Лёд растворяет железо быстрее жидкой воды: учёные объяснили «ржавые» реки Арктики

Повторяющиеся циклы замерзания и оттаивания льда вызывают химические реакции, которые могут оказывать значительное влияние на экосистемы. Фото сделано в Стордалене, Абиску. Автор: Жан-Франсуа Бойли

Лёд может растворять железосодержащие минералы эффективнее, чем жидкая вода, согласно новому исследованию Уме́нского университета. Это открытие может помочь объяснить, почему многие арктические реки сейчас приобретают ржавый оранжевый цвет по мере таяния вечной мерзлоты в условиях потепления климата.

Исследование, опубликованное в журнале PNAS, показывает, что лёд при температуре минус 10 градусов Цельсия высвобождает больше железа из распространённых минералов, чем жидкая вода при 4 градусах Цельсия. Это опровергает давнее убеждение, что в замёрзшей среде химические реакции замедляются.

«Это может звучать парадоксально, но лёд — не пассивный замёрзший блок», — говорит Жан-Франсуа Бойли, профессор Уме́нского университета и соавтор исследования. — «Замерзание создаёт микроскопические карманы жидкой воды между кристаллами льда. Они действуют как химические реакторы, где соединения концентрируются и становятся чрезвычайно кислыми. Это означает, что они могут реагировать с железосодержащими минералами даже при температурах до минус 30 градусов Цельсия».

Чтобы понять процесс, исследователи изучили гетит — широко распространённый оксигидроксид железа — вместе с природной органической кислотой, используя передовую микроскопию и эксперименты.

Они обнаружили, что повторяющиеся циклы замораживания-оттаивания делают растворение железа более эффективным. По мере того как лёд замерзает и тает, органические соединения, ранее захваченные во льду, высвобождаются, подпитывая дальнейшие химические реакции. Солёность также играет ключевую роль: пресная и солоноватая вода усиливают растворение, тогда как морская вода может подавлять его.

Арктические реки приобретают ржавый оранжевый цвет по мере таяния вечной мерзлоты. Автор: Жан-Франсуа Бойли

Результаты применимы в основном к кислым средам, таким как дренажные воды шахт, замёрзшая пыль в атмосфере, кислые сульфатные почвы вдоль побережья Балтийского моря или любые другие кислые замёрзшие среды, где железосодержащие минералы взаимодействуют с органическими веществами. Следующим шагом будет выяснить, справедливо ли то же самое для любого льда, содержащего железо. Это то, что скоро покажут продолжающиеся исследования в лаборатории Бойли.

«По мере потепления климата циклы замерзания-оттаивания становятся более частыми», — говорит Анджело Пио Себаали, аспирант и первый автор исследования. — «Каждый цикл высвобождает железо из почв и вечной мерзлоты в воду. Это может повлиять на качество воды и водные экосистемы на обширных территориях».

Результаты показывают, что лёд — не пассивная среда для хранения, а активный участник процесса. Поскольку замерзание и оттаивание учащаются в полярных и горных регионах, воздействие на экосистемы и естественный круговорот элементов может быть значительным.

Больше информации: Angelo P. Sebaaly et al, Ice as a kinetic and mechanistic driver of oxalate-promoted iron oxyhydroxide dissolution, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2507588122

Источник: Уме́нский университет