Un estudio muestra 2000 años de historia de las lluvias en Brasil

Registros isotópicos obtenidos en cavernas revelan cómo varió la distribución de las precipitaciones en el país durante los cambios climáticos globales que afectaron a Europa en la Edad Media

Por Peter Moon  |  Agência FAPESP – Entre 1500 y 1850, Europa estuvo inmersa en la llamada Pequeña Edad de Hielo, un período en el cual las temperaturas medias en el hemisferio Norte eran considerablemente inferiores a las actuales.

Hasta ahora eran poco conocidos los efectos de aquella baja de la temperatura sobre el clima de América del Sur, pero un nuevo estudio muestra que durante los siglos XVII y XVIII, el clima en el sudoeste de Brasil era más húmedo que el actual, por ejemplo. Al mismo tiempo, el clima en el nordeste del país era más seco. Este estudio se realizó con base en el análisis de rocas de cavernas situadas en los estados brasileños de Mato Grosso do Sul y Goiás.

Los mismos registros de cavernas brasileñas revelaron que entre los años 900 y 1100, durante la llamada Anomalía Climática Medieval –un período en el cual el clima en el hemisferio Norte era más cálido que el actual–, el clima era más seco en Brasil.

Se trata de una de las primeras evidencias con las cuales se constata la existencia una relación entre los cambios climáticos acaecidos durante la Pequeña Edad de Hielo y la Anomalía Climática Medieval en el hemisferio Norte y alteraciones en el patrón de lluvias en América del Sur.

Este estudio, publicado en forma de artículo en el Geophysical Research Journal, tiene como autores al físico Valdir Felipe Novello y al geólogo y profesor Francisco William Cruz, del Instituto de Geociencias de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, junto a otros colaboradores brasileños, estadounidenses y chinos, e integra el proyecto intitulado “La educación y la investigación climática en América con los ejemplos de anillos de árboles y espeleotemas – PIRE-CREATE”, que cuenta con el apoyo de la FAPESP en el marco de un acuerdo con la National Science Foundation (NSF) de Estados Unidos, a través su programa PIRE – Partnership for International Research and Education.

“Trabajamos en diversas escalas de tiempo. En algunos estudios se investiga el paleoclima de hace decenas o centenas de miles de años. En este nuevo estudio, investigamos alteraciones climáticas durante los últimos dos milenios”, dijo Cruz.

Novello, primer autor del artículo, destaca que “existen evidencias abundantes que apuntan que el clima en el hemisferio Norte era más frío durante la Pequeña Edad de Hielo”. Son evidencias históricas y culturales, tales como relatos escritos o pinturas de época que exhiben el frío en la Europa del siglo XVII, por ejemplo.

A esas evidencias se les suman otras, tales como los registros de gases aprisionados desde hace siglos en el hielo de los glaciares en Groenlandia, el registro de isótopos preservados en el lodo del fondo de lagos y lagunas o incluso el análisis de los anillos de crecimiento de los árboles.

“Un problema que se enfrenta al investigar los paleoclimas del hemisferio Sur es la ausencia de datos históricos o culturales. En la Edad Media, antes de la era de los descubrimientos, ni los incas ni las otras diversas naciones indígenas poseían escritura. Lo propio sucedía entre las tribus africanas y entre los aborígenes australianos”, dijo Novello.

“Se suma a esto el hecho de que en el trópico casi no existen glaciares, con excepción de los que hay en lo alto de los Andes. Por eso debemos hallar otros métodos de análisis para descubrir cómo era el clima del pasado en América del Sur. Con el grupo del profesor Cruz atravesamos Brasil extrayendo muestras de rocas del interior de cavernas. La composición de los isótopos de oxígeno en el carbonato de calcio depositado en el transcurso de siglos y milenios para formar espeleotemas [estalagmitas y estalactitas] indica si el clima era más seco o más húmedo en el pasado”, dijo.

Los isótopos de la sequía y de la lluvia

Para entender cómo detectó Novello los períodos de mayor o menor humedad en el paleoclima brasileño, antes se hace necesario explicar cómo se arribó a esos resultados. Este trabajo se basa en el análisis isotópico del oxígeno de las moléculas de carbonato de calcio presentes en los espeleotemas existentes en las cavernas.

