Como se estuda o clima do passado?

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1 Como se estuda o clima do passado? Cristina Veiga-Pires (a,b,1) a - Associação DPGA; b Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente da Universidade do Algarve 1 cvpires@ualg.pt RESUMO No século XVIII, James Hutton apresentou uma teoria que revolucionou a Ciência da Geologia: O presente é a chave para o passado!!! De acordo com esta teoria, o estudo do clima do passado implica o conhecimento prévio do clima actual. Hoje já se conhece com algum pormenor a evolução do tempo ao longo dos últimos anos (clima actual). Este conhecimento passa pelo conhecimento dos diferentes compartimentos do sistema Terra, isto é a litosfera, a criosfera, a atmosfera e os oceanos, que interagem através de inúmeras retroacções e dão origem ao clima que se observa actualmente (fig.1). Litosfera Criosfera Clima Oceano Atmosfera Figura 1: Esquema representativo dos compartimentos do planeta Terra intervenientes nas características do Clima Basta ter em mente a importância do efeito de estufa, da circulação atmosférica e oceânica, do ciclo do carbono ou do ciclo da água, por exemplo, para entender que o clima é um sistema complexo e susceptível a uma pequena variação em qualquer parte do Mundo (efeito borboleta da teoria do caos). Assim sendo, o estudo do clima do passado passa na realidade pelo estudo do clima num dado local (arquivo) para um dado período de tempo (cronologia) e em relação a um dado parâmetro climático (ferramenta) (fig.2). Só se poderá falar de Clima do Passado após a integração do paleoclima de vários locais à Superfície da Terra e da compreensão dos mesmos. É portanto essencial conhecer as particularidades de cada arquivo, ferramenta (proxy) ou cronologia e os seus limites de utilização para interpretar correctamente um registo paleoclimático. 5

2 Cronologia Arquivo Paleoclima Ferramenta Figura 2: Esquema representativo dos elementos a estudar e a ter em conta para caracterizar o paleoclima 1 Os arquivos Entende-se por arquivo climático todo o material que regista, de uma forma ou de outra, directa ou indirectamente, variações ligadas aos parâmetros característicos do clima, ou seja principalmente temperatura e humidade ou salinidade. Cada tipo de arquivo só proporcionará uma informação climática parcial como se verá mais à frente e somente relacionado com um ou dois dos compartimentos intervenientes nas condições climáticas (ver fig.1). O passado termina no presente obrigando-nos a começar a estudar o clima do passado nos arquivos dos registos instrumentais (últimos 2 ka) e históricos (últimos 5 ka) cuja precisão foi obviamente mudando ao longo dos anos para atingir o seu máximo com as medições efectuadas hoje em dia através dos satélites. É de salientar que estes arquivos podem oferecer informações sobre qualquer um dos quatro compartimentos referidos anteriormente, e ainda tem uma cronologia registada em relação ao nosso calendário e fornece directamente dados ditos climáticos (temperatura, pressão, humidade, luminosidade, etc ). Os arquivos e registos arqueológicos (últimos 100 ka) também podem ser utilizados para obter informações sobre o paleoclima da componente litosférica. No entanto, os dados obtidos oferecem informações indirectas e meramente qualitativas sobre o clima e necessitam ser associados a uma cronologia que é muito difícil obter uma vez que, na maior parte destes arquivos, não se trata de uma sequência temporal mas sim de instantâneo. No entanto, o estudo dos arquivos instrumentais, históricos e arqueológicos não faz parte das competências dos geólogos e por isso não voltarão a ser tratados aqui. Os registos na madeira (últimos 10 ka) são arquivos usados para caracterizar parâmetros climáticos litosféricos e atmosféricos através de dados quantitativos directos e indirectos muito precisos. Os arquivos sedimentares lacustres e costeiros (últimos 100 ka) são registos muito utilizados no estudo do clima do passado porque apresentam um registo que oferece uma sequência temporal mais ou menos contínua e relativamente fácil de datar. Os dados obtidos permitem uma caracterização indirecta mas quantitativa de alguns parâmetros climáticos atmosféricos e litosféricos (lagos) ou oceânicos (estuários e deltas). 6

