A resposta curta é sal. A resposta mais interessante é que o Lago Don Juan mal é um lago no sentido comum da palavra.
Situa-se no Vale Upper Wright, na Antártica, um dos Vales Secos McMurdo, onde as temperaturas no inverno podem cair até 50 graus Celsius negativos. Os lagos próximos carregam gelo com vários metros de espessura. Enquanto isso, a lagoa Don Juan pode permanecer líquida em condições que tornariam a água doce sólida quase imediatamente.
Esse contraste é real, embora a versão popular precise de duas correções. O lago não é mantido continuamente a 50 graus negativos e não possui imunidade absoluta ao congelamento. É um corpo raso e móvel de salmoura de cloreto de cálcio, cujo ponto de congelamento foi reduzido quase tão baixo quanto as temperaturas mais frias que normalmente encontra.
Morando em Cingapura, acho difícil imaginar menos 50. O que me chamou a atenção foi a ideia de que a temperatura por si só não decide se a água congela. A composição é igualmente importante.
Isso está mais próximo da salmoura do que a água comum do lago
Don Juan Pond tem apenas a altura do tornozelo. Sua área exata e profundidade mudam e, às vezes, grande parte da água visível pode desaparecer. O líquido que resta está entre as águas superficiais naturais mais salinas conhecidas na Terra.
O Observatório da Terra da NASA descreve uma salinidade acima de 40 por cento. A água do oceano, em comparação, tem uma média de cerca de 3,5%. Mais incomum, o material dissolvido na lagoa Don Juan é dominado por cloreto de cálcio, em vez do cloreto de sódio que a maioria de nós se refere quando fala em sal.
Essa diferença química é importante. O cloreto de cálcio dissolve-se facilmente e é fortemente higroscópico, o que significa que atrai água. É também um depressor do ponto de congelamento particularmente eficaz. Esta é uma das razões pelas quais os produtos de cloreto de cálcio são usados para descongelar estradas em condições onde o sal-gema comum se torna menos útil.
A lagoa não é, portanto, um bolsão de água normal que resiste de alguma forma ao inverno antártico. É uma solução química densa com propriedades físicas muito diferentes das do gelo que a rodeia.
Por que o ponto de congelamento cai para cerca de 52 graus negativos
A água pura congela quando suas moléculas se acomodam na estrutura cristalina ordenada do gelo. Os íons dissolvidos atrapalham essa transição e diminuem a temperatura na qual a fase sólida se torna favorável.
Em um cálculo de química escolar, isso é chamado de depressão do ponto de congelamento. Don Juan Pond é concentrado demais para se comportar como uma simples solução diluída, mas a intuição básica ainda se mantém. Moléculas de água cercadas por grandes quantidades de íons cálcio e cloreto não podem se organizar em gelo nas mesmas condições que a água doce.
O número útil é a temperatura eutética. Para uma salmoura de cloreto de cálcio na concentração certa, o líquido pode permanecer estável até cerca de 52 graus Celsius negativos. UM artigo de 2017 em Cartas da Terra e da Ciência Planetária de Jonathan Toner, David Catling e Ronald Sletten fornecem esse número ao descrever a água do lago contendo até 40% de sal por peso.
“Eutético” não significa que a salmoura nunca possa congelar. Marca a temperatura mais baixa na qual a mistura líquida pode permanecer em equilíbrio. Abaixo dele, formam-se fases sólidas. Dependendo da temperatura e composição exatas, os produtos podem incluir gelo e minerais hidratados de cloreto de cálcio, como a antarcticita.
Portanto, Don Juan Pond não está violando a regra de congelamento. Sua química mudou a regra de zero graus para aproximadamente 52 graus negativos.
O mesmo lago não permanece necessariamente inalterado
A frase “ano após ano” pode dar a impressão de que uma piscina estável sobrevive intacta durante cada inverno. Don Juan Pond é mais dinâmico do que isso.
É extremamente raso e exposto a um dos ambientes mais secos da Terra. Seu contorno muda conforme a água chega e evapora. Alguns relatos descrevem que a lagoa superficial às vezes desaparece quase totalmente, deixando para trás sedimentos ricos em sal.
O estudo geoquímico de 2017 chegou a uma conclusão especialmente interessante. O seu modelo sugeria que mesmo as salmouras mais concentradas no lago tinham sofrido evaporação em bacia fechada durante menos de um ano. Os autores propuseram que a salmoura sobe de um sistema regional de águas subterrâneas, concentra-se na superfície, depois retorna ao subsolo e é reciclada em escalas de tempo aproximadamente anuais.
Nessa leitura, o Lago Don Juan persiste como um sistema hidrológico e químico, não necessariamente como a mesma parcela imóvel de líquido.
Essa distinção também explica por que a evaporação não a elimina simplesmente para sempre. Os sais permanecem e a nova água que entra na bacia pode dissolvê-los novamente. Cada lote concentrado herda um ponto de congelamento muito baixo do material já acumulado ali.
De onde vem a água ainda é contestado
Durante décadas, os pesquisadores propuseram que as águas subterrâneas profundas alimentavam o lago por baixo. Em seguida, uma equipe liderada por James Dickson, da Universidade Brown, usou fotografias de lapso de tempo e medições meteorológicas para observar a formação de rastros de água escura nas encostas próximas.
Deles Estudo de 2013 em Relatórios Científicos concluiu que a deliquescência estava ativa na bacia hidrográfica. Durante este processo, os sais de cloreto de cálcio absorvem a umidade do ar até se dissolverem em sua própria salmoura. Pequenas quantidades de degelo sazonal poderiam então despejar a salmoura encosta abaixo sobre o permafrost raso e entrar no lago. A equipe descobriu que esse processo próximo à superfície poderia controlar os níveis de água no verão e não observou entrada de água subterrânea durante o período de estudo.
Quatro anos depois, Toner e seus colegas argumentaram que as entradas superficiais não poderiam reproduzir adequadamente as proporções incomuns de cálcio, magnésio, potássio e outros íons do lago. Seu modelo geoquímico se ajusta melhor às águas subterrâneas profundas.
As duas ideias não são necessariamente mutuamente exclusivas. A deliquescência próxima à superfície e a água do degelo podem afetar o enchimento do lago, enquanto um sistema mais profundo pode ajudar a explicar de onde veio seu distinto estoque de sal. Com base nos dados disponíveis, o equilíbrio entre essas contribuições permanece incerto.
Gosto desta parte da história porque a pergunta do título tem uma resposta muito clara, mas o lago em si não. Compreendemos por que a salmoura permanece líquida com mais segurança do que como todo o sistema é abastecido.
Água líquida não significa automaticamente um bom lar para a vida
A Lagoa Don Juan atrai cientistas planetários porque Marte também é frio, seco e salgado. Se as salmouras podem formar-se e permanecer líquidas na Antártida sob condições próximas do limite da estabilidade da água terrestre, uma química semelhante pode ajudar a explicar a humidade transitória ou antigos depósitos de sal em Marte.
Mas líquido não é a mesma coisa que habitável.
Em um 2016 Astrobiologia artigo sobre os limites das salmouras marcianasMark Fox-Powell e colegas argumentaram que a atividade de água de Don Juan Pond cai abaixo do limite aceito para a divisão celular. É dissolvido tanto sal que muito pouca água fica quimicamente disponível para uso dos organismos. Salmouras ricas em cálcio também podem desestabilizar estruturas celulares.
Um relatório genômico recente acrescenta uma ruga cuidadosa. Pesquisadores publicaram rascunhar genomas de três isolados bacterianos obtidos de sedimentos do lago Don Juan saturados com salmoura coletados em 2018. Isso demonstra que os micróbios podem ser recuperados do sistema de sedimentos da lagoa. Isso não mostra, por si só, que uma comunidade ativa esteja se multiplicando na salmoura superficial mais concentrada, a 50 graus negativos.
O lago é útil para pensar sobre Marte, em parte porque separa duas questões que muitas vezes estão agrupadas. Pode existir líquido? A vida pode usá-lo? A química pode responder sim à primeira e ainda tornar a segunda extremamente difícil.
Por que a lagoa permanece líquida
A lagoa Don Juan permanece descongelada durante grande parte do inverno antártico porque sua água carrega uma enorme carga de cloreto de cálcio. Esses íons dissolvidos reduzem o ponto de congelamento de zero graus Celsius para aproximadamente menos 52. Enquanto a salmoura permanecer acima desse limite inferior, a água líquida é fisicamente permitida.
A lagoa pode encolher, evaporar, ganhar água nova e ser reabastecida a partir de fontes ainda em debate. Ocasionalmente, pode formar gelo, e o frio extremo abaixo do limite eutético congelaria o líquido restante.
Não se recusa a congelar. É água cuja química aquece 50 graus negativos apenas o suficiente.
