Forskning viser, hvordan den lille istid påvirkede det sydamerikanske klima

En ny undersøgelse offentliggjort i Geofysiske forskningsbreve viser, at den såkaldte lille istid - en periode, der strækker sig fra 1500 til 1850, hvor gennemsnitstemperaturerne på den nordlige halvkugle var betydeligt lavere end de nuværende - havde en effekt på klimaet i Sydamerika.

Baseret på en analyse af speleothems (huleformationer) i de brasilianske stater Mato Grosso do Sul og Goiás, undersøgelsen viste, at i det 17. og 18. århundrede, klimaet i det sydvestlige Brasilien var vådere, end det er nu, for eksempel, mens den i landets nordøstlige region var mere tør.

De samme brasilianske huleoptegnelser viste, at klimaet var tørrere i Brasilien mellem 900 og 1100 i en periode kendt som Medieval Climate Anomaly (MCA), da klimaet på den nordlige halvkugle var varmere, end det er nu.

Studiets forfattere er fysiker Valdir Felipe Novello og geolog Francisco William Cruz, forskere ved University of São Paulo's Geoscience Institute (IGC-USP), i samarbejde med kolleger i Brasilien, USA og Kina. Undersøgelsen påviste tørre og våde perioder i det brasilianske palæoklima ved at analysere iltisotoperne i calciumcarbonatmolekyler fundet i speleothems. "I professor Cruz' gruppe, vi rejste gennem Brasilien og indsamlede prøver af huleklipper. Sammensætningen af ​​iltisotoper i calciumcarbonatet aflejret gennem århundreder og årtusinder for at danne speleothems [stalagmitter og stalaktitter] viser, om klimaet var tørrere eller vådere tidligere, " sagde Novelo.

Tør og våd sæsonisotoper

Isotoper er varianter af et kemisk grundstof. Mens alle isotoper af ethvert grundstof har det samme antal protoner i hvert atom, forskellige isotoper har forskelligt antal neutroner. For eksempel, oxygen 16 ( ¹⁶ O) har otte protoner og otte neutroner, mens oxygen 18 ( ¹⁸ O) har otte protoner og ti neutroner.

"I naturen, der er cirka et iltatom 18 for hver 1, 000 atomer ilt 16, "Forklarede Novello. ¹⁸ O er tungere end ¹⁶ Åh, så når det begynder at regne, vandmolekyler med ¹⁸ O bundfald først.

Som resultat, mængden af ¹⁶ O i regnen skyen stiger i forhold til mængden af ¹⁸ Åh, hvilket nødvendigvis falder siden det meste af originalen ¹⁸ O udfældning som regn. "Når det regner kraftigt, regnens isotopprofil ændres, " sagde Novello.

For at bestemme, hvordan ændringer i tidligere nedbørsregimer kan måles, Novello og Cruz analyserede optegnelser af ¹⁶ O/ ¹⁸ O-forhold bevaret i speleothem calciumcarbonat.

Huler dannes under lange regnfulde perioder i områder med karst, en type landskab, der omfatter karbonatiske klipper såsom kalksten. Regnvand kommer i kontakt med kulgas (CO2) opløst i luften og jorden. Resultatet af denne kemiske reaktion er let surt vand, som trænger ned i jorden, indtil den når underjordisk kalkholdig sten.

Kalksten er uopløselig i vand med neutral pH, men opløses i nærværelse af surt vand (som har en moderat lav pH), fører til dannelsen af ​​de naturlige underjordiske hulrum, vi kalder huler.

Forskerne forklarede, at speleothems dannes, når regnvand fyldt med calciumcarbonat, der er trængt ind i jorden, når hulens tag. Langsom kontinuerlig dryp over tusinder af år udfælder calciumcarbonatet opløst i hver dråbe i form af speleothems, som drypsten ophængt fra hulens tag og som stalagmitter, der rejser sig fra gulvet.

Eventuelt calciumcarbonat, der udfældes fra taget, aflejres på gulvet i lag, der opbygges og danner stalagmitter. Speleothems bevarer isotopsignaturen af ​​ilten i regnen, der faldt på det tidspunkt, hvor hvert lag af calciumcarbonat blev aflejret.

"Så, i en region med kraftig nedbør, for eksempel, du har en tendens til at finde speleothems med sekvenser af lag, der indeholder mindre ¹⁸ O. Omvendt, i områder med tørt klima, den lille mængde nedbør indeholder mere ¹⁸ O. Når dette vand trænger ind i jorden og opløser calciumcarbonat, det ender med at skabe speleothems med et relativt højt niveau af ¹⁸ O."

Rock dating og isotopanalyse

Novello indsamlede stenprøver fra to stalagmitter i Jaraguá-hulen, nær Bonito, Mato Grosso do Sul, og fra stalagmitter i São Bernardo-hulen og São Mateus-hulen, beliggende i Terra Ronca State Park, Goiás.

To prøver fra to forskellige stalagmitter blev indsamlet i Jaraguá-hulen. En af dem voksede uafbrudt i 800 år ifølge uran-thorium-datering, mellem 1190 og 2000, en periode, der omfattede LIA. Den anden prøve voksede kontinuerligt i 442-1451, en periode, der omfattede MCA.

