Un nuovo studio pubblicato su Lettere di ricerca geofisica mostra che la cosiddetta piccola era glaciale, un periodo che va dal 1500 al 1850, durante i quali le temperature medie nell'emisfero settentrionale erano considerevolmente inferiori a quelle attuali, esercitando effetti sul clima del Sud America.

Sulla base di un'analisi degli speleotemi (formazioni di grotte) negli stati brasiliani del Mato Grosso do Sul e Goiás, lo studio ha rivelato che nei secoli XVII e XVIII, il clima del Brasile sudoccidentale era più umido di adesso, Per esempio, mentre quella della regione nord-orientale del paese era più secca.

Gli stessi registri delle grotte brasiliane hanno mostrato che il clima era più secco in Brasile tra il 900 e il 1100 durante un periodo noto come Anomalia climatica medievale (MCA), quando il clima dell'emisfero settentrionale era più caldo di adesso.

Gli autori dello studio sono il fisico Valdir Felipe Novello e il geologo Francisco William Cruz, ricercatori dell'Istituto di geoscienze dell'Università di San Paolo (IGC-USP), in collaborazione con i colleghi in Brasile, gli Stati Uniti e la Cina. Lo studio ha rilevato periodi secchi e umidi nel paleoclima brasiliano analizzando gli isotopi di ossigeno nelle molecole di carbonato di calcio presenti negli speleotemi. "Nel gruppo del professor Cruz, abbiamo viaggiato in tutto il Brasile raccogliendo campioni di rocce rupestri. La composizione degli isotopi dell'ossigeno nel carbonato di calcio depositato nel corso di secoli e millenni per formare speleotemi [stalagmiti e stalattiti] mostra se il clima era più secco o più umido in passato, " ha detto Novello.

Isotopi della stagione secca e umida

Gli isotopi sono varianti di un elemento chimico. Mentre tutti gli isotopi di qualsiasi elemento hanno lo stesso numero di protoni in ogni atomo, diversi isotopi hanno un diverso numero di neutroni. Per esempio, ossigeno 16 ( ¹⁶ O) ha otto protoni e otto neutroni, mentre l'ossigeno 18 ( ¹⁸ O) ha otto protoni e dieci neutroni.

"In natura, c'è circa un atomo di ossigeno 18 per ogni 1, 000 atomi di ossigeno 16, " ha spiegato Novello. ¹⁸ O è più pesante di ¹⁶ Oh, così quando inizia a piovere, molecole d'acqua con ¹⁸ O precipita prima.

Di conseguenza, la quantità di ¹⁶ O nella nuvola di pioggia si alza rispetto alla quantità di ¹⁸ Oh, che necessariamente diminuisce poiché la maggior parte dell'originale ¹⁸ O precipita come pioggia. "Quando piove forte, il profilo isotopico della pioggia cambia, " ha detto Novello.

Per determinare come possono essere misurati i cambiamenti nei regimi di pioggia passati, Novello e Cruz hanno analizzato i record del ¹⁶ O/ ¹⁸ O rapporto conservato nello speleotema carbonato di calcio.

Le grotte si formano durante lunghi periodi di pioggia nelle regioni carsiche, un tipo di paesaggio comprendente rocce carbonatiche come il calcare. L'acqua piovana entra in contatto con il gas di carbonio (CO2) disciolto nell'aria e nel suolo. Il risultato di questa reazione chimica è acqua leggermente acida, che penetra nel terreno fino a raggiungere la roccia calcarea sotterranea.

La roccia calcarea è insolubile in acqua con pH neutro ma si dissolve in presenza di acqua acida (che ha un pH moderatamente basso), portando alla formazione dei vuoti sotterranei naturali che chiamiamo grotte.

I ricercatori hanno spiegato che gli speleotemi si formano quando l'acqua piovana carica di carbonato di calcio che è penetrata nel terreno raggiunge il tetto della grotta. Il lento gocciolamento continuo per migliaia di anni fa precipitare il carbonato di calcio disciolto in ogni goccia sotto forma di speleotemi, come stalattiti sospese dal tetto della grotta e come stalagmiti che salgono dal pavimento.

L'eventuale carbonato di calcio che precipita dal tetto si deposita sul pavimento in strati che si accumulano formando stalagmiti. Gli speleotemi conservano la firma isotopica dell'ossigeno presente nella pioggia che cadeva nel momento in cui si depositava ogni strato di carbonato di calcio.

"Così, in una regione con piogge abbondanti, Per esempio, tendi a trovare speleotemi con sequenze di strati contenenti meno ¹⁸ O. Al contrario, nelle regioni a clima secco, la piccola quantità di pioggia contiene di più ¹⁸ O. Quando quest'acqua penetra nel terreno e dissolve il carbonato di calcio, finisce per creare speleotemi con un livello relativamente alto di ¹⁸ O."

Datazione delle rocce e analisi degli isotopi

Novello ha raccolto campioni di roccia da due stalagmiti nella grotta Jaraguá, vicino a Bonito, Mato Grosso do Sul, e dalle stalagmiti della Grotta di São Bernardo e della Grotta di São Mateus, situato nel Parco Statale di Terra Ronca, Goias.

Nella grotta di Jaraguá sono stati raccolti due campioni di due diverse stalagmiti. Uno di loro è cresciuto ininterrottamente per 800 anni secondo la datazione uranio-torio, tra il 1190 e il 2000, un periodo che includeva la LIA. L'altro campione crebbe continuamente nel 442-1451, un periodo che includeva l'MCA.

A Goias, Novello ha raccolto un campione di roccia dalla grotta di São Bernardo che ha coperto il periodo 1123-2010, che includeva la LIA. La grotta di São Mateus ha restituito un campione datato al periodo 264-1201, che includeva l'MCA.

Lo studio ha mostrato che il ¹⁸ Il profilo O dei campioni della grotta di Jaraguá mostrava livelli decrescenti di ossigeno nel periodo 400-1400, suggerendo un clima moderatamente umido nel Brasile centrale durante il periodo (che includeva l'MCA nell'emisfero settentrionale).

Livelli di ¹⁸ O nei campioni della grotta Jaraguá caduti tra il 1400 e il 1770, riflettendo un aumento di umidità durante il periodo (che includeva la LIA nell'emisfero settentrionale), ma crebbe tra il 1770 e il 1950, in linea con la caduta di umidità.

Un'analisi simile dei campioni della grotta di São Bernardo e della grotta di São Mateus a Goiás non ha mostrato alcuna tendenza chiara, ma c'erano un certo numero di lunghi periodi di pioggia, principalmente 680-780 e 1290-1350, con punte nel 1050, 1175 e 1490.

D'altra parte, il periodo piovoso documentato dal record della Grotta Jaraguá durante la LIA nel 1500-1850 è coerente con le condizioni di pioggia favorite dal passaggio della Zona di Convergenza dell'Atlantico Meridionale (SACZ), un grande sistema di nubi con orientamento nord-ovest-sudest che si estende dall'Amazzonia meridionale all'Atlantico meridionale centrale in estate.

"Il SACZ è la massa nuvolosa responsabile dei lunghi periodi di pioggia che si verificano nella regione sudorientale del Brasile. Gli isotopi raccontano la storia completa di questa massa umida e del suo movimento attraverso il continente, " ha detto Novello.

In uno studio precedente che utilizzava registrazioni isotopiche di grotte nella regione nordorientale del Brasile (a Iraquara, Bahia), Novello aveva dedotto che durante la LIA prevalesse un clima più secco in quella regione, che è al di fuori della SACZ.

"I dati degli speleotemi a Bonito, associati a dati paleoclimatici noti del Perù, mostrano che durante la LIA, il SACZ più frequentemente si è fermato più a sud-ovest su un'area che si estende dal Perù a San Paolo attraverso il Mato Grosso do Sul, " ha detto. "D'altra parte, i dati delle grotte di Goiás e Iraquara suggeriscono che il SACZ non ha raggiunto Goiás, Bahia e il Nordest durante la LIA, ma rimase sul sud-est. Di conseguenza, il Nordest è diventato più secco."

Sebbene le registrazioni delle due grotte di Goiás (e di altre tre grotte) non abbiano mostrato cambiamenti significativi nella proporzione media di ¹⁸ O durante i periodi che includevano l'MCA e la LIA, hanno indicato una forte variabilità su una scala temporale da multidecadale a centenaria durante il periodo di transizione dall'MCA alla LIA (1100-1500).

Zone di convergenza

"C'è coerenza tra i cambiamenti climatici in Sud America e i dati climatici per l'emisfero settentrionale, " ha detto Croce, ricercatore principale per il progetto finanziato da FAPESP. "Il clima della Terra è completamente interconnesso. Se ci sono anomalie nelle regioni ad alta latitudine, questo si rifletterà nei tropici."

"Quando osserviamo i dati paleoclimatici per il periodo corrispondente alla LIA, vediamo più freddo in Sud America, ma i modelli di pioggia sono cambiati, " disse Novello. Da queste informazioni, si può concludere che se il clima diventa più freddo nell'emisfero settentrionale, piove di più nell'emisfero australe. La convergenza dell'umidità finisce per spostarsi verso sud. Al contrario, quando il clima si riscalda nell'emisfero settentrionale, piove meno nell'emisfero australe.

"Nelle regioni equatoriali, c'è una fascia di nuvole chiamata Inter Tropical Convergence Zone. La sua posizione corrisponde all'area in cui la superficie dell'oceano è più calda. Questa regione più calda crea una zona di bassa pressione in cui converge tutta l'umidità, e così cade più pioggia."

Durante la LIA, quando la differenza tra il clima più fresco nell'emisfero settentrionale e il clima più caldo nell'emisfero meridionale era maggiore, i venti che convergevano dall'emisfero settentrionale alla zona di convergenza intertropicale (ITCZ) trasportavano più umidità di quanto non facciano ora. Questa maggiore umidità ha contribuito ad aumentare il volume di nubi nell'ITCZ, che avanzava da est a ovest sull'equatore dall'Atlantico all'Amazzonia, dove ha cominciato a piovere a dirotto. Questo è stato quando tutti i ¹⁸ O contenuto nelle nuvole precipitate.

"Il raffreddamento del Nord Atlantico durante la LIA ha intensificato gli alisei di nord-est, che ha favorito il trasporto di umidità in Amazzonia. Questo è l'opposto di quanto accade negli anni in cui gli alisei di nord-est sono meno intensi:tendono ad essere anni più secchi, " ha detto Cruz.

Una volta che le masse di nuvole nell'ITCZ raggiungono l'Amazzonia, contribuiscono all'umidità che è più ricca di ¹⁶ O alla SACZ. La quantità extra di questo isotopo è registrata dagli speleotemi.

Durante l'MCA, il clima più caldo dell'emisfero settentrionale ha formato una zona di bassa pressione verso la quale i venti umidi convergevano dall'Atlantico meridionale. "L'ITCZ si è spostato più a nord. Tutto il Sud America è diventato più secco, " ha detto Cruz.