En infrysning räcker för att styra om järnets mineralomvandling

– Is är inte en passiv frysbox, utan en aktiv geokemisk reaktor som kan förändra hur ett järnmineral omvandlas på bara några få minuter, säger professor Jean-François Boily vid Kemiska institutionen, Umeå universitet, som lett den aktuella studien.

Is är inte bara fruset vatten. I naturen kan is stänga in en mängd olika ämnen, däribland mineral och organiskt kol. Bland de mest betydelsefulla är järnmineralen, eftersom det som händer med dem medan de är instängda i isen avgör hur järnet beter sig när isen smälter.

Järn är ett av de vanligaste grundämnena i jordskorpan och livsnödvändigt för de flesta levande organismer. När bergarter vittrar frigörs järn som sedan reagerar med syre och vatten och bildar sekundära järnmineral.

Följdeffekter i hela ekosystem

Dessa järnoxider är spridda över stora delar av jordytan. Man kan se dem som roströda beläggningar på berg och fina partiklar i jord, men de finns också i vattenmiljöer och i atmosfären. Förändringar i hur järn frigörs kan få följdeffekter genom hela ekosystem, från fjällbäckar till arktiska kustområden.

I den aktuella studien har forskarna undersökt ferrihydrit, en bristfälligt ordnad järnoxid på bara några nanometer. Ferrihydrit är den dominerande reaktiva järnfasen i glaciala sediment, isberg och kalla jordar. Den har en stor ytarea, vilket gör att ferrihydrit drar åt sig mycket näringsämnen, föroreningar och organiskt kol. Om ferrihydrit behåller sin reaktiva yta – eller omvandlas till ett mindre reaktivt mineral – styr hur mycket biotillgängligt järn som når polarhaven och hur mycket kol som förblir bundet i frusen mark.

När vatten fryser bildas mikroskopiska fickor av vätska mellan iskristallerna. Där koncentreras de ämnen som inte kan införlivas i isen. Forskarna fann att denna inneslutning, tillsammans med den kraft som drar ofruset vatten mot den växande isfronten, pressar samman ferrihydritpartiklarna, sliter bort det skikt av vatten och hydroxylgrupper som normalt omger partiklarna och fogar samman dem till mycket större aggregat.

– Partiklarna kommer ut ur isen sammanbundna, inte bara hopklumpade, säger Jean-François Boily. Vi kunde ultraljudsbehandla dem och hålla dem i syra i en månad utan att de föll isär.

Undersökningar med bland annat elektronmikroskopi visade att en enda infrysningscykel vid −20 °C ökade ferrihydritens partikelstorlek ungefär 30 gånger. Det uppstod mikrometerstora flagor, vars tillplattade form ärvts från de iskorngränser som format dem. Att frysa in materialet på nytt gjorde liten skillnad, eftersom merparten av förändringen skedde redan vid den allra första frysningen.

Forskarna lät både färska och frysbehandlade prover åldras i vatten under ett helt år. Ferrihydrit som aldrig frysts omvandlades till goethit, den gulbruna rost som kan ses i sval och fuktig mark. Ferrihydrit som frysts en enda gång bildade ingen goethit alls, och vid accelererat åldrande övergick den i stället till hematit, den röda rosten i varm och torr mark.

Ljusdrivet järnkretslopp kan påskyndas

Denna omkastning av mineraler har betydelse långt utanför laboratoriebänken. Förhållandet mellan goethit och hematit i forntida jordar används ofta som riktmärke för att rekonstruera historiska klimat, och syreisotoperna i de två mineralen brukar användas för att uppskatta forntida temperaturer. Båda dessa riktmärken utgår dock från att förändringarna av mineralerna skett i flytande vatten.

Hematit absorberar dessutom ett bredare våglängdsområde av solljuset än goethit. Det innebär att en frysdriven förskjutning mot att mer hematit bildas skulle kunna påskynda ett ljusdrivet järnkretslopp överallt där mark i polarområdena tinar i solen.

I en åtföljande kommentar i samma nummer av Science skriver geokemisten Kevin M. Rosso vid Pacific Northwest National Laboratory i USA att förståelsen av is som en aktiv geokemisk reaktor inte längre är en nischfråga för de som forskar om is och snö, utan en central utmaning för att förstå järnets geokemiska kretslopp vid jordytan.

Läs Kevin M. Rossos kommentar: https://www.science.org/doi/10.1126/science.aej2248

I takt med att frys-tö-cyklerna sker tätare och sprider sig geografiskt i ett varmare klimat blir det allt viktigare att förstå hur isen påverkar hur järnmineraler utvecklas och hur det i sin tur påverkar olika ekosystem.

Om den vetenskapliga studien

Tao Luo, Tao Chen, Tra My Bui Thi, James Behan, Crispin Hetherington, Khalil Hanna och Jean-François Boily, A single freeze cycle redirects iron mineral transformation, Science, vol. 393, nr 6807, DOI 10.1126/science.aee9519.

Läs artikeln i Science: https://www.science.org/doi/10.1126/science.aee9519