Na estação Vostok, na Rússia, a temperatura média anual da superfície está próxima de 55 graus Celsius negativos. Abaixo da estação há quase quatro quilômetros de gelo. Abaixo desse gelo não há rocha congelada, mas um dos maiores lagos da Terra.
O Lago Vostok tem cerca de 230 a 250 quilômetros de comprimento e cerca de 50 quilômetros de largura em seu ponto mais largo. As estimativas de sua área exata e profundidade variam à medida que a cobertura do radar e os modelos melhoram, mas sua escala é comparável ao Lago Ontário. Pode reter substancialmente mais água porque grande parte da sua bacia é mais profunda.
O lago permanece líquido através de um equilíbrio da física comum operando em uma escala incomum. O gelo acima isola-o da superfície, a pressão diminui o ponto de fusão e um pequeno mas persistente fluxo de calor sobe do interior da Terra. Nada no lago é quente. Espera-se que sua água fique perto de 3 graus Celsius negativos.
Lago Ontário é uma comparação de escala
Chamar o Lago Vostok de “o tamanho do Lago Ontário” é útil, mas aproximado. UM Revisão das Academias Nacionais dos ambientes subglaciais da Antártida dá ao Lago Vostok uma área de cerca de 14.000 quilômetros quadrados, em comparação com cerca de 19.000 quilômetros quadrados do Lago Ontário. Outras estimativas publicadas variam para mais ou para menos, dependendo de como o limite do lago é definido.
A comparação de volume ocorre no sentido inverso. O Lago Ontário tem profundidade média de 86 metros e máxima de 244 metros. A batimetria do Lago Vostok é menos certa, mas as estimativas colocam as suas águas mais profundas em várias centenas de metros e possivelmente perto de um quilómetro. As estimativas de volume publicadas, portanto, colocam-no bem acima do Lago Ontário, mesmo quando a sua área de superfície é menor.
O lago ocupa uma profunda depressão rochosa sob o manto de gelo da Antártica Oriental. A superfície da água é invisível vista de cima. O geógrafo soviético Andrey Kapitsa utilizou sondagens sísmicas de expedições de 1959 e 1964 para inferir condições incomuns sob o gelo. Pesquisas aéreas de eco-rádio na década de 1970 identificaram posteriormente um refletor amplo e excepcionalmente plano. A altimetria do radar de satélite mostrou então uma mancha plana na superfície do gelo, a expressão sutil de uma camada de gelo flutuando sobre a água.
Pesquisadores russos e britânicos combinaram essas observações em um estudo de 1996 Natureza artigo que estabeleceu a escala do lago. A descoberta não foi uma visão através de um poço. Foi uma inferência obtida a partir de ondas sísmicas, reflexões de radar e da forma do gelo sobrejacente.
Quatro quilômetros de gelo são um cobertor e também uma tampa
Quatro quilómetros de gelo parecem uma fonte avassaladora de frio, mas o frio não é um material que escoa para baixo. O calor se move ao longo de um gradiente de temperatura. A superfície extremamente fria extrai energia da camada de gelo, enquanto a sua grande espessura diminui a velocidade com que o calor pode ser conduzido para longe da base.
O gelo também não está perfeitamente imóvel. A neve acumulada na superfície é comprimida e transportada lentamente para baixo e através do continente. Esse movimento transporta gelo frio, enquanto a deformação dentro da camada e o calor conduzido de baixo ajudam a definir o perfil de temperatura. O equilíbrio térmico resultante pode colocar a parte inferior de uma espessa camada de gelo no seu ponto de fusão, mesmo enquanto a parte superior permanece dezenas de graus mais fria.
O calor também entra por baixo. A decomposição radioativa e o calor residual dentro da Terra produzem um fluxo geotérmico através da crosta. No Lago Vostok, os modelos normalmente usam um valor em torno de 0,05 watts por metro quadrado. Isso é minúsculo comparado com a luz solar na superfície da Terra, mas o lago não tem contato direto com o ar da Antártica e a entrada continua ao longo do tempo geológico.
