CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS CLIMÁTICAS
PAULA GABRIELA FERNANDES AGOSTINHO
Resposta Isotópica em Siderastrea stellata à Variabilidade Climática no
Atol das Rocas – RN, Brasil
NATAL – RN
Setembro – 2020
PAULA GABRIELA FERNANDES AGOSTINHO
Resposta Isotópica em Siderastrea stellata à Variabilidade Climática no
Atol das Rocas – RN, Brasil
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Climáticas, do Centro de Ciências Exatas e da Terra da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, em cumprimento a requisito exigido para obtenção do Título de Mestre em Ciências Climáticas.
Área de Concentração: Mudança Climática, População e Ambiente
Orientação: Prof. Dr. David Mendes
NATAL – RN
Setembro – 2020
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Ronaldo Xavier de Arruda - CCET
Agostinho, Paula Gabriela Fernandes.
Resposta isotópica em Siderastrea stellata à variabilidade climática no Atol das Rocas - RN, Brasil / Paula Gabriela Fernandes Agostinho. - Natal, 2020.
103f.: il.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-Graduação em Ciências Climáticas. Natal, 2020.
Orientador: David Mendes.
1. Climatologia - Dissertação. 2. Caracterização climática - Dissertação. 3. Geoquímica de coral - Dissertação. 4. Ciclos isotópicos - Dissertação. 5. Paleotermômetro - Dissertação. I. Mendes, David. II. Título.
RN/UF/CCET CDU 551.58
FOLHA DE APROVAÇÃO
PAULA GABRIELA FERNANDES AGOSTINHO
Resposta Isotópica em Siderastrea stellata à Variabilidade Climática no Atol das Rocas – RN, Brasil
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Climáticas, do Centro de Ciências Exatas e da Terra da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, em cumprimento a requisito exigido para obtenção do Título de Mestre em Ciências Climáticas.
Aprovada em: 23/09/2020
PhD. David Mendes
Orientação PhD. Weber Andrade Gonçalves
Interno ao PPGCC/UFRN Dr. Marcio Machado Cintra
Interno à instituição/UFRN Dr. Liana Figueiredo Mendes
Interno à instituição/UFRN PhD. Natan Silva Pereira
DEDICATÓRIA
À todas as pessoas que perdi durante minha ausência na busca dos sonhos. À minha querida Tia Lucinha (in memoriam), e Ao meu amado sogro Sr. Tadeu Oliveira (in memoriam), Que se transformaram em estrelas neste ano, e deixaram um buraco enorme em meu coração. À vocês que iluminaram tanto a minha vida,
AGRADECIMENTOS
Aos professores David Mendes e Marcio Cintra (UFRN), pelo apoio e principalmente pela paciência no desenvolvimento deste trabalho.
Ao meu querido, e primeiro orientador, Natan Pereira (UNEB), por absolutamente tudo. Quando penso em você na minha carreira acadêmica, sempre lembro no que foi dito por Isaac Newton um dia: “Se vi mais longe, foi por estar sobre os ombros de gigantes". És gigante, Natan. Espero ser como você quando eu crescer! MUITO, MUITO OBRIGADA, SEMPRE.
Ao Professor Heitor Evangelista (UERJ), minha completa e total gratidão. Como é bom, professor, poder encontrar no caminho alguém capaz de iluminar o caminho que precisamos seguir. Você foi a luz que permitiu o desenrolar deste trabalho. Agradeço, não somente pelos conselhos e ensinamentos, mas por toda a prontidão e generosidade em ser humano. Obrigada, professor, OBRIGADA.
À professora Kellen Lima. Mulher, tu és exemplo de tudo que um professor deveria ser! Obrigada pela dedicação, pelos ensinamentos, cobranças, conselhos, e principalmente pela sensibilidade e carinho que tiveste em sala de aula ou durante nossas conversas pelos corredores da UFRN. Foste uma inspiração nesta jornada.
Aos colegas do PPGCC, que sempre me ajudaram, e me socorreram por muitas vezes. Obrigada Rayla, Nice, Rafinha, Felipe e Ana Cleide.
Ao meu esposo Victon, pelo seu apoio incondicional, pela paciência e compreensão nos meus momentos mais difíceis, e pelo incentivo. Foi você, que muitas vezes ao longo desse curso não permitiu o meu desânimo se prolongar. Obrigada, meu amor.
Àquela que, mesmo distante, sempre me apoiou e incentivou durante nessa jornada. Que diz que sofreu mais do que eu para produzir este trabalho, e que certamente ficou mais feliz ao vê-lo concluído. Mainha, minha rainha, foi graças ao teu aconchego no momento em que eu mais pensei em desistir de tudo, que hoje posso dizer: “suas orações deram certo, meu amor, EU CONSEGUI!”.
