《美國國家科學院院刊》近期發表的一項研究，通過實驗模擬，探究了冰凍環境中氧化鐵納米礦物的溶解過程。研究發現，冰并非惰性物質，而是一個高效的化學反應器。結冰過程會將礦物、有機物和酸性物質濃縮在冰晶間的微型液態水中，這種“冰凍濃縮效應”極大地促進了鐵的溶解。這一發現為理解永久凍土、酸性土壤等冰凍環境中鐵的遷移提供了關鍵機理，并有助于解釋氣候變化加劇的凍融事件如何向自然界釋放更多可溶性鐵。

當我們想到冰，腦海中浮現的往往是靜止與封存的景象。然而，最新的科學研究揭示了一個令人驚訝的事實：在冰冷的、看似沉寂的世界里，冰本身就是一個高效的化學反應器，能夠以前所未有的方式驅動化學變化。這一發現對于理解全球氣候變化如何影響地球的生態系統至關重要，尤其是在解釋北極（Arctic）地區河流為何出現“生銹”現象等問題上。鐵是地球上一種至關重要的元素，是無數生命過程的基礎。在自然界中，大部分鐵以不溶于水的礦物形式存在，例如針鐵礦。生物體要想利用鐵，必須先將其轉化為可溶性形態。傳統上，我們認為這一轉化過程在溫暖的液態水中更為活躍。但一項新研究徹底顛覆了這一認知，它聚焦于冰凍環境中鐵的溶解過程。

研究人員發現，當含有微小針鐵礦顆粒、有機物（如廣泛存在于土壤中的草酸鹽）和酸性物質的水開始結冰時，一個奇妙的過程便發生了。純凈的水分子會優先形成冰晶，而水中的雜質——礦物顆粒、草酸鹽和帶來酸性的質子——會被排擠到冰晶之間尚未凍結的微小液態水區域中。這個過程被稱為“冰凍濃縮效應”。它將原本分散在大量水體中的反應物，高度集中在這些冰晶間的微型液態“口袋”里。濃度急劇升高，極大地加速了化學反應的速率。在這種高度濃縮的酸性環境中，草酸鹽能更有效地從針鐵礦表面“抓取”鐵離子，使其溶解進入液態水中。這個過程甚至在零下30°C的低溫下依然能夠進行。

在某些條件下，冰的“工作效率”甚至超過了溫暖的液態水。實驗數據顯示，在高濃度有機物存在時，零下10°C的冰溶解的鐵比4°C的液態水還要多；而在低濃度有機物條件下，其溶解的鐵甚至超過了25°C的液態水環境。這表明，冰凍濃縮帶來的反應增強效應，完全壓倒了低溫導致的反應速率減慢效應。

此外，研究還揭示了其他關鍵因素的影響。例如，高鹽度（類似海水）會抑制鐵的溶解，因為鹽分析子會與有機物競爭礦物表面的反應位點。而反復的“凍融循環”則會進一步促進鐵的釋放。每一次融化都會讓之前被鎖在冰晶內部、未能參與反應的有機物重獲自由，待下一次結冰時，這些“生力軍”便會加入到新一輪的濃縮反應中。

這些發現有助于我們理解全球廣闊的冰凍圈（Cryosphere）中的地球化學過程，無論是酸性硫酸鹽土壤、大面積的永久凍土（permafrost），還是懸浮在大氣中的塵埃氣溶膠。例如，飄浮到極地海洋上空的含鐵塵埃在冰凍的云層中，可能會通過這一機制釋放出更多可溶性鐵，從而影響海洋的初級生產力。隨著全球氣候變暖，凍融循環日益頻繁，永久凍土加速融化，這一由冰驅動的鐵釋放機制正變得愈發重要。它有助于解釋為何在融雪和冰川融化期間，我們會在自然流域中觀測到可溶性鐵通量的增加。這項研究不僅揭開了冰封之下隱藏的化學奧秘，更為我們評估氣候變化對地球元素循環和生態系統健康的影響，提供了寶貴的科學依據。