Química

Água líquida abaixo de zero: gotas puras resistem até cerca de −38 °C, e um grão nucleante antecipa o gelo

Publicado em 13/10/2026 · Última alteração em 13/10/2026

Assuntos: Ciência do cotidiano

A água fica líquida abaixo de 0 °C porque o gelo só nasce quando um pequeno aglomerado cristalino atinge tamanho crítico, o que é raro. Gotas puras de 10 μm congelam em cerca de um minuto a −38 °C; antes disso, o gelo costuma depender de partículas raras, como poeira mineral e bactérias, que servem de ponto de partida. Por isso há gotas líquidas em nuvens frias, e basta um estímulo para elas congelarem.

Zero grau Celsius é a temperatura em que gelo e água líquida podem coexistir em equilíbrio; não é aquela em que o gelo é obrigado a aparecer. Abaixo dela, a água líquida fica super-resfriada, um estado metaestável: dura até que algo inicie o gelo. Esse início é a nucleação, quando as moléculas se arranjam num pequeno cristal que não se desfaz e segue crescendo. Se o cristal nasce dentro da água pura, a nucleação é homogênea; se nasce sobre uma partícula ou superfície, é heterogênea. As partículas capazes de iniciar o gelo são raras no ar, então uma gota pequena de nuvem pode não conter nenhuma e seguir líquida bem abaixo de zero.

Aviões abrem buracos em nuvens

Em nuvens médias com gotas super-resfriadas, o resfriamento extra sobre as asas pode empurrar gotas a congelar. Os cristais crescem, caem e deixam um buraco redondo ou um canal na camada, como o fotografado pelo satélite Landsat 9 sobre Wichita (EUA) em 2024.

Por que o gelo precisa de um começo

A teoria clássica da nucleação descreve a energia necessária para formar um aglomerado de gelo de tamanho crítico, a partir do qual ele cresce como cristal. Perto de 0 °C, aglomerados menores se desfazem antes de chegar lá. Quanto mais frio, mais fácil o aglomerado vingar, e o congelamento passa a ocorrer em tempo curto, o que dá a impressão de que a gota congela de repente. Trata-se de um modelo: parâmetros como a energia da interface gelo–água ainda diferem das previsões teóricas.

Quem dá o começo antes de −38 °C

Em nuvens, o gelo costuma começar bem antes do limite homogêneo, em partículas raras no ar. Uma revisão de 2012 estima que abaixo de cerca de −15 °C dominam fuligem e poeiras minerais, e acima disso só materiais biológicos nucleiam gelo. Onde está presente, a poeira de feldspato potássico tende a dominar. A bactéria Pseudomonas syringae chega a nuclear gelo perto de −2 °C, graças a uma proteína própria, bem mais quente que poeiras minerais e pólen.

Como sabemos: milhares de gotas minúsculas

O desafio é que gotas grandes quase sempre têm uma impureza. Por isso gotas de microlitro de água purificada tendem a congelar só abaixo de −20 a −25 °C, enquanto gotas de picolitro, imersas em óleo, chegam ao regime homogêneo. Um estudo de 2021 mediu mais de 16.000 gotas, e a compilação da literatura concentra os dados entre cerca de −35,1 e −37,8 °C. A dispersão é real: a precisão da temperatura é apontada como uma incerteza central, então o limite exato segue sendo refinado.

Onde aparece, e onde os outros artigos entram

Nuvens de nível médio, que cobrem cerca de 8% do céu, contêm água super-resfriada, e aviões podem abrir buracos nelas ao empurrar gotas a congelar. A mesma água super-resfriada aparece no debate sobre o efeito Mpemba, tratado em artigo próprio, e em condições ainda mais frias e sob pressão é o ponto de partida da hipótese de dois líquidos, também em artigo à parte. As ligações de hidrogênio, que dão à água suas anomalias, são explicadas em outro texto.

Como sabemos

O mecanismo geral e os números de congelamento homogêneo estão bem sustentados, mas o valor exato do limite (cerca de −35 a −38 °C) varia entre medições e a revisão sobre partículas nucleantes tem 12 anos.

• Consenso científico: Abaixo de 0 °C a água líquida permanece em estado metaestável até que algo induza a formação de gelo. [3] Introdução
  Contexto: Gotas de água em geral, incluindo as de nuvem. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Consenso científico: Sem sítios de nucleação, a água resfria bem abaixo de 0 °C antes de congelar de forma homogênea. [2] Introdução
  Contexto: Água pura em gotas pequenas, sem partículas nucleantes. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Evidência forte: Gotas de água pura com 10 μm de diâmetro congelam em cerca de um minuto a −38 °C. [3] Introdução
  Contexto: Congelamento homogêneo de gotas puras e pequenas. · Limitações: O artigo cita um estudo anterior para esse número, que não lemos no original; "cerca de um minuto" é a descrição da fonte, não uma medida nossa. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Evidência forte: Água purificada pode ser resfriada a cerca de −35 a −40 °C antes de congelar de forma homogênea. [1] Seção sobre ensaios de congelamento de gotas
  Contexto: Água purificada em gotas pequenas; o valor depende do tamanho da gota e do método. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Teoria científica: A teoria clássica da nucleação descreve a energia necessária para formar um aglomerado de gelo de tamanho crítico, a partir do qual ele cresce como cristal. [2] Seção de discussão (teoria clássica da nucleação)
  Contexto: Modelo usado para interpretar as medições de congelamento de gotas. · Limitações: É um modelo: o próprio artigo mostra que valores de parâmetros, como a energia da interface gelo–água, ficam inconsistentes com previsões teóricas. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Consenso científico: As partículas que iniciam o gelo em gotas super-resfriadas de nuvem são um tipo raro de aerossol. [1] Introdução
  Contexto: INP (ice-nucleating particle) é o nome técnico dessas partículas. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Estimativa: Segundo uma revisão de 2012, abaixo de cerca de −15 °C a nucleação de gelo por partículas imersas em gotas é dominada por fuligem e poeiras minerais; acima dessa temperatura, os únicos materiais conhecidos que nucleiam gelo são biológicos. [4] Resumo
  Contexto: Estimativa dos autores combinando a capacidade de cada material com concentrações atmosféricas típicas, para nucleação por partículas imersas em gotas. · Limitações: Lida só no resumo; é de 2012 e a própria revisão diz que faltam dados quantitativos para outros materiais. · Estimativa de revisão de 2012; o conhecimento sobre partículas nucleantes avança. · Conferida na fonte (resumo), conferência automatizada
• Evidência forte: Onde está presente, a poeira mineral de feldspato potássico tende a dominar a população de partículas nucleantes na atmosfera. [1] Introdução
  Contexto: Poeira mineral lançada ao ar, por exemplo de regiões desérticas. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Evidência forte: A bactéria Pseudomonas syringae, isolada de serapilheira, nucleia gelo a temperaturas de até cerca de −2 °C, mais quentes que as de poeiras minerais e pólen. [3] Introdução
  Contexto: Atividade ligada a uma proteína nucleante de gelo, a inaZ; o artigo compara com pólen, poeira mineral e algumas partículas orgânicas, que nucleiam abaixo de −15 °C. · Limitações: A atividade varia entre cepas da mesma espécie. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Evidência forte: Gotas de microlitro de água purificada tendem a congelar abaixo de cerca de −20 a −25 °C, bem antes do limite homogêneo, e gotas de picolitro em óleo conseguem alcançar o regime homogêneo. [1] Seção sobre ensaios de congelamento de gotas
  Contexto: O artigo atribui a diferença, entre outros fatores, a mais chance de impurezas em gotas maiores e à influência dos substratos. · Conferida na fonte (texto integral), conferência automatizada
• Evidência forte: Os dados microfluídicos de congelamento homogêneo da literatura ficam, na maior parte, entre cerca de −35,1 e −37,8 °C, e um estudo de 2021 mediu mais de 16.000 gotas; as taxas de nucleação publicadas variam bastante entre estudos. [2] Seção 3.3.5
  Contexto: Compilação de estudos com gotas de picolitro; parte da dispersão pode vir de calibrações de temperatura diferentes. · Limitações: O artigo lembra que a precisão da temperatura é descrita como a incerteza mais importante na taxa de nucleação. · A faixa exata do congelamento homogêneo ainda é refinada; "cerca de −38 °C" é a ordem de grandeza. · Conferida em parte (texto integral), conferência automatizada
• Evidência forte: Nuvens de fase mista de nível médio, como altocumulus e altostratus, cobrem cerca de 8% do céu da Terra, e aviões podem abrir buracos nelas ao empurrar gotas super-resfriadas a congelar. [5] Texto da imagem
  Contexto: Nuvens de fase mista têm água líquida e gelo; os buracos (cavum) aparecem sobretudo perto de aeroportos, no inverno. · Conferida na fonte (página institucional), conferência automatizada
• Consenso científico: Em nuvens de nível médio com gotas super-resfriadas, as gotas permanecem líquidas mesmo abaixo do ponto de congelamento usual, e podem congelar depois. [5] Texto da imagem
  Contexto: Nuvens de nível médio. · Conferida na fonte (página institucional), conferência automatizada

Fontes

1. Biomicrofluidics (AIP Publishing) — Microfluidics for the biological analysis of atmospheric ice-nucleating particles: Perspectives and challenges
   Tarn, M. D. et al. · 2025 · Revisão ou síntese científica · lida na íntegra · consultada em 13/10/2026 DOI 10.1063/5.0236911
2. Micromachines (MDPI), Universidade de Leeds — Homogeneous Freezing of Water Using Microfluidics
   Tarn, M. D. et al. · 2021 · Artigo científico original · lida na íntegra · consultada em 13/10/2026 DOI 10.3390/mi12020223
3. Science Advances — High-speed cryo-microscopy reveals that ice-nucleating proteins of Pseudomonas syringae trigger freezing at hydrophobic interfaces
   Bieber, P.; Borduas-Dedekind, N. · 2024 · Artigo científico original · lida na íntegra · consultada em 13/10/2026 DOI 10.1126/sciadv.adn6606
4. Chemical Society Reviews (Royal Society of Chemistry) — Ice nucleation by particles immersed in supercooled cloud droplets
   Murray, B. J.; O'Sullivan, D.; Atkinson, J. D.; Webb, M. E. · 2012 · Revisão ou síntese científica · lido só o resumo · consultada em 13/10/2026 DOI 10.1039/c2cs35200a
5. NASA Earth Observatory — Caving Clouds
   Voiland, A.; Garrison, M. · 2024 · Documento institucional · lida na íntegra · consultada em 13/10/2026

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