EVOLUÇÃO HIDROLÓGICA DO BRASIL DURANTE O PLEISTOCENO SUPERIOR E HOLOCENO

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1 ISBN Paleontologia: Cenários de Vida Paleoclimas EVOLUÇÃO HIDROLÓGICA DO BRASIL DURANTE O PLEISTOCENO SUPERIOR E HOLOCENO HYDROLOGIC EVOLUTION OF BRAZIL DURING THE LATE PLEISTOCENE AND HOLOCENE Nicolás Misailidis Stríkis & Valdir Felipe Novello Universidade de São Paulo, Instituto de Geociências, Departamento de Geologia Sedimentar e Ambiental, Laboratório de Sistemas Cársticos, Rua do Lago, 562 Cidade Universitária, São Paulo, SP, Brasil s: strikis@gmail.com, vfnovello@gmail.com RESUMO 18 Registros paleoclimáticos de alta resolução baseados em séries isotópicas de O de espeleotemas no Brasil revelam que o ciclo hidrológico do trópico da America do Sul é extremamente dinâmico. Variações da convergência de umidade do Atlântico para o interior da bacia Amazônica, relacionadas a variações da posição latitudinal média da Zona de Convergência Intertropical, alteram de forma significativa a quantidade e a distribuição de chuva sobre o território brasileiro. Tais eventos climáticos ocorrem de maneira cíclica, com amplitude variada e em diferentes escalas de tempo, indo de algumas décadas a dezenas de milhares de anos e são desencadeados, basicamente, por mudanças climáticas nas zonas de altas latitudes do Hemisfério Norte e por variações da insolação de verão geradas pelos ciclos de Milankovitch. Palavras Chaves: Paleoclima, monção, espeleotema, clima, eventos abruptos ABSTRACT High resolution paleoclimate records based on isotope 18 O series of speleothems from Brazil show that tropical South America hydrological cycle is dynamic. Variations in moisture convergence into the Amazon basin related to changes in the mean latitudinal positions of the ITCZ may alter the amount and distribution of rainfall over the main Brazilian biomes. Such climate variations occur periodically in different time scales, ranging from decades to tens of thousands of years and they are, basically, triggered by climate changes in high latitude areas of North Hemisphere and variations of summer insolation according to Milankovitch cycles. Keywords: Paleoclimate, monsoon, speleothem, climate, abrupt events 1. INTRODUÇÃO Com o início do ciclo de glaciações do Quaternário, a aproximadamente 2.75 Ma, os períodos glaciais e interglaciais passaram a ocorrer de maneira periódica de acordo com variações de insolação geradas pelos ciclos orbitais de Milankovitch. Superimpostos aos ciclos glaciais ocorrem eventos climáticos abruptos de escala milenar que podem ser considerados como uma das feições climáticas mais marcante da última glaciação, como os eventos Heinrich e Dansgaard-Oeschger, capazes de

2 336 Paleontologia: Cenários de Vida Paleoclimas promoverem alterações substanciais de temperatura nas zonas de altas e médias latitudes do Hemisfério Norte. O impacto desses eventos nos biomas das regiões de altas e médias latitudes do Hemisfério Norte é relativamente bem compreendido, em contraste com o trópico do Hemisfério Sul, onde só agora é que começamos a compreender como esses eventos podem afetar o clima, a vegetação e, consequentemente, os biomas. Se por um lado os eventos glaciais do Quaternário não promoveram o desenvolvimento de extensas calotas de gelo sobre a America do Sul na extensão como se observa no Hemisfério Norte, as flutuações climáticas suscitaram importantes alterações do regime hidrológico dos trópicos. O emprego de espeleotemas (Figura 1) para a reconstituição de longas séries de paleoprecipitação na América do Sul trouxe constatações importantes a cerca do comportamento do Sistema de Monção Sul-americana (SMSA) perante os eventos climáticos globais. Também tem sido decisivo para a compreensão de quais são as principais forçantes climáticas que controlam o regime hidrológico dos trópicos da America do Sul em diferentes escalas de tempo, indo