Àqueles que, GENUINAMENTE torceram para que tudo desse certo afinal.
Por fim, e mais importante, ao meu Pai, o Senhor meu Deus, que em meio à toda tempestade me manteve de pé e com a cabeça erguida. Obrigada, Senhor!
Tough Times Never Last but Tough People do! – Schuller, Robert H.
RESUMO
No cenário climático atual, a necessidade de fornecer projeções sobre a evolução futura do tempo e do clima com precisão, demanda de registros históricos ambientais de longo prazo. O registro histórico dos eventos climáticos no Brasil é relativamente curto, raramente ultrapassando 100 anos de duração, principalmente com relação aos dados provenientes de regiões oceânicas. Em muitas regiões oceânicas da zona tropical, os corais contribuem significativamente para preencher essa ausência de dados instrumentais, entretanto, no Brasil, pesquisas baseadas em corais endêmicos são limitadas. Nesse contexto, o objetivo desta pesquisa foi contribuir para validação de dados geoquímicos, obtidos no esqueleto do coral Siderastrea stellata como indicadores paleoclimáticos para o Atol das Rocas. Esta reserva biológica, não possui monitoramento climático, e aqui, em um estudo pioneiro, a caracterização do comportamento climatológico da Temperatura da Superfície do Mar (TSM) e Precipitação para 55 anos de dados foi desenvolvida, em associação às variações provocadas pela influência dos principais sistemas e fenômenos oceânico-atmosféricos, responsáveis pela variabilidade climática do Nordeste do Brasil: a Zona de Convergência Intertropical, o Gradiente Meridional do Atlântico, e El Niño Oscilação Sul. Após este estudo inicial, foram investigadas as alterações de isótopos estáveis de carbono (δ13C), isótopos estáveis de oxigênio (δ18O), e das Razões Estrôncio/Cálcio (Sr/Ca) em resposta ao aquecimento e precipitação provocada pelos modos de variabilidade anteriormente mencionadas. A comparação dos dados geoquímicos com os ambientais, mostrou que a espécie Siderastrea stellata apresenta um grande potencial para ser utilizada em estudos paleoclimáticos, principalmente nos que apresentam relação com a TSM.
Palavras-chave: Caracterização Climática; Geoquímica de Coral; Ciclos Isotópicos; Paleotermômetro.
ABSTRACT
In the current climate scenario, the need to provide accurate projections of future weather and climate evolution, demand for long-term historical environmental data. The historical record of climate events in Brazil is relatively short, rarely exceeding 100 years in duration, mainly with respect to data from oceanic regions. In many oceanic regions of the tropical zone, corals contribute to fill this lack of instrumental data, however, in Brazil, research based on endemic corals is limited. In this context, the objective of this research was to contribute to the validation of geochemical data obtained in the coral skeleton Siderastrea stellata as paleoclimatic indicators for the Rocas Atoll. This biological reserve has no climatic monitoring, and here, in a pioneering study, the characterization of the climatological behavior of the Sea Surface Temperature (SST) and Precipitation for 55 years of data was developed, in association with the variations caused by the influence of the main oceanic-atmospheric systems and phenomena responsible for the climatic variability of the Northeast of Brazil: the Intertropical Convergence Zone, the Interhemispheric Thermal Gradient, and El Niño – Southern Oscillation. After this initial study, changes in the stable Carbon Isotopes (δ13C), stable Oxygen Isotopes (δ18O) and Strontium/Calcium ratios (Sr/Ca) in response to the heating and precipitation caused by the aforementioned modes of variability were investigated. The comparison of geochemical data with environmental data, showed that the species Siderastrea stellata has a great potential to be used in paleoclimatic studies, mainly in those related to SST.
Keywords: Climate Characterization; Coral Geochemistry; Isotopic cycles; Paleothermometer. .
