ao meio do nada?
As erupções vulcânicas são bastante imprevisíveis. Entre os vulcões mais ativos e estéticos com fluxos de lava estão o Monte Etna em Catânia (Itália), o Kilauea na grande ilha do Havaí (EUA) e, mais recentemente Monte Fagradalsfjall na Islândia. Quando ocorrem eventos menores, pessoas viajam de todos os lugares para ver essa maravilha natural. No entanto, nem todas as erupções são iguais…
Dependendo de uma série de fatores, incluindo a altura da núvem de erupção e a composição das emissões, os eventos vulcânicos podem ter um efeito bastante significativo no clima global. O Índice de Explosividade Vulcânica (VEI) é uma escala logarítmica usada para medir o valor de explosividade de erupções vulcânicas e categorizá-las de 0 (efusiva) a 8 (mega-colossal). O maior destes eventos no século passado foi a erupção do Pinatubo em 1991, nas Filipinas (VEI 6, colossal). A coluna de nuvens atingiu o alto da estratosfera, ejetando enormes quantidades de aerossóis e gases, incluindo dióxido de enxofre (SO2) que dispersam e absorvem a luz solar. Isto levou a uma medição efeito de resfriamento global por quase dois anos após o término da erupção. Imagens de dias sem nuvens ao meio-dia durante esse período mostraram um céu plano e branco e nebuloso, indicativo do efeito de dispersão dos aerossóis de enxofre em grandes altitudes.
Outras grandes erupções vulcânicas levaram a períodos de fome e também de iluminação. Diz-se que os fantásticos céus resultantes do Krakatoa em 1883 (VEI 6, colossal) inspiraram Edvard Munch a pintar a sua conhecida obra-prima O grito. Se você está familiarizado com Frankenstein, você pode agradecer a Mary Shelley por escrevê-lo durante o inverno «ano sem verão» em 1816, resultado da erupção do Monte Tambora (VEI 7, supercolossal).
Resolvendo um mistério nos confins da Terra
Esse período de frio intenso tem sido amplamente investigado por diferentes grupos de pesquisa e por meio de diversas metodologias. Descobriu-se que a década anterior havia sido excepcionalmente fria, embora nenhum indício de outra erupção vulcânica tivesse surgido de imediato. No fim, foi o gelo preservado ao longo dos séculos que revelou a pista decisiva — a mesma que ajudou a solucionar esse e muitos outros mistérios..
O dióxido de enxofre emitido durante as erupções vulcânicas é oxidado em aerossóis de ácido sulfúrico na atmosfera e, dependendo da altura que atingem, podem permanecer suspensos no ar por dias ou até anos. A deposição de sulfato vulcânico nas camadas de gelo polares da Antártica e da Groenlândia preserva um registro das erupções através do acúmulo contínuo de neve nessas áreas. Portanto, registros de atividade vulcânica podem ser encontrados em núcleos de gelo polar através da medição da quantidade de sulfato. Uma maneira fantástica de determinar o sulfato, junto com outro conjunto de ânions e cátions importantes em amostras aquosas, mesmo em níveis vestigiais, é com cromatografia iônica (CI).
É claro que os gases também podem ser medidos porque ficam presos nos espaços entre os flocos de neve, que são então compactados e subsequentemente presos na camada de gelo. No entanto, a resolução temporal para isto não é suficientemente precisa para tais medições vulcânicas, nem o volume de gás é suficientemente grande para fazer uma estimativa precisa da origem vulcânica.
Perfurar núcleos de gelo para análise de íons não é uma tarefa simples. A logística é surpreendente – levar tanto o equipamento de campo como o pessoal devidamente treinado para o meio da camada de gelo exige uma rede de transporte sofisticada e não pode seguir um calendário rigoroso porque a Mãe Natureza segue as suas próprias regras.
Um exame médico completo é necessário de cima a baixo, pois as instalações médicas podem ser, na melhor das hipóteses, rudimentares. Isso inclui exames de sangue, monitoramento cardíaco, radiografias dentárias completas e muito mais (dependendo da sua idade e sexo). Pode levar vários dias para conduzir uma pessoa ferida ou doente para um hospital adequado e, portanto, estar com boa saúde e com um prontuário médico atualizado faz parte da preparação para esse tipo de trabalho remoto.
Os equipamentos precisam ser enviados ao local com semanas ou meses de antecedência, muitas vezes deixados à mercê do tempo antes de serem montados novamente. Ficamos contando com a sorte que tudo funcione. Caso contrário, é necessário ser muito engenhoso porque não há remessas regulares e é difícil encontrar peças de reposição compatíveis com equipamentos tão específicos.
Há décadas, núcleos de gelo coletados em regiões polares e outros locais remotos têm servido como valiosas fontes para analisar e reconstruir eventos do passado. A escolha do local de perfuração exige diversas considerações — desde a profundidade ideal até fatores ambientais específicos. A posição geográfica, por exemplo, é crucial não apenas para evitar a contaminação por emissões de origem humana, mas também por aspectos como a taxa anual de acumulação de neve, a proximidade de vulcões e até a presença de outras formas de vida, como colônias de pinguins na Antártida.