A questão relevante não é, portanto, se o ar acima de Vostok está muito abaixo de zero. É se o calor que chega à base pode manter a fronteira gelo-água na sua temperatura de fusão local enquanto o calor escapa para cima através do gelo. As medições do perfil de temperatura do poço Vostok mostram que o gelo basal está no ponto de fusão.
Isto é diferente do mecanismo que examinei na lagoa Don Juan, na Antártida. Essa lagoa de superfície rasa resiste ao congelamento porque o cloreto de cálcio concentrado diminui o ponto de congelamento. Acredita-se que o Lago Vostok seja relativamente fresco. Seu estado líquido não requer uma enorme concentração de sal.
A pressão altera o ponto de fusão
O peso de quase quatro quilómetros de gelo produz uma pressão de cerca de 34 megapascais no topo do lago, ou cerca de 340 vezes a pressão atmosférica ao nível do mar. Para a forma comum de gelo encontrada em uma camada de gelo, o aumento da pressão diminui a temperatura de fusão. No teto do Lago Vostok, a água doce pode permanecer líquida em temperaturas em torno de 2,5 a 3 graus Celsius negativos.
A pressão às vezes é descrita como se criasse calor. Isso não acontece. Altera a temperatura na qual o gelo sólido e a água líquida podem coexistir. A energia geotérmica, o movimento do gelo e a condução de calor ainda determinam se essa fronteira recebe energia suficiente para derreter.
A temperatura de fusão sob pressão não é uniforme em todo o lago porque a parte inferior da camada de gelo se inclina. Pesquisa baseada em radar arquivada pela NASA mostra que variações na espessura do gelo e no ponto de fusão dependente da pressão produzem zonas distintas de derretimento e congelamento no telhado do lago.
Mesmo uma diferença de alguns décimos de grau é suficiente para fazer diferença quando todo o sistema opera próximo ao seu ponto de congelamento.
Imagine a água se movendo sob um telhado inclinado. Sob gelo mais espesso, ele pode estar a uma temperatura mais baixa e ainda permanecer líquido. À medida que se move em direção ao gelo mais raso, a pressão cai e o seu ponto de congelamento aumenta. A água que era estável na região mais profunda pode então ficar fria o suficiente para congelar no teto, mesmo sem perder muito calor.
O telhado derrete em uma extremidade e congela na outra
Onde o gelo é mais espesso, a temperatura de fusão com pressão mais baixa favorece o derretimento. A água então circula pelo lago, transportando calor. Abaixo do gelo mais raso, o ponto de fusão é ligeiramente mais alto e a água do lago pode congelar na parte inferior da camada de gelo.
Este material recongelado é chamado de gelo de acreção. Mais de 200 metros foram identificados no fundo do núcleo de gelo Vostok. É diferente do gelo glacial acima, que começou como uma nevasca. A camada de gelo em movimento carrega o gelo acumulado enquanto o gelo basal fresco derrete em outros lugares, criando uma troca lenta entre o lago e a geleira.
Um modelo de 2008 do padrão de acreção de Malte Thoma, Klaus Grosfeld e Christoph Mayer descobriu que o equilíbrio depende do calor geotérmico que entra no lago, do calor conduzido para a camada de gelo e da inclinação da fronteira entre água gelada. O modelo estimou um ganho líquido de volume do lago, mas a localização e a taxa de congelamento permaneceram sensíveis à espessura do gelo assumida, à geometria do telhado e ao fluxo geotérmico.
O aquecimento geotérmico também estimula a convecção. A água mais quente perto do leito torna-se flutuante em relação à água circundante e sobe, enquanto o resfriamento e o congelamento no telhado alteram a densidade. A rotação da Terra pode organizar o fluxo resultante em colunas e redemoinhos. O Lago Vostok não é um bolsão imóvel preservado sem alterações. Possui circulação, derretimento, congelamento e um teto que desliza lentamente acima dele.
Esse ciclo explica por que a água pode persistir. O congelamento numa região não significa que todo o lago esteja a desaparecer gradualmente se o degelo substituir a água noutros locais. A camada líquida é mantida por um equilíbrio de calor e massa, e não por um único ingrediente anticongelante.