LISTAS DE ABREVIATURAS
AMM Atlantic Meridional Mode Index
ASAN Anticiclones Subtropicais do Norte ASAS Alta Subtropical do Atlântico Sul
AT Atlântico Tropical
ATN Atlântico Tropical Norte
ATS Atlântico Tropical Sul
ATSM Anomalia de Temperatura da Superfície do Mar
EN El Niño
ENSO El Niño Oscilação Sul
GradATL Gradiente Meridional do Atlântico GradATL+ Gradiente Meridional do Atlântico Norte GradATL– Gradiente Meridional do Atlântico Sul
LN La Niña
MAM Março – Abril – Maio
NEB Nordeste do Brasil
NOAA/ERSST_V5 National Oceanic & Atmospheric Administration Extended Reconstructed Sea Surface Temperature V5
ONI Oceanic Niño Index
SON Setembro – Outubro – Novembro
SSS Sea Surface Salinity
TSM Temperatura da Superfície do Mar ZCIT Zona de Convergência Intertropical
SIGLAS
CPTEC Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos ECMWF European Centre Medium –Range Weather Forecast
KU University of Copenhagen
INMET Instituto Nacional de Meteorologia
NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration
NTU National Taiwan University
PSL/NOAA Physical Sciences Laboratory
UNEB Universidade do Estado da Bahia UFPE Universidade Federal de Pernambuco
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 16
1.1 Objetivos da Dissertação ... 20
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 21
2.1 O Potencial do Uso de Corais nas Ciências Climáticas ... 21
▪ Siderastrea stellata ... 23
2.2 A Utilização de Isótopos Estáveis e Elementos Geoquímicos na Paleoclimatologia ... 24
▪ Sr/Ca como Proxy para Temperatura ... 26
▪ δ18O como Proxy para Temperatura e Salinidade ... 27
▪ δ13C como Proxy para CO 2 ... 27
2.3 A Variabilidade Climática no Atlântico Tropical ... 28
▪ Zona de Convergência Intertropical ... 29
▪ Gradiente Meridional de Temperatura (GradATL) ... 31
▪ El Niño Southern Oscillation (ENSO) ... 32
2.4 Área de Estudo: Atol das Rocas... 35
3 MATERIAL E MÉTODOS ... 38 3.1 Dados Ambientais ... 39 ▪ Dados de TSM ... 39 ▪ Dados de ENSO ... 39 ▪ Dados de GradATL ... 40 ▪ Dados de Precipitação ... 41 3.2 Dados Biológicos ... 43 3.3 Análises Geoquímicas ... 46
▪ Cronologia por U-Th ... 46
▪ Leituras de δ13C, δ18O e a razão Sr/Ca ... 46
▪ Preenchimento de Falhas ... 47
▪ Critérios de Determinação dos Ciclos Anuais e Sazonais ... 48
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 50
4.1 Análise da Série Temporal de TSM (1958-2013) ... 50
4.2 Análise da Série Temporal de Precipitação (1979-2013) ... 58
4.3 Cronologia de Siderastrea stellata e Identificação dos Ciclos Isotópicos ... 68
▪ Cronologia e Taxa de Crescimento ... 68
▪ Identificação Ciclos Anuais ... 69
4.4 Variabilidade dos Ciclos Isotópicos e Registros Ambientais ... 71
▪ Visão Geral – Razões Isotópicas e Elementares ... 71
▪ Correlação Sr/Ca, δ18O e δ13C ... 73
▪ Siderastrea stellata versus Dados Ambientais ... 75
5 CONCLUSÕES ... 83
6 REFERÊNCIAS ... 86
1 INTRODUÇÃO
No cenário climático atual, a necessidade de fornecer projeções sobre a evolução futura do tempo e do clima com precisão, demanda de históricos ambientais de longo prazo. Essas informações favorecem o avanço na compreensão dos processos que causaram as variações climáticas do passado, além de serem importantes para a validação de modelos climáticos (BECK et al., 1992). Ao longo de sua história, o planeta tem passado por diversas transformações, e nos últimos séculos, o homem tem desempenhado um papel catalisador neste processo, estimulando de maneira desenfreada grandes impactos ambientais, que interferem diretamente no clima global, e consequentemente afeta todos os ecossistemas e os serviços providos por eles (HENDERSON-SELLERS, 1995; IPCC, 2014; BLANK, 2015; POTT; ESTRELA, 2017).
As interações entre o oceano e a atmosfera são a chave para conhecer e prognosticar o clima e suas variações (KUSHNIR et al., 2002). Atuando como principal regulador do clima, o oceano tem sido diretamente afetado por essa interação, o que resulta numa série de mudanças que torna cada vez mais instável os ecossistemas marinhos. Nem todos os organismos acompanham evolutivamente o ritmo acelerado das mudanças climáticas, e alguns são extremamente sensíveis ao mínimo dessas variações, dentre eles estão os corais, que cada vez mais enfrentam riscos elevados de extinção em decorrência das atividades antrópicas e mudanças nas condições ambientais (BAY et al., 2013; BINDOFF et al., 2019; CHENG et al., 2020).
Os recifes de coral são um dos ecossistemas mais vulneráveis às alterações climáticas, em especial ao aquecimento e à acidificação crescente dos oceanos. De biodiversidade imensurável, esses recifes têm sido alvo dos mais diversificados estudos, desde seus aspectos ecológicos até as complexas relações geobiológicas no decorrer da história (KNUTSON et al., 1972; PÄTZOLD, 1984; MITSUGUCHI