Um registro de boa quantificação de sulfato de núcleos de gelo perfurados na Groenlândia e na Antártica levou à descoberta de eventos vulcânicos até então desconhecidos. A cromatografia de íons com sistema de canal duplo permite a medição simultânea de cátions e ânions da mesma amostra. Ao lidar com amostras tão críticas em pequenos volumes, este é um enorme benefício para fins de obtenção de registros completos. Com a inclusão de preparação automática de amostras como a Ultrafiltração em linha Metrohm ou Diluição em linha, o erro humano é eliminado com um método de análise robusto e rápido.
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Preparação de amostras em linha Metrohm (MISP)
Nas últimas duas décadas, a resolução temporal dos dados obtidos a partir da análise de núcleos de gelo avançou de forma significativa. Antes, a condutividade elétrica era o principal método para identificar grandes eventos vulcânicos nesses registros, já que, ao contrário do que pode parecer, os depósitos de tefra de muitas erupções não são facilmente visíveis a olho nu. Embora o ácido sulfúrico apresente condutividade maior que a da água, essa medida funciona como um parâmetro agregado e não permite determinar com precisão quais componentes estão presentes na amostra.
Mesmo quando a Cromatografia Iônica começou a se consolidar nesse campo, o tamanho das amostras ainda não permitia aos pesquisadores identificar variações mensais — apenas tendências anuais aproximadas. Isso significava que picos menores de sulfato podiam simplesmente passar despercebidos. Para contornar essa limitação, cientistas compararam registros de núcleos de gelo de diferentes partes do mundo a fim de estimar a magnitude, a origem e os impactos climáticos de erupções antigas. No entanto, quando o local de perfuração está próximo a regiões de vulcanismo ativo — como ocorre na Groenlândia, situada a favor do vento em relação à Islândia — até mesmo erupções menores podem aparentar ter um impacto exagerado.
Os avanços recentes na preparação de amostras — especialmente o uso de sistemas de fluxo contínuo que permitem derreter o gelo sem contaminação para injeções de pequeno volume em cromatografia iônica — tornaram possível alcançar uma resolução temporal muito mais alta. Isso permite datar com maior precisão erupções vulcânicas que não possuem registros históricos evidentes.
Dependendo da taxa anual de queda de neve no local de perfuração e da profundidade atingida pelo núcleo, pode-se até determinar em qual mês de um determinado ano ocorreu a deposição de sulfato resultante de uma erupção.
Essas informações, combinadas a outros parâmetros — como a duração do depósito — ajudam a identificar o trajeto da pluma eruptiva e a estimar seu impacto global. Além disso, a análise da composição isotópica do sulfato pode revelar a altura da coluna de erupção, oferecendo um método mais preciso para confirmar eventos estratosféricos. Contudo, esse aspecto ultrapassa o escopo deste artigo.
Usando cromatografia iônica, é possível mesmo no campo para determinar com precisão a profundidade onde eventos vulcânicos específicos de interesse ocorrem no gelo. Então vários núcleos de gelo podem ser perfurados no mesmo local adquirir um volume maior de amostra de gelo para realizar análises mais detalhadas.
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Para resolver este mistério específico, foi a combinação do mesmo pico de sulfato medido via IC em núcleos de gelo de ambas as regiões polares, juntamente com a confirmação da natureza estratosférica da erupção, que levou à descoberta de um evento vulcânico anteriormente não registrado nos trópicos por volta do ano 1809 dC
O período frio foi prolongado por uma segunda erupção vulcânica
Na verdade, a erupção estratosférica do Tambora em 1815 já foi precedida por outro grande evento com impacto climático nos trópicos apenas alguns anos antes. Esta combinação levou a um dos períodos mais frios dos últimos 500 anos. Os dados obtidos pelas medições IC de núcleos de gelo foram fundamentais para esta descoberta, e muito mais nos últimos anos.
Dados de alto impacto
Outras novas erupções vulcânicas foram descobertas no registro do núcleo de gelo à medida que a tecnologia analítica melhora. As datas de suas erupções também podem ser determinadas com mais precisão, ajudando a explicar quais delas tiveram impacto climático ou não. Esta informação ajuda a melhorar a precisão dos modelos climáticos, uma vez que os aerossóis de sulfato de grande altitude resultantes de grandes erupções refletem o sol e causam longos períodos de arrefecimento global. É por esta razão que alguns grupos propuseram uma forma de geoengenharia onde quantidades controladas de gases de enxofre são injetadas na atmosfera para imitar os efeitos de uma erupção estratosférica.
Conclusão
Espero que este breve resumo deste tópico específico de pesquisa ambiental com cromatografia iônica tenha despertado seu interesse! Talvez sirva de inspiração saber que tais funções existem acabe influenciando outros jovens cientistas a seguir uma carreira semelhante. A pesquisa química nem sempre precisa acontecer em ambientes fechados!