desde algumas dezenas de anos a dezenas de milhares de anos, esta última frequentemente referida como escala orbital. Nesse capítulo iremos explorar o comportamento do SMSA durante os eventos climáticos do Pleistoceno Superior e Holoceno em diferentes escalas de tempo com base nos registros de paleoprecipitação obtidos através de perfis isotópicos em espeleotemas do Brasil. Figura 1. A foto da esquerda mostra exemplos de estalagmites da Gruta da Tapagem (Eldorado, SP). A imagem da direita mostra uma estalagmite cortada ao longo do seu eixo de crescimento de onde são obtidos na vertical os perfis isotópicos que formam o registro paleoclimático. Os cortes horizontais marcam os intervalos datados. 2. VARIAÇÕES CLIMÁTICAS DE ESCALA ORBITAL Durante o Pleistoceno Tardio, ao longo das últimas glaciações do Quaternário, o regime hidrológico dos trópicos da América do Sul foi fortemente controlado por variações da insolação de verão moduladas pelos ciclos orbitais de Milankovitch. Os ciclos de Milankovitch compreendem três ciclos orbitais: precessão (periodicidade de 23 mil anos), obliquidade (periodicidade de 41 mil anos) e excentricidade (periodicidade média de 100 mil anos). Nos trópicos, o ciclo de precessão, modulado pelo ciclo de excentricidade, exerce maior influência no regime hidrológico através de mudanças no sistema de monções. Dentre os diversos registros paleoclimáticos relacionados a variações do regime

3 Nicolás Misailidis Stríkis & Valdir Felipe Novello 337 hídrico, as séries isotópicas de 18 O em espeleotemas estão entre os registros com resultados mais robustos acerca da influência do ciclo de insolação no regime global de monções. Ao modular a insolação de verão o ciclo de precessão altera a posição latitudinal da Zona de Convergência Intertropical (ZCIT). Assim, conforme o Hemisfério Sul experimenta aumento da insolação de verão e consequente fortalecimento das monções Sul-americanas, o Hemisfério Norte apresenta diminuição das monções em detrimento da redução da insolação durante o verão boreal. Essa relação pode ser observada na comparação entre os registros isotópicos de espeleotemas dos dois hemisférios. Como é possível observar na Figura 2, ao longo dos últimos glaciais, as variações do SMSA e sistema de monção asiática variaram em antifase, de acordo com a curva de insolação. Além de seguirem a frequência estabelecida pelo ciclo de precessão as monções também acompanharam as variações de amplitude imposta pelo ciclo de excentricidade, promovendo assim, um ciclo de aumento de chuva diretamente proporcional ao aumento da insolação de verão do seu respectivo hemisfério. Figura 2. Registros de paleoprecipitação monçônica dos trópicos da América do Sul e China ao longo dos dois últimos eventos glaciais. (a) o registro de δ 18 O de foraminíferos bentônicos marcam os eventos glaciais do Hemisfério Norte (Lisiecki & Raymo, 2005); (b) curva de insolação média do mês de junho para a latitude 60 N; (c) compilação dos dados isotópicos de espeleotemas da China: cavernas Dongge, Hulu e Sanbao (Cheng et al., 2012); (d) curva de insolação média do mês de janeiro para a latitude 30 S (Cruz et al., 2006); (e) Registro isotópico de espeleotema das cavernas Santana-SP (preto) e Botuverá -SC (cinza) (Cruz et al., 2006). As linhas tracejadas marcam os períodos dos dois últimos eventos glaciais. Variações antifásicas podem também ocorrer em um mesmo hemisfério, a exemplo do que ocorre entre o nordeste do Brasil e o restante da área continental influenciada pelo SMSA (Cruz et al., 2009). Na escala de tempo dos ciclos orbitais o aumento de convergência de umidade para o interior da bacia amazônica fortalece um padrão de circulação zonal (célula de Walker) que liga, em altos níveis, uma zona de alta pressão na Bolívia a uma zona de baixa pressão no Nordeste, padrão atmosférico este conhecido como Alta da Bolívia Baixa do Nordeste (Lenters & Cook, 1996).