I Goiás, Novello indsamlede en stenprøve fra São Bernardo-hulen, som dækkede perioden 1123-2010, som omfattede LIA. São Mateus Cave gav prøve dateret til perioden 264-1201, som omfattede MCA.

Undersøgelsen viste, at ¹⁸ O profilen af ​​prøverne fra Jaraguá Cave viste faldende niveauer af ilt i perioden 400-1400, hvilket tyder på et moderat vådt klima i det centrale Brasilien i perioden (som omfattede MCA på den nordlige halvkugle).

Niveauer af ¹⁸ O i prøverne fra Jaraguá-hulen faldt mellem 1400 og 1770, afspejler en stigning i fugt i perioden (som omfattede LIA på den nordlige halvkugle), men steg mellem 1770 og 1950, i takt med faldende fugt.

En lignende analyse af prøverne fra São Bernardo Cave og São Mateus Cave i Goiás viste ikke nogen klar tendens, men der var en række lange våde perioder, hovedsageligt 680-780 og 1290-1350, med spidser i 1050, 1175 og 1490.

På den anden side, den våde periode dokumenteret af optegnelsen fra Jaraguá-hulen under LIA i 1500-1850 er i overensstemmelse med de våde forhold, som er begunstiget af passage af den sydatlantiske konvergenszone (SACZ), et stort skysystem med en nordvest-sydøstlig orientering, der strækker sig fra det sydlige Amazonas til det centrale Sydatlanterhav om sommeren.

"SACZ er den skymasse, der er ansvarlig for de lange perioder med regn, der forekommer i Brasiliens sydøstlige region. Isotoperne fortæller hele historien om denne våde masse og dens bevægelse på tværs af kontinentet, " sagde Novello.

I en tidligere undersøgelse, der brugte isotopoptegnelser fra huler i Brasiliens nordøstlige region (ved Iraquara, Bahia), Novello havde udledt, at der herskede et mere tørt klima under LIA i den region, som ligger uden for SACZ.

"Dataene fra speleothems i Bonito, forbundet med kendte palæoklimadata fra Peru, vise, at under LIA, SACZ gik oftere i stå længere mod sydvest over et område, der strækker sig fra Peru til São Paulo via Mato Grosso do Sul, sagde han. På den anden side, dataene fra hulerne i Goiás og Iraquara tyder på, at SACZ ikke nåede Goiás, Bahia og det nordøstlige under LIA, men blev sat over Sydøsten. Som resultat, nordøst blev tørrere."

Selvom optegnelserne fra de to huler i Goiás (og tre andre huler) ikke viste nogen signifikant ændring i den gennemsnitlige andel af ¹⁸ O i de perioder, der omfattede MCA og LIA, de pegede på stærk variabilitet på en tidsskala fra flere årtier til hundrede år i overgangsperioden fra MCA til LIA (1100-1500).

Konvergenszoner

"Der er sammenhæng mellem klimaændringer i Sydamerika og klimadataene for den nordlige halvkugle, " sagde Cruz, hovedefterforsker for det FAPESP-finansierede projekt. "Jordens klima er fuldstændigt forbundet. Hvis der er uregelmæssigheder i områder med høj breddegrad, dette vil blive afspejlet i troperne."

"Når vi ser på palæoklimadataene for perioden svarende til LIA, vi ser mere kulde i Sydamerika, men nedbørsmønstrene ændrede sig, " sagde Novello. Ud fra disse oplysninger, det kan konkluderes, at hvis klimaet bliver koldere på den nordlige halvkugle, det regner mere på den sydlige halvkugle. Fugtkonvergensen ender med at bevæge sig sydpå. Omvendt når klimaet varmes op på den nordlige halvkugle, det regner mindre på den sydlige halvkugle.

"I de ækvatoriale områder, der er et bælte af skyer kaldet Inter Tropical Convergence Zone. Dens placering svarer til det område, hvor havoverfladen er varmere. Dette varmere område skaber en lavtrykszone, hvortil al fugten konvergerer, og så falder der mere regn."

Under LIA, når forskellen mellem det køligere klima på den nordlige halvkugle og det varmere klima på den sydlige halvkugle var større, vindene, der konvergerede fra den nordlige halvkugle til Inter Tropical Convergence Zone (ITCZ), bar mere fugt, end de gør nu. Denne større fugt bidrog til en stigning i mængden af ​​skyer i ITCZ, som rykkede øst-vest over ækvator fra Atlanterhavet til Amazonas, hvor det begyndte at regne voldsomt. Det var da alle ¹⁸ O indeholdt i skyerne udfældet.

"Afkølingen af ​​Nordatlanten under LIA intensiverede de nordøstlige passatvinde, som begunstigede transporten af ​​fugt til Amazonas. Dette er det modsatte af, hvad der sker i år, hvor den nordøstlige passatvind er mindre intens:de har tendens til at være tørrere år, " sagde Cruz.

Når skymasserne i ITCZ ​​når Amazonas, de bidrager med fugt, der er rigere på ¹⁶ O til SACZ. Den ekstra mængde af denne isotop registreres af speleothems.

Under MCA, den nordlige halvkugles varmere klima dannede en lavtrykszone, hvortil våde vinde konvergerede fra det sydlige Atlanterhav. "ITCZ bevægede sig længere mod nord. Hele Sydamerika blev tørrere, " sagde Cruz.