Quinze milhões de anos descrevem o isolamento, não cada gota
A Antártica Oriental provavelmente manteve o Lago Vostok continuamente coberto por cerca de 15 milhões de anos, embora as estimativas de sua história mais longa sejam diferentes. Isso o torna isolado da luz solar direta e do contato normal com a atmosfera moderna. Isso não significa que todas as moléculas de água tenham permanecido no mesmo lugar durante 15 milhões de anos.
O gelo flui pelo lago, derrete nele e congela de volta no telhado. As estimativas publicadas para o tempo de substituição ou residência da água abrangem milhares a mais de cem mil anos. Um modelo frequentemente citado dá cerca de 13.300 anos para que o volume do lago seja renovado. Mesmo essa é uma média dependente do modelo, e não uma data impressa numa amostra.
A distinção assemelha-se à do meu artigo sobre o gelo antártico contendo ar com 1,2 milhões de anos. Uma camada glacial pode preservar uma amostra datada de neve e atmosfera. A água do lago é móvel, misturada e trocada no seu teto. A idade do ambiente selado, a idade da sua água e o tempo em que qualquer material dissolvido permanece nele são relógios diferentes.
O isolamento também não é necessariamente absoluto no sentido hidrológico. Centenas de lagos subglaciais foram mapeados abaixo da Antártida, e observações de satélite mostram que alguns enchem e drenam através de canais sob o gelo. O lago Vostok é geralmente tratado como comparativamente estável, mas o sistema subglacial mais amplo provou ser mais conectado e dinâmico do que sugeriam as primeiras descrições lago por lago.
A evidência biológica continua difícil de interpretar
Nenhuma luz solar atinge o Lago Vostok, então a fotossíntese não está disponível. Qualquer ecossistema precisaria de energia química fornecida pelo derretimento do gelo, reações com minerais ou possível atividade no leito do lago. O derretimento do gelo glacial pode liberar gases presos na água. Sob a pressão do lago, o oxigênio pode se acumular na forma dissolvida ou em estruturas gás-água chamadas clatratos.
Os pesquisadores relataram células microbianas e sequências genéticas no acúmulo de gelo. UM revisão em Natureza concluiu que pequenas quantidades de micróbios foram detectadas e que o oxigênio dissolvido deveria estar disponível perto da superfície do lago. Essas observações tornam a vida plausível, mas não são equivalentes a uma amostra não contaminada da principal coluna de água do lago.
O problema é que um organismo detectado numa amostra minúscula e com baixo teor de biomassa pode ter entrado no equipamento de perfuração, no fluido de perfuração, no laboratório ou no gelo glacial sobrejacente. As alegações baseadas em sequências de ADN produziram, portanto, um debate sobre quais os sinais que pertencem ao lago e quais pertencem ao processo de alcançá-lo.
A perfuração russa atingiu a interface do lago em Fevereiro de 2012. O poço continha fluido de perfuração à base de querosene, utilizado para evitar que fechasse sob pressão, tornando a contaminação uma preocupação central. A água do lago subiu para o poço inferior e congelou, permitindo que o material fosse recuperado mais tarde, mas não proporcionou o tipo de levantamento limpo e no local necessário para descrever a ecologia do lago com confiança. UM revisão da exploração do lago subglacial antártico descreveu os desafios de engenharia e limpeza que ainda separam evidências sugestivas de acúmulo de gelo de um censo biológico robusto.
É por isso que o Lago Vostok aparece com tanta frequência nas discussões sobre os oceanos sob o gelo de Europa e de outras luas. Isso demonstra que a água líquida pode persistir sem luz solar sob uma espessa casca congelada. Demonstra também que detectar água é mais fácil do que amostrá-la de forma limpa e que habitabilidade não é o mesmo que evidência de habitantes.
O Lago Vostok permanece líquido porque o seu telhado de gelo não é simplesmente água congelada que pressiona uma superfície hostil. É uma fronteira isolante e móvel mantida perto de um ponto de fusão ajustado à pressão, com um fornecimento fraco, mas contínuo, de calor vindo de baixo.