4 338 Paleontologia: Cenários de Vida Paleoclimas Ao mesmo tempo em que há o fortalecimento da circulação zonal entre a Alta da Bolívia e a Baixa do Nordeste, o aumento da convergência de umidade para a bacia amazônica intensifica a atividade da Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS), responsável pelo transporte dessa umidade para o sudeste. A ZCAS é a feição mais importante do SMSA levando chuva para todo o centro oeste, sudeste e parte das regiões sul e nordeste do Brasil. Uma vez que o aumento de convergência de umidade para a bacia Amazônica pode levar ao fortalecimento da Baixa do Nordeste, no transcorrer dos eventos glaciais a variação da insolação decorrente do ciclo de precessão pode gerar respostas antifásicas entre os biomas situados ao longo de todo o nordeste setentrional e parte do nordeste meridional com os biomas das demais regiões supracitadas. Esse padrão antifásico é particularmente evidente na comparação entre as séries isotópicas do Rio Grande do Norte e Bahia com as séries isotópicas do sul e sudeste (Figura 3). Figura 3. Impacto dos eventos abruptos frios registrados nas zonas de altas latitudes na precipitação monçônica da América do Sul: (a) registro de temperatura atmosférica com base em δ 18 O do testemunho de gelo da Groenlândia NGRIP (North Greenland Ice Core Project members, 2004); (b) Picos de frio extremo com base em níveis de sedimentos siliciclásticos liberados pelo derretimento de icebergs em meio a sedimentos marinhos do Atlântico norte (Bond et al., 1992); (c) registros de monções asiáticas com base em δ 18 O de espeleotemas da China (Cheng et al., 2012); (d) variações do nível de paleolagos do Salar de Uyuni, Bolívia com base no espectro de radiação gama de testemunho lacustre (Baker et al., 2001); (e; g; i) Variação das chuvas de monções com base nas séries de δ 18 O de espeleotemas do Rio Grande do Norte (Cruz et al., 2009), Bahia (Barreto, 2010) e Santa Catarina (Cruz et al, 2006), respectivamente; (f; h; j) Curva de insolação. As siglas YD, H1, H2 e B-A delimitam os eventos Young Dryas, Heinrich 1 e 2 e Bølling-Allerød respectivamente.

5 Nicolás Misailidis Stríkis & Valdir Felipe Novello VARIAÇÕES CLIMÁTICAS DE ESCALA MILENAR Os eventos milenares do último glacial são caracterizados por episódios de frio extremo identificados, sobretudo, em sedimentos marinhos do Atlântico Norte, conhecidos como eventos Heinrich, seguido por bruscas elevações de temperatura, conhecidos como eventos Dansgaard- Oeschger (duração variável de algumas centenas a ~2 mil anos). Esses eventos foram primeiramente documentados em registros de sedimentos marinhos do Atlântico norte e em série isotópicas de 18 O em testemunhos de gelo da Groenlândia, respectivamente. Na América do Sul, e especialmente no Brasil, diversos registros paleoclimáticos de alta resolução baseados em diferentes índices biogeoquímicos e isotópicos mostram claro aumento de precipitação monçônica durante os eventos Heinrich. Em contrapartida são registradas expressivas reduções de chuvas durante os eventos Dansgaard-Oeschger. Ao passo que os eventos Heinrich geram um aumento pervasivo de precipitação nos trópicos da América do Sul, o Hemisfério Norte registra fortes reduções da precipitação, estabelecendo assim um comportamento antifásico com o Hemisfério Sul a exemplo do que ocorre no ciclo de precessão (Cheng et al., 2012) (Figura 3). Essa relação entre o regime hídrico do Brasil, como um todo, e a temperatura do Hemisfério Norte é bem evidente durante o deglacial, entre ~20 e 10 mil anos A.P., período que marca a passagem de condições francamente glaciais para condições de interglacial com o início do Holoceno. Nesse período, as variações de precipitação nos altiplanos andinos (Baker et al., 2001), assim como nas regiões nordeste, centro-leste (norte de Minas Gerais) sul e sudeste do Brasil apresentam um excelente acoplamento com as variação de temperatura do Hemisfério Norte durante os eventos climáticos frios de escala milenar, a exemplo do eventos Younger Dryas (evento de frio extremo equivalente ao que seria o Heinrich 0) e Bølling-Allerød (período abrupto quente, equivalente ao Dansgaard-Oescheger 1) (Figura 3). 