Een nieuwe studie gepubliceerd in Geofysische onderzoeksbrieven laat zien dat de zogenaamde Kleine IJstijd - een periode die zich uitstrekt van 1500 tot 1850, waarbij de gemiddelde temperaturen op het noordelijk halfrond aanzienlijk lager waren dan de huidige effecten op het klimaat van Zuid-Amerika.

Op basis van een analyse van speleothems (grotformaties) in de Braziliaanse staten Mato Grosso do Sul en Goiás, uit de studie bleek dat in de 17e en 18e eeuw, het klimaat in het zuidwesten van Brazilië was natter dan nu, bijvoorbeeld, terwijl die van de noordoostelijke regio van het land droger was.

Uit dezelfde Braziliaanse grotgegevens bleek dat het klimaat in Brazilië tussen 900 en 1100 droger was tijdens een periode die bekend staat als de middeleeuwse klimaatafwijking (MCA), toen het klimaat op het noordelijk halfrond warmer was dan nu.

De auteurs van de studie zijn natuurkundige Valdir Felipe Novello en geoloog Francisco William Cruz, onderzoekers van het Geoscience Institute van de Universiteit van São Paulo (IGC-USP), in samenwerking met collega's in Brazilië, de Verenigde Staten en China. De studie detecteerde droge en natte perioden in het Braziliaanse paleoklimaat door de zuurstofisotopen in calciumcarbonaatmoleculen in speleothemen te analyseren. "In de groep van professor Cruz, we reisden door Brazilië om monsters van grotrotsen te verzamelen. De samenstelling van zuurstofisotopen in het calciumcarbonaat dat gedurende eeuwen en millennia is afgezet om speleothemen [stalagmieten en stalactieten] te vormen, laat zien of het klimaat in het verleden droger of natter was, ' zei Novello.

Isotopen in het droge en natte seizoen

Isotopen zijn varianten van een chemisch element. Terwijl alle isotopen van elk element hetzelfde aantal protonen in elk atoom hebben, verschillende isotopen hebben verschillende aantallen neutronen. Bijvoorbeeld, zuurstof 16 ( ¹⁶ O) heeft acht protonen en acht neutronen, terwijl zuurstof 18 ( ¹⁸ O) heeft acht protonen en tien neutronen.

"In de natuur, er is ongeveer één zuurstofatoom 18 voor elke 1, 000 zuurstofatomen 16, " legde Novello uit. ¹⁸ O is zwaarder dan ¹⁶ O, dus als het begint te regenen, watermoleculen met ¹⁸ O eerst neerslaan.

Als resultaat, het bedrag van ¹⁶ O in de regenwolk stijgt ten opzichte van de hoeveelheid ¹⁸ O, die noodzakelijkerwijs afneemt sinds het grootste deel van het origineel ¹⁸ O slaat neer als regen. "Als het hard regent, het isotoopprofiel van de regen verandert, ' zei Novello.

Om te bepalen hoe veranderingen in eerdere regenvalregimes kunnen worden gemeten, Novello en Cruz analyseerden gegevens van de ¹⁶ O/ ¹⁸ O-verhouding bewaard in speleothem calciumcarbonaat.

Grotten ontstaan ​​tijdens lange regenachtige perioden in karstgebieden, een soort landschap bestaande uit carbonaatgesteenten zoals kalksteen. Regenwater komt in contact met koolstofgas (CO2) opgelost in lucht en bodem. Het resultaat van deze chemische reactie is licht zuur water, die de grond binnendringt tot het ondergrondse kalkhoudende gesteente bereikt.

Kalkhoudend gesteente is onoplosbaar in water met een neutrale pH, maar lost op in aanwezigheid van zuur water (dat een matig lage pH heeft), wat leidt tot de vorming van de natuurlijke ondergrondse holtes die we grotten noemen.

De onderzoekers legden uit dat speleothemen ontstaan ​​​​wanneer met calciumcarbonaat beladen regenwater dat de grond is binnengedrongen, het dak van de grot bereikt. Langzame continue druppelen gedurende duizenden jaren precipiteert het calciumcarbonaat opgelost in elke druppel in de vorm van speleothemen, als stalactieten die aan het dak van de grot hangen en als stalagmieten die uit de vloer oprijzen.

Al het calciumcarbonaat dat van het dak neerslaat, wordt op de vloer afgezet in lagen die zich ophopen tot stalagmieten. Speleothems behouden de isotoopsignatuur van de zuurstof in de regen die viel op het moment dat elke laag calciumcarbonaat werd afgezet.

"Dus, in een regio met hevige regenval, bijvoorbeeld, je hebt de neiging om speleothemen te vinden met reeksen lagen die minder bevatten ¹⁸ O. Omgekeerd, in streken met een droog klimaat, de kleine hoeveelheid regen bevat meer ¹⁸ O. Wanneer dit water de grond binnendringt en calciumcarbonaat oplost, het levert uiteindelijk speleothemen op met een relatief hoog niveau van ¹⁸ O."

Rotsdatering en isotopenanalyse

Novello verzamelde rotsmonsters van twee stalagmieten in de Jaraguá-grot, in de buurt van Bonito, Mato Grosso do Sul, en van stalagmieten in de São Bernardo-grot en de São Mateus-grot, gelegen in Terra Ronca State Park, Goias.

Twee monsters van twee verschillende stalagmieten werden verzameld in de Jaraguá-grot. Een van hen groeide ononderbroken gedurende 800 jaar volgens uranium-thorium-datering, tussen 1190 en 2000, een periode die de LIA omvatte. Het andere monster groeide continu in 442-1451, een periode die de MCA omvatte.

In Goias, Novello verzamelde een rotsmonster uit de São Bernardo-grot die de periode 1123-2010 besloeg, waaronder de LIA. De grot van São Mateus leverde een monster op dat dateert uit de periode 264-1201, waaronder de MCA.

Het onderzoek toonde aan dat de ¹⁸ O profiel van de monsters uit de Jaraguá-grot vertoonden dalende zuurstofniveaus in de periode 400-1400, wat wijst op een matig nat klimaat in centraal Brazilië gedurende de periode (waaronder de MCA op het noordelijk halfrond).

Niveaus van ¹⁸ O in de monsters van de Jaraguá-grot viel tussen 1400 en 1770, als gevolg van een stijging van het vochtgehalte tijdens de periode (waaronder de LIA op het noordelijk halfrond), maar steeg tussen 1770 en 1950, in lijn met dalend vocht.

Een vergelijkbare analyse van de monsters van de São Bernardo-grot en de São Mateus-grot in Goiás liet geen duidelijke trend zien, maar er waren een aantal lange natte periodes, voornamelijk 680-780 en 1290-1350, met pieken in 1050, 1175 en 1490.

Anderzijds, de natte periode gedocumenteerd door het record van de Jaraguá-grot tijdens de LIA in 1500-1850 komt overeen met de natte omstandigheden die worden bevorderd door de passage van de Zuid-Atlantische convergentiezone (SACZ), een groot wolkensysteem met een noordwest-zuidoostoriëntatie dat zich in de zomer uitstrekt van het zuidelijke Amazonegebied tot het centrale zuidelijke deel van de Atlantische Oceaan.

"De SACZ is de wolkenmassa die verantwoordelijk is voor de lange regenperioden die voorkomen in de zuidoostelijke regio van Brazilië. De isotopen vertellen het volledige verhaal van deze natte massa en zijn beweging over het continent, ' zei Novello.

In een eerdere studie met behulp van isotopengegevens uit grotten in de noordoostelijke regio van Brazilië (in Iraquara, Bahia), Novello had afgeleid dat er tijdens de LIA in die regio een droger klimaat heerste, die buiten de SACZ valt.

"De gegevens van speleothems in Bonito, geassocieerd met bekende paleoklimaatgegevens uit Peru, laten zien dat tijdens de LIA, de SACZ kwam vaker tot stilstand verder naar het zuidwesten over een gebied dat zich uitstrekt van Peru tot São Paulo via Mato Grosso do Sul, "zei hij. "Aan de andere kant, de gegevens van de grotten in Goiás en Iraquara suggereren dat de SACZ Goiás niet heeft bereikt, Bahia en het noordoosten tijdens de LIA, maar bleef over het zuidoosten. Als resultaat, het noordoosten werd droger."

Hoewel de gegevens van de twee grotten in Goiás (en drie andere grotten) geen significante verandering lieten zien in het gemiddelde aandeel van ¹⁸ O tijdens de perioden die de MCA en LIA omvatten, ze wezen wel op een sterke variabiliteit op een tijdschaal van meerdere decennia tot honderdjarig tijdens de overgangsperiode van de MCA naar de LIA (1100-1500).

Convergentiezones

"Er is samenhang tussen klimaatveranderingen in Zuid-Amerika en de klimaatgegevens voor het noordelijk halfrond, " zei Cruz, hoofdonderzoeker van het door FAPESP gefinancierde project. "Het klimaat op aarde is volledig met elkaar verbonden. Als er afwijkingen zijn in regio's op hoge breedtegraden, dit zal worden weerspiegeld in de tropen."

"Als we kijken naar de paleoklimaatgegevens voor de periode die overeenkomt met de LIA, we zien meer kou in Zuid-Amerika, maar de regenpatronen veranderden, " zei Novello. Uit deze informatie, kan worden geconcludeerd dat als het klimaat op het noordelijk halfrond kouder wordt, het regent meer op het zuidelijk halfrond. De vochtconvergentie gaat naar het zuiden. Omgekeerd, als het klimaat op het noordelijk halfrond warmer wordt, het regent minder op het zuidelijk halfrond.

"In de equatoriale gebieden, er is een wolkengordel die de Inter Tropical Convergence Zone wordt genoemd. De locatie komt overeen met het gebied waar het oceaanoppervlak warmer is. Dit warmere gebied creëert een lagedrukgebied waar al het vocht naartoe komt, en dus valt er meer regen."

Tijdens de LIA toen het verschil tussen het koelere klimaat op het noordelijk halfrond en het warmere klimaat op het zuidelijk halfrond groter was, de winden die samenkwamen van het noordelijk halfrond naar de Inter Tropical Convergence Zone (ITCZ) droegen meer vocht dan ze nu doen. Deze grotere vochtigheid droeg bij aan een toename van het wolkenvolume in de ITCZ, die oost-west over de evenaar voortschreed van de Atlantische Oceaan naar de Amazone, waar het hevig begon te regenen. Dit was toen alle ¹⁸ O in de wolken neergeslagen.

"De afkoeling van de Noord-Atlantische Oceaan tijdens de LIA versterkte de noordoostelijke passaatwinden, die het transport van vocht naar de Amazone bevorderden. Dit is het tegenovergestelde van wat er gebeurt in jaren waarin de noordoostelijke passaatwinden minder intens zijn:het zijn doorgaans drogere jaren, ' zei Cruz.

Zodra de wolkenmassa's in de ITCZ ​​de Amazone bereiken, ze dragen bij aan vocht dat rijker is aan ¹⁶ O naar de SACZ. De extra hoeveelheid van deze isotoop wordt geregistreerd door speleothemen.

Tijdens de MCA, het warmere klimaat van het noordelijk halfrond vormde een lagedrukgebied waar natte winden vanuit de zuidelijke Atlantische Oceaan naar toe stroomden. "De ITCZ ​​trok verder naar het noorden. Heel Zuid-Amerika werd droger, ' zei Cruz.