Los isótopos son variantes de un elemento químico. Mientras que todos los isótopos de un determinado elemento comparten la misma cantidad de protones, cada isótopo difiere de los otros en su número de neutrones. De este modo, el elemento químico oxígeno posee en su núcleo 8 protones y 8 neutrones en el caso del oxígeno 16 (¹⁶O). En tanto, en el caso del oxígeno 18 (¹⁸O), son 8 protones y 10 neutrones.

“En la naturaleza existe aproximadamente un átomo de oxígeno 18 por cada mil átomos del oxígeno 16”, explicó Novello. Como el oxígeno 18 es más pesado que el oxígeno 16, cuando empieza a llover, las moléculas de agua con oxígeno 18 caen primero.

Como consecuencia de ello, se produce una elevación relativa de la cantidad de oxígeno 16 en la nube de lluvia con relación a la cantidad de oxígeno 18, por ende necesariamente menor, dado que la mayor parte del oxígeno 18 original se precipitó como lluvia. “Cuando llueve mucho, cambia la isotopía de la lluvia”, dijo.

Para saber cómo puede verificarse dicho cambio en el régimen de lluvias de climas del pasado, Novello y Cruz recurrieron al registro de la relación oxígeno 16-18 preservada en el carbonato de calcio de los espeleotemas de las cavernas.

Cuando la lluvia cae en regiones de karst, es decir, aquellas zonas formadas por rocas carbonáticas (como la caliza), se forman cavernas. El agua pluvial entra en contacto con el anhídrido carbónico (CO₂) disuelto en el aire y en el suelo. El resultado de esta reacción química es un agua ligeramente ácida, que va penetrando en el suelo hasta llegar a las rocas calcáreas subterráneas.

Las rocas calcáreas son insolubles en agua de pH neutro, pero se disuelven en presencia de agua ácida (con pH ligeramente negativo), lo que lleva a la formación de las cavidades subterráneas naturales a las que les damos el nombre de cavernas.

Los científicos explican que la formación de espeleotemas ocurre cuando el agua de la lluvia que penetró en el suelo (cargando carbonato de calcio) llega al techo de una caverna. El goteado lento y continuo en el transcurso de miles de años va precipitando el carbonato de calcio disuelto en cada gota en forma de espeleotemas: acaba por acumularse en el techo de la caverna formando estalactitas y en el piso de la caverna formando estalagmitas.

El carbonato de calcio que por ventura precipitó del techo de la caverna se deposita en su piso en capas que dan forma a las llamadas estalagmitas. Los espeleotemas preservan la firma isotópica del oxígeno de la lluvia que cayó en la época de la precipitación de cada capa de carbonato de calcio.

“Al analizar los isótopos de oxígeno en el carbonato de calcio de los espeleotemas con base en la razón hallada entre el oxígeno 16 y el oxígeno 18, se logra inferir si el clima era más seco (relativamente una mayor cantidad de oxígeno 18) o más húmedo (relativamente menos oxígeno 18) al momento de la precipitación de una determinada capa de caliza”, dijo Novello.

“Entonces en una región donde llueve mucho, por ejemplo, la tendencia indica que se hallará en los espeleotemas una secuencia de capas con una cantidad relativamente menor de oxígeno 18. Inversamente, en las zonas de clima seco, la escasa lluvia que cae tiene relativamente una mayor cantidad de oxígeno 18. Al penetrar en el suelo y disolver el carbonato de calcio, esa agua termina formando espeleotemas con una cantidad relativamente mayor de oxígeno 18”, dijo.

La datación de las rocas y el análisis isotópico

Valdir Novello extrajo muestras de rocas de dos estalagmitas de la gruta de Jaraguá, en Bonito, estado de Mato Grosso do Sul, y de estalagmitas de las grutas de São Bernardo y São Mateus, localizadas en el Parque Estadual de Terra Ronca, en Goiás.

En la gruta de Jaraguá se recolectaron dos muestras de dos estalagmitas distintas. Una de ellas mide 13 centímetros y, de acuerdo con el método de datación uranio-torio, creció continuamente durante 800 años entre 1190 y 2000, lapso de tiempo que comprende el período de la Pequeña Edad de Hielo (entre 1500 y 1850). La segunda muestra, de 28 centímetros, se formó continuamente entre los años 442 y 1451, y cubre entonces la Anomalía Climática Medieval (entre 900 y 1100).