4. VARIAÇÕES CLIMÁTICAS DECENAIS A CENTENIAIS DO HOLOCENO Se compararmos a paleoclimatologia do Holoceno com as oscilações climáticas que ocorreram ao longo das glaciações e deglaciações constata-se que este é um período de calmaria climática. Apesar da expressiva redução na amplitude das variações climáticas, o Holoceno ainda registra importantes eventos climáticos e biológicos, como a extinção da megafauna, a dispersão do homem ao longo de todo planeta e a desertificação de várias regiões. Ao longo do Holoceno, vários eventos climáticos frios com duração de centenas de anos, conhecidos como eventos Bond, foram registrados em sedimentos marinhos do Atlântico Norte. A exemplo dos eventos Heinrich, os eventos Bond foram identificados a partir da ocorrência de estratos sedimentares contendo material desprendido pelo derretimento de geleiras e são atribuídos a fases de expansão para sul da zona de ocorrência de icebergs durante períodos de frio mais acentuado. No Brasil não há evidências de variação da temperatura durante esses eventos, entretanto, as baixas temperaturas no Hemisfério Norte refletem na atmosfera da América do Sul de forma a deslocar a ZCIT para sul, fazendo com que haja um aumento na intencidade da monção durante esses períodos. Esse aumento do SMSA foi primeiramente observado em registros isotópicos de 18 O de estalagmites no Norte de Minas Gerais (Stríkis et al., 2011) como pode ser visto na Figura 4. Dos cinco eventos Bond ocorridos

6 340 Paleontologia: Cenários de Vida Paleoclimas durante o Holoceno, quatro deles centrados em 2.700, 4.400, 5.500, e anos A.P, além de um evento global ocorrido por volta de anos A.P., tiveram uma resposta úmida na região centroleste do Brasil. Dentre esses, destacam-se o evento Bond 4, pela sua magnitude, e o evento ocorrido por volta de anos A.P. que foi detectado de forma acentuadamente mais úmida em estalagmite da parte central da Bahia (Novello et al., 2012), região situada na borda de atuação do SMSA. Figura 4. Comparação entre a reconstituição de paleoprecipitação do norte de Minas Gerais com os eventos Bond: (a) curva de variação de HSG da sigla em inglês para hematite stained grain referente à porcentagem de fragmentos de quartzo manteado por hematita desprendido pelo derretimento de icebergs (Bond et al., 1997); (b) séries de δ 18 O de espeleotemas do Norte de Minas Gerais. As barras cinza delimitam os eventos Bond. A distribuição das idades e os erros são representados pelas barras laterais pretas. Nos últimos milênios o homem pode presenciar, e muitas vezes registrar, estresses climáticos significativos, como o que ocorreu na Europa com o aumento anômalo de temperatura durante a Anomalia Climática Medieval (ACM), ocorrida aproximadamente entre 900 e D.C., e a diminuição da temperatura durante a Pequena Idade Gelo (PIG), ocorrida entre aproximadamente e D.C. Embora de amplitude reduzida em comparação com os eventos do último glacial esses eventos produziram grandes impactos nas civilizações humanas como mostram os registros históricos. No início do século XVII durante a PIG os problemas econômicos decorrentes de grandes secas levaram a queda da dinastia Ming na China e a morte de milhares de pessoas no Japão e Coreia de problemas decorrentes de longos períodos de estiagem. Na Europa os efeitos do frio durante a PIG tiveram diversas consequências em todo continente, a exemplo do congelamento de canais de rios na Grã-Bretanha e diversos lagos na Holanda, consequentemente com sérios prejuízos para agricultura. Estudos abrangendo os últimos 3 mil anos com base em registros paleoclimáticos de resolução mais detalhada tem mostrado que o SMSA apresenta sua dinâmica associada a padrões de oscilação