3 Os registos no gelo continental (glaciares e calotes de gelo) oferecem uma elevada qualidade para caracterização a atmosfera, sua composição e temperatura ou humidade, bem como a própria criosfera. Uma das vantagens destes registos é terem uma cronologia relativamente fácil de obter e independente de qualquer outro método de datação. Os dados obtidos têm uma elevada resolução e permitem caracterizar o plaeoclima de modo quantitativo mas indirecto. Os arquivos contidos nos depósitos continentais como moreias ou espeleotemas (últimos 200 ka) permitem adquirir de forma indirecta informações sobre a criosfera e atmosfera, respectivamente. Os arquivos oceânicos constituídos pelos sedimentos marinhos e os corais são provavelmente os arquivos mais exaustivamente estudados actualmente devido ao comprimento e à elevada resolução do registo (últimos 1,5 Ma), à existência de grande variedade de ferramentas que podem ser utilizadas e por fim à possibilidade da associação com diversas cronologias. O estudo destes registos permite obter dados sobre a circulação oceânica profunda ou de superfície mas também sobre a interacção entre a atmosfera e a litosfera. Por fim, existem também os registos que se podem observar em algumas rochas sedimentares e metamórficas cuja escala temporal pode atingir o Paleozóico, com uma resolução bem diferente da existente nos outros arquivos. Além das suas limitações interpretativas cada tipo de arquivo também tem os seus limites temporais, resolução e duração (fig. 3). Será pois inútil tentar caracterizar o clima da pequena idade do gelo em rochas sedimentares ou as oscilações do Atlântico Norte (NAO) nos registos arqueológicos! Figura 3: Limites temporais de utilização dos diferentes arquivos 7

4 2 As ferramentas Existe uma quantidade colossal de ferramentas que podem ser utilizadas para estudar o clima do passado tendo cada uma, uma interpretação muito específica correlacionada ao arquivo em estudo. O estudo da maior parte dos registos ditos geológicos, começa pela observação e caracterização da sua composição, textura e core, parâmetros que podem ser considerados como as ferramentas de base para detectar variações qualitativas das condições climáticas. É o caso por exemplo da granulometria nos sedimentos marinhos que permite identificar uma camada de sedimentos depositados pelos icebergs (camadas de Heinrich) ou seja um período frio; ou do teor em CaCO 3 ou SiO 2 que é representativo da produtividade biogénica nos oceanos e consequentemente da sua temperatura; ou da quantidade e origem das poeiras encontradas no gelo ou nos sedimentos que poderão indicar a direcção e intensidade dos ventos ou seja as condições atmosféricas; ou da micropaleontologia que através do reconhecimento dos restos da micro-fauna ou flora reconstitui as características ambientais; etc No entanto, as ferramentas mais procuradas hoje em dia são as ferramentas que permitem retirar uma informação quantitativa sobre as condições climáticas. É o caso de alguns isótopos estáveis como os isótopos do oxigénio, do carbono ou do azoto. Estas ferramentas estão baseadas na razão do isótopo mas pesado sobre o mais leve ( 18 O/ 16 O, 13 C/ 12 C, 15 N/ 14 N) que devido ao fraccionamento dos isótopos, terá valores diferentes e dependentes das características do meio ambiente. É obvio que a utilização deste tipo de ferramenta implica o conhecimento prévio i) de alguns ciclos biogeoquímicos (água, carbono, azoto), ii) da composição de base do registo, iii) do significado e valor actual dessas razões nas diferentes componentes da litosfera, criosfera, atmosfera e oceanos, e iv) os valores de referência. Este último ponto merece alguma atenção visto que estas ferramentas são apresentadas sob a forma dos valores do seu delta (δ 18 O, δ 13 C, δ 15 N) que representa a diferença normalizada entre as razões medidas na amostra e o valore de referência que corresponde à razão medida num material padrão. Este material padrão será a Standard Mean Ocean Water (SMOW) ou a Pee Dee Belemnite (PDB) dependendo dos isótopos terem sido medidos a partir de uma molécula de H 2 O ou de CaCO 3, respectivamente. 2 As cronologias e datações A existência de uma cronologia ou de idades precisas associadas a cada registo é indispensável para o estudo do clima do passado. Para cada tipo de arquivo existem vários métodos de datação que permitem obter idades ditas numéricas, calibradas, relativas ou de correlação. A grande quantidade de métodos de datação e sua aplicação inviabiliza uma descrição pormenorizada de cada um deles. Dos métodos de datação mais utilizados, pode-se identificar a dendrocronologia, a cronologia de varvas, as datações por radioisótopos do carbono-14 ou das séries de urânio, as datações por isótopos estáveis cosmogénicos, as datações por luminescência (TL e OSL), por racemização dos aminoácidos, a cronologia isotópica do oxigénio ou ainda a cronologia por correlação com as variações orbitais (tabela 1). 8