En Goiás, Novello extrajo en la gruta de São Bernardo una muestra de roca de 37 centímetros, cubriendo el período comprendido entre los años 1123 y 2010, el cual engloba a la Pequeña Edad de Hielo. De la gruta de São Mateus salió una muestra de 17 centímetros, acumulada en el intervalo de tiempo situado entre 264 y 1201, que comprende el período de la Anomalía Climática Medieval.

El perfil de oxígeno 18 en las muestras de la gruta de Jaraguá exhibe una ligera tendencia hacia valores más livianos de oxígeno entre los años 400 y 1400, lo cual sugiere un clima levemente húmedo en el territorio del Brasil central de aquel período (que abarca el tiempo de la Anomalía Climática Medieval en el hemisferio Norte).

Después de 1400, los valores del oxígeno 18 en las muestras de la gruta de Jaraguá empiezan a declinar hasta 1770, lo que indica un aumento de la humedad durante ese período, que corresponde a la Pequeña Edad de Hielo en el hemisferio Norte. Posteriormente, la tendencia se invierte y los valores aumentan nuevamente hasta 1950, lo que indica una merma de la humedad desde entonces.

El registro de oxígeno 18 del Brasil central basado en las estalagmitas de las grutas de São Bernardo y São Mateus, en Goiás, no indica una tendencia. Dicho registro muestra algunos eventos húmedos abruptos, tales como los períodos húmedos prolongados entre 680 y 780 y entre 1290 y 1350, y eventos húmedos más cortos acaecidos cerca de 1050, 1175 y 1490.

Por otra parte, el período húmedo documentado en el registro de la gruta de Jaraguá durante la Pequeña Edad de Hielo, entre 1500 y 1850, es coherente con las condiciones húmedas favorecidas por el paso de la llamada Zona de Convergencia del Atlántico Sur (ZCAS), que es una franja de nebulosidad de orientación noroeste-sudeste que se extiende desde el sur de la región amazónica hasta la región central del Atlántico Sur.

“La Zona de Convergencia del Atlántico Sur es la masa de nebulosidad responsable de la existencia de lluvias prolongadas en la región sudeste de Brasil. Los isótopos cuentan toda la historia de esa masa húmeda trasladándose por el continente”, dijo Novello.

“¿Sabe aquellos días cuando llueve bastante en São Paulo? Siempre que llueve cinco días seguidos es porque la nebulosidad de la Zona de Convergencia del Atlántico Sur está estacionada sobre São Paulo. La gran sequía de 2014 fue causada por la no formación de la Zona de Convergencia del Atlántico Sur ese año”, dijo Cruz.

En un trabajo anterior, realizado con registros isotópicos de grutas situadas en la región nordeste de Brasil, en Iraquara, estado de Bahía, Novello había inferido que en esa zona –por ende, fuera de la Zona de Convergencia del Atlántico Sur– prevalecía un clima más seco durante la Pequeña Edad de Hielo.

“Cuando se los asocia con datos paleoclimáticos peruanos conocidos, los datos de los espeleotemas de Bonito indican que durante la Pequeña Edad de Hielo la Zona de Convergencia del Atlántico Sur se estacionaba con mayor frecuencia más al sudoeste, sobre una franja de tierra que se extiende desde Perú hasta São Paulo, pasando por Mato Grosso do Sul. Por otra parte, los datos de las grutas de Goiás y de Iraquara sugieren que durante la Pequeña Edad de Hielo la Zona de Convergencia del Atlántico Sur no llegó a Goiás, a Bahía y al nordeste de Brasil. La Zona de Convergencia del Atlántico Sur se estacionó completamente en la región sudoeste del país. Por eso el nordeste quedó más seco”, dijo Novello.

Si bien los registros de las dos grutas de Goiás (y otras tres grutas) no exhiben un cambio significativo en la proporción media de oxígeno 18 durante el período de la Anomalía Climática Medieval y durante el lapso de tiempo de la Pequeña Edad de Hielo, muestran una fuerte variabilidad en la escala de tiempo decenaria y centenaria durante el período de transición de la Anomalía Climática Medieval a la Pequeña Edad de Hielo (entre 1100 y 1500).