7 Nicolás Misailidis Stríkis & Valdir Felipe Novello 341 decenais a multidecenais da temperatura do mar do Pacífico (Vuille et al., 2012) e Atlântico (Novello et al., 2012). A Figura 5 apresenta registros paleoclimáticos relacionados a variações da intensidade do SMSA ao longo dos últimos anos para duas regiões distintas do Brasil: São Paulo (Vuille et al., 2012) e Bahia (Novello et al., 2012), em comparação com a reconstituição das variações do nível de água de lagos nos Andes peruanos (Bird et al., 2011). Durante a ACM os três registros mostram uma mudança negativa nos teores de umidade o que indica um enfraquecimento da monção durante esse período em boa parte da América do Sul. Durante a PIG os registros isotópicos de São Paulo e Peru mostraram um salto para valores condicionados a maior umidade, isso é corroborado por diversos registros paleoambientais e climáticos disponíveis na literatura para a América do Sul. Entretanto, em oposição, a PIG é caracterizada como um período árido no Nordeste brasileiro, como é possível observar nos registros isotópicos da Bahia, situada na borda leste da área de atuação do SMSA. Figura 5. Registros isotópicos de δ 18 O (suavizados), indicadores de variação de pluviosidade de três regiões distintas sob influência de chuvas do SMSA: (a) parte central da Bahia, (b) sul do estado de São Paulo e (c) Andes peruanos. A área destacada compreende os dois principais períodos de anomalias climáticas globais dos últimos dois mil anos: a Anomalia Climática Medieval (ACM) e a Pequena era do Gelo (PIG). Após a revolução industrial, devido principalmente às emissões de gases de efeito estufa e aumento das emissões de aerossóis na atmosfera, o homem passa a influenciar a dinâmica climática global. No começo do século XX notou-se uma tendência crescente nos valores isotópicos das três regiões supracitadas, indicando o estabelecimento de um período progressivamente mais seco e consequente enfraquecimento do SMSA. Essa tendência de diminuição das chuvas é interrompida no Nordeste por um curto evento úmido durante a década de 70, uma década marcada por anomalias climáticas no Brasil, sendo os dias atuais um dos momentos mais secos relatados ao longo dos registros isotópicos nos últimos 3 mil anos na América do Sul.

8 342 Paleontologia: Cenários de Vida Paleoclimas 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS A ZCAS é a feição climática mais importante do Sistema de Monções Sul Americano, conectando o ciclo hidrológico da bacia amazônica com toda a região centro-oeste, sudeste e partes do nordeste e sul do Brasil. Variações de insolação em escala orbital e da temperatura das zonas de altas latitudes do Atlântico Norte em escala milenar afetam diretamente a convergência de umidade para o interior da Bacia Amazônica com impactos diretos no regime hidrológico de quase todo o continente Sul-americano e, por conseguinte, de biomas como o Cerrado, Mata Atlântica e Caatinga. Ao passo que eventos frios de escala milenar como Young Dryas e Heinrich mostram aumento pervasivo de chuvas em todo o território brasileiro, variações de insolação geradas pelo ciclo de precessão promoveram respostas antifásicas entre as regiões abrangendo o sul, sudeste e parte do centro-oeste do Brasil com a região nordeste, gerando uma espécie de efeito gangorra entre o regime de chuvas dessas regiões. O comportamento dinâmico do SMSA frente a esses eventos climáticos de escala global, como mostrado pelos registros de espeleotemas, lança novas perguntas acerca do impacto desses eventos nos biomas do Brasil. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BAKER, P.A.; RIGSBY, C.A; SELTZER, G.O.; FRITZ, S.C.; LOWENSTEINK, T.K.; BACHER, N.P. & VELIZ, C Tropical climate changes at millennial and orbital timescales on the Bolivian Altiplano. Nature, 409: BARRETO, E.A.S. Reconstituição da pluviosidade da Chapada Diamantina (BA) durante o Quaternário Tardio através de registros isotópicos (O e C) em estalagmites. Dissertação (mestrado) Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, BIRD, B.W.; ABBOTT, M.B.; VUILLE, M.; RODBELL, D.T; STANSELL, N.D. & ROSENMEIER, M.F A 2,300-year-long annually resolved record of the South American summer monsoon form the Peruvian Andes. PNAS, 108: BOND, G.; HEINRICH, H.; BROECKER, W.; LABEYRIE, L.; MCMANUS, J.; ANDREWS, J.; HUON, S.; JANTSCHIK, R.; CLASEN, S.; SIMET, C.; TADESCO, K.; KLAS, M.; BONANI, G. & IVY, S Evidence for massive discharge into the North Atlantic ocean during the last glacial period. Science, 360: BOND, G.; SHOWERS, W.; CHESEBY, M.; LOTTI, R.; ALMASI, P.; DEMENOCAL, P.; PRIORE, P.; CULLEN, H.; HAJDAS, I. & BONANI, G A Pervasive Millennial-Scale Cycle in North Atlantic Holocene and Glacial Climates. Science, 278: CHENG, H.; SINHA, A.; WANG, X.; CRUZ, F.W. & EDWARDS, R.L The Global Paleomonsoon as seen through speleothem records from Asia and the Americas. Clymate Dynamics, 39(5): CRUZ, F.W.; BURNS, S. J; KARMANN, I.; SHARP, W.D. & VUILLE, M Reconstruction of regional atmosphere circulation features during the late Pleistocene in subtropical Brazil from oxygen isotope composition of speleothems, Earth and Planetary Sciences Letters, 248:

9 Nicolás Misailidis Stríkis & Valdir Felipe Novello 343 CRUZ, F.W.; VUILLE, M.; BURNS, S.J.; WANG, X.; CHENG, H.; WERNER, M.; EDWARDS, R.L.; KARMANN, I.; AULER, A.S. & NGUYEN, H Orbitally driven east-west antiphasing of South American precipitation, Nature Geosciences, 2: 1-5. LENTERS, J. D. & COOK, K. H On the Origin of the Bolivian High and Related Circulation Features of the South American Climate. Journal of the Atmospheric Sciences, 54: LISIECKI, L.E. & RAYMO, M.E A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic 18 O records. Paleoceanography, 2:PA1003. NOVELLO, V.F.; CRUZ, F.W.; KARMANN, I.; BURNS, S.J; STRÍKIS, N.M.; VUILLE, M.; CHENG, H.; EDWARDS, R.L.; SANTOS, R.V.; FRIGO, E. & BARRETO, E.A.S Multidecadal climate variability in Brazil s Nordeste during the last 3000 years based on speleothem isotope records. Geo. Res. Lett., 39: L NGRIP members High resolution Climate Record of the Northern Hemisphere reaching into the last Glacial Interglacial Period. Nature, 431: STRÍKIS, N.M.; CRUZ, F.W; CHENG, H.; KARMANN, I.; EDWARDS, R.L.; VUILLE, M.; WANG, X.; PAULA, M.S.; NOVELLO, V.F. & AULER, A.S Abrupt variations in South American monsoon rainfall during the Holocene based on a speleothem record from central-eastern Brazil. Geology, 39: VERA, C.; HIGGINS, W.; AMADOR, J.; AMBRIZZI, T.; GARREAUD, R.; GOCHIS, D.; GUTZLER, D.; LETTENMAIER, D.; MARENGO, J.; MECHOSO, C.R.; NOGUESPAEGLE, J.; SILVA DIAS, P.L. & ZHANG, C Toward a unified view of the American Monsoon Systems. American Meteorological Society, 19: VUILLE, M.; BURNS, S.J.; TAYLOR, B.L.; CRUZ, F.W.; BIRD, B.W.; ABBOTT, M.B.; KANNER, L.C.; CHENG, H. & NOVELLO, V.F A review of the South American Monsoon history as recorded in stable isotopic proxies over the past two millennia. Climate of the Past, 8: