Fogo e gelo: descobrindo erupções vulcânicas com cromatografia iônica

19/04/2021

Artigo

Algumas respostas estão nas profundezas do gelo, esperando para serem descobertas.

A realização de pesquisas em química ambiental me levou aos lugares mais remotos da Terra. Nos meus estudos de doutoramento, 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 de pós-doutoramento. 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 factores, incluindo a altura da pluma 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

Este período frio tem sido longamente estudado por diversos grupos de pesquisa e metodologias. Na verdade, descobriu-se que a década anterior foi anormalmente fria, mas nenhum registro de outra erupção vulcânica foi imediatamente aparente. Em última análise, foi o gelo imaculado que continha a pista que resolveu este mistério e muitos outros.

O autor segura um núcleo de gelo de 1 metro de comprimento perfurado em Summit Camp, Groenlândia (esquerda) e Dome Concordia, Antártica (direita).

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 por dias ou até anos. A deposição de sulfato vulcânico nas camadas de gelo polares da Antártica e da Groenlândia preserva um registro de erupções através do acúmulo contínuo de neve nessas áreas. Portanto, registros de atividade vulcânica podem ser encontrados em núcleos de gelo polar medindo a 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).

Os gases presos no gelo podem ser medidos com instrumentação especial e fornecem informações sobre a atmosfera pré-histórica.

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.

Cartões de embarque dados ao pessoal de apoio polar saindo de Christchurch, Nova Zelândia, para a Estação McMurdo (EUA), na Antártica.

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 evacuar 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 devem ser enviados ao local com semanas ou meses de antecedência, muitas vezes deixados à mercê dos elementos antes de serem montados novamente. Esperançosamente, tudo funciona. Caso contrário, você deve ser muito engenhoso porque não há remessas regulares e é difícil encontrar peças de reposição.

Núcleos de gelo obtidos em áreas polares e outros locais remotos têm sido usados há décadas para analisar e reconstruir eventos passados. Muitas considerações devem ser feitas em relação a onde perfurar, a que profundidade ir e assim por diante. A localização geográfica é de importância crítica por diversas razões, incluindo evitar a contaminação por emissões antropogénicas, mas também pela sua taxa anual de acumulação de neve, proximidade de vulcões e até de outros seres vivos (como colónias de pinguins, na Antártida).

Local de perfuração remoto baseado fora e contra o vento de Summit Camp, Groenlândia.

Um registro de boa resolução 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 e pequenos volumes, este é um enorme benefício para fins de manutenção de registros completos. Com a adição de preparação automática de amostras como Ultrafiltração em linha Metrohm ou Diluição em linha, o erro humano é eliminado com um método de análise robusto e que economiza tempo.

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Preparação de amostras em linha Metrohm (MISP)

Camadas de tefra depositadas por uma erupção vulcânica na Islândia.

Nas últimas duas décadas, a resolução temporal dos dados da análise do núcleo de gelo aumentou significativamente. A condutividade costumava ser a medida preferida para determinar grandes eventos vulcânicos em núcleos de gelo, pois é difícil ver (sem ajuda) os depósitos de tefra de muitas erupções, ao contrário do que se pode pensar. A condutividade do ácido sulfúrico é superior à da água, mas a condutividade é um parâmetro somatório e não revela exatamente quais componentes estão na amostra.

Mesmo quando o IC começou a ganhar força neste espaço, os tamanhos das amostras não permitiram aos investigadores determinar variações mensais, mas sim aproximações anuais. Isto significava que quaisquer picos menores de sulfato poderiam ter sido ignorados. Os pesquisadores tentaram superar isso comparando registros de núcleos de gelo ao redor do mundo para estimar o tamanho, a origem e o impacto climático de vulcões anteriores. Infelizmente, quando o local de perfuração está localizado perto de vulcanismo activo (como é o caso da Gronelândia, a favor do vento em relação à Islândia), mesmo erupções mais pequenas podem parecer ter um efeito sobredimensionado.

Dados selecionados de um núcleo de gelo perfurado, medidos por IC. A análise de traços é necessária devido às baixas concentrações de espécies iônicas depositadas em locais remotos. A contagem anual de camadas foi possível aqui, como mostrado pelas variações anuais em vários analitos medidos. As barras cinzas representam a temporada de verão.

A resolução de tempo aprimorada agora possível com preparação de amostras mais sofisticada (ou seja, configurações de fluxo contínuo para fusão de amostras sem contaminação) para injeção de IC de pequeno volume permite uma datação mais precisa de erupções vulcânicas sem outros registros históricos aparentes.

Dependendo da queda de neve anual no local da perfuração e da profundidade do núcleo perfurado, pode ser possível determinar em que mês de um determinado ano ocorreu a deposição de sulfato de uma erupção vulcânica.

Esta informação, combinada com outros dados (por exemplo, comprimento da deposição) ajuda a identificar a circulação da pluma de erupção e a estimar o impacto global. Além disso, outros dados podem ser obtidos através da medição do composição isotópica do sulfato depositado para determinar a altura da nuvem de erupção (um método mais preciso para confirmar erupções estratosféricas), mas isso está além do 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 gelo para realizar análises mais detalhadas.

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Cromatografia de íons Metrohm

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

A saída do continente Antártico pode acontecer de várias maneiras: por barco, avião militar ou avião. Tive a sorte de pegar uma carona de primeira classe em um avião do governo, com a vantagem adicional de ter um plano de voo muito interessante na tela.

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 de um nicho de pesquisa ambiental com cromatografia iônica tenha despertado seu interesse! Talvez a inspiração de saber que tais funções existem leve outros jovens cientistas a seguir uma carreira semelhante. O ensino de química nem sempre precisa acontecer em ambientes fechados!