5 Tabela 1: Classificação dos métodos de datação do Quaternário (adaptado de Colman et al., 1987) Quando se trata de datações ou cronologias, é importante 1) utilizar os termos adequados (data vs idade), 2) verificar a aplicabilidade do método (o que há para datar no arquivo?), 3) ter uma ideia do intervalo de tempo em causa (a escala de tempo do método condiz com a idade provável do registo?), e 4) avaliar a precisão e exactidão necessária (Qual é a capacidade do método para resolver a diferença de idade dos eventos de interesse?). As respostas a estas perguntas só podem ser dadas depois de se conhecer os arquivos e os métodos de datação e seus limites de aplicação. A dendrocronologia e a cronologia de varvas só podem ser utilizadas quando se trata de arquivos de árvores e de sedimentos lacustres, respectivamente. O princípio que rege estas cronologias baseia-se na existência de registos anuais que permitem uma contagem sideral da idade. A cronologia nos testemunhos de gelo funciona do mesmo modo. As datações pelo radiocarbono ( 14 C) são sem dúvida as mais conhecidas do grande público através da sua utilização em arqueologia e por serem aplicáveis aos materiais que contêm carbono (ossos, conchas, espeleotemas, matéria orgânica, etc ). No entanto, este método tem vários problemas na sua aplicação devido ao facto das idades radiocarbono terem que ser corrigidas e calibradas, e do seu limite temporal de aplicação ser relativamente jovem (últimos 50 ka). Efectivamente, a quantidade de 14 C na atmosfera é variável ao longo do tempo visto se tratar de um radioisótopo cosmogénico (produzido na atmosfera). As datações feitas a partir dos radioisótopos das séries de urânio têm uma grande aplicabilidade devido tanto à característica ubiquista destes isótopos (água, sedimentos, rochas, conchas, 9

6 espeleotemas, etc..) como ao grande leque de escalas temporais que estes enquadram (0,05 a 1500 ka). Os isótopos cosmogénicos estáveis produzidos na atmosfera ou nas rochas permitem calcular taxas de acumulação de sedimento ou tempos de exposição de superfícies, respectivamente. Estes cálculos são posteriormente convertidos para cronologias. Os métodos de datação por luminescência, i.e. termoluminescência (TL) e luminescência por estimulação óptica (OSL), requerem a utilização de registos que contêm grãos de quartzo ou de feldspato e o pressuposto que o registo foi exposto a condições particulares de luz ou de calor. O método de datação por racemização dos aminoácidos só pode ser utilizado sobre matéria orgânica e é altamente dependente da temperatura ambiente, razão pela qual não muito utilizado nas reconstituições paleoclimáticas, a não ser em meios muito bem conhecidos. A cronologia isotópica do oxigénio-18 é uma cronologia muito utilizada para estudos do Quaternário porque permite fazer correlações entre o registo marinho (cronologia isotópica marinha) e o registo atmosférico (cronologia isotópica do gelo), mas também porque as analises isotópicas necessárias têm um custo muito reduzido. Por fim, também se utiliza as variações orbitais para correlacionar os registos paleoclimáticos e obter assim uma estimativa da cronologia dos registos. No entanto, todos os métodos de datação têm prós e contras e é necessário sempre que possível utilizar dois métodos de datação independentes para construir uma cronologia robusta. Como se pode verificar, o estudo do clima do passado tem um grande número de incertezas e de aproximações, mas a combinação de vários arquivos, ferramentas e cronologias permite hoje em dia apresentar uma boa representação do clima do passado tanto a nível regional como a nível global. 10