Novo modelo matemático revela como o calor atravessa o gelo marinho

Há uma camada fina de gelo flutuando sobre os oceanos polares que funciona como um termóstato planetário, e durante décadas os cientistas não compreendiam completamente como o calor a atravessava. Agora, um novo modelo matemático desenvolvido por investigadores de três universidades — Macquarie, Utah e Dartmouth College — oferece respostas que poderão refinar significativamente as previsões climáticas globais.

O gelo marinho cobre aproximadamente 15% da superfície oceânica durante os meses mais frios, formando uma barreira delgada entre a atmosfera gelada e o oceano abaixo. Noa Kraitzman, professor de Matemática Aplicada na Macquarie University e autor principal do estudo publicado na revista Proceedings of the Royal Society A, descreve-o como uma camada crítica responsável pela transferência de calor entre dois ambientes radicalmente diferentes. O gelo reflete a luz solar e modera as trocas térmicas, atuando como um cobertor isolante que regula o clima polar da Terra.

O que tornou este trabalho necessário é uma lacuna fundamental nos modelos climáticos existentes. Os cientistas focaram-se na condutividade térmica do gelo marinho — essencialmente, na velocidade a que o calor o atravessa — mas ignoraram um fenómeno físico importante: o movimento da salmoura líquida dentro da estrutura do gelo. Quando a água do oceano congela rapidamente, o sal é expulso, criando uma matriz de gelo quase puro que captura bolhas de ar e bolsas de água extremamente salgada. Estas inclusões de salmoura, mais densas do que a água doce, criam correntes de convecção dentro do gelo — grandes "chaminés" por onde o sal líquido flui. Este movimento de fluido aumenta a condutividade térmica, permitindo que mais calor atravesse o gelo do que os modelos anteriores previam.

Kraitzman explica que a estrutura do gelo marinho é extraordinariamente complexa. Quando a atmosfera acima desce abaixo dos 30 graus Celsius negativos enquanto o oceano permanece a cerca de dois graus negativos, a diferença de temperatura é tão grande que a água congela de cima para baixo, criando esta arquitetura única de gelo, ar e salmoura. Medir e prever o comportamento deste material é um desafio porque as suas propriedades dependem sensibilmente tanto da temperatura como da salinidade.

O trabalho baseia-se em investigação de campo realizada em 1999 que sugeriu pela primeira vez que o fluxo de fluidos dentro do gelo marinho poderia aumentar a sua condutividade térmica. A equipa de Kraitzman forneceu agora a prova matemática rigorosa deste fenómeno, demonstrando que este aumento deve ser esperado quando o fluxo convectivo começa. O modelo oferece também uma forma de relacionar as propriedades térmicas do gelo com a sua temperatura e teor de sal, criando uma ferramenta que pode ser integrada em modelos climáticos de grande escala.

A importância prática deste trabalho torna-se evidente quando se observa o que está a acontecer nos oceanos polares. O gelo marinho no Ártico tem diminuído rapidamente nas últimas décadas, desencadeando um ciclo de retroação perigoso: à medida que mais água escura do oceano fica exposta, absorve mais luz solar, aquecendo-se mais e causando a perda de ainda mais gelo. Esta perda não é um problema local — afeta padrões meteorológicos, circulação oceânica e ecossistemas marinhos muito para além das regiões polares.

Compreender com precisão como o calor se move através do gelo marinho é portanto crucial para prever o futuro climático. O novo modelo fornece um quadro teórico sólido, mas os investigadores reconhecem que é necessário mais trabalho experimental para integrar completamente estes resultados nos modelos climáticos operacionais. O estudo foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, refletindo o reconhecimento de que esta é uma questão fundamental para a compreensão do planeta.