En resumen, los registros de los espeleotemas que estudiaron Novello y Cruz indican que durante el período de clima más cálido en el hemisferio Norte (la Anomalía Climática Medieval), el clima por acá al sur era más seco, y que durante la Pequeña Edad de Hielo del hemisferio Norte el clima en el sudoeste de Brasil era más húmedo, mientras que el Brasil central y en el nordeste del país eran más secos.

“Cuando comparamos nuestros datos con otros datos isotópicos de la América del Sur, verificamos la existencia de otros períodos más secos en el pasado. La lluvia no se ha distribuido demasiado bien durante los últimos 1600 años”, dijo Cruz.

Zonas de convergencia

“Existe una coherencia entre los cambios climáticos acaecidos en América del Sur y los datos climáticos del hemisferio Norte. El clima de la Tierra está totalmente conectado. De haber anomalías en las regiones de alta latitud, esto se reflejará en el trópico”, dijo Cruz.

De acuerdo con Novello, “cuando observamos los datos del paleoclima durante la Pequeña Edad de Hielo, vemos más frio acá, pero los patrones de lluvia cambiaron. Entonces se constata que si el clima se enfría en el hemisferio Norte, llueve más en el hemisferio Sur. La convergencia de la humedad termina viniendo hacia el sur. Inversamente, cuando el clima se calienta en el hemisferio Norte, llueve menos en el hemisferio Sur”.

“En las regiones ecuatoriales del planeta existe una banda de nebulosidad llamada Zona de Convergencia Intertropical. La misma se ubica donde la superficie del mar está más caliente. Esa región más cálida crea una zona de baja presión hacia donde converge toda la humedad, y por eso cae más lluvia”, dijo Novello.

Durante la Pequeña Edad de Hielo, cuando era mayor la diferencia entre el clima más frio al norte y el clima benigno al sur, los vientos que convergían desde el hemisferio Norte hacia la Zona de Convergencia Intertropical cargaban más humedad que la que cargan actualmente. Eso contribuía al aumento de la nebulosidad en la Zona de Convergencia Intertropical, que a su vez avanzaba sobre el ecuador en sentido este-oeste, saliendo del Atlántico y penetrando en la Amazonia, donde empezaba a llover torrencialmente. Era cuando todo el oxígeno 18 acumulado en las nubes se precipitaba.

“El enfriamiento del Atlántico Norte durante la Pequeña Edad de Hielo intensificó los vientos alisios de nordeste, lo que favoreció el transporte de humedad hacia la Amazonia. Es lo contrario de lo que sucede en los años en que los vientos alisios de nordeste son menos intensos, que tienden a ser años más secos”, dijo Cruz.

Una vez que la nebulosidad de la Zona de Convergencia Intertropical llega a la Amazonia, contribuye a alimentar la Zona de Convergencia del Atlántico Sur con humedad más rica en oxígeno 16. Y entonces la Zona de Convergencia del Atlántico Sur avanza en dirección noroeste-sudeste, atravesando Brasil en dirección al Atlántico Sur.

Cuando las nubes permanecen saturadas de humedad, llueve mucho a lo largo del trayecto de la Zona de Convergencia del Atlántico Sul. Se trata de una lluvia con mayor proporción de oxígeno 16. La mayor prevalencia de este isótopo termina quedando registrada en los espeleotemas.

Durante la Anomalía Climática Medieval, el clima más cálido en el hemisferio Norte formó una zona de baja presión hacia la cual convergieron los vientos húmedos del Atlántico Sur. “La Zona de Convergencia Intertropical se desplazó más hacia el norte. América del Sur quedó totalmente seca”, dijo Cruz.

El artículo intitulado Two millennia of South Atlantic Convergence Zone variability reconstructed from isotopic proxies (https://doi.org/10.1029/2017GL076838), de V. F. Novello, F. W. Cruz, J. S. Moquet, M. Vuille, M. S. de Paula, D. Nunes, R. L. Edwards, H. Cheng, I. Karmann, G. Utida, N. M. Stríkis y J. L. P. S. Campos, se encuentra publicado en el siguiente enlace: agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2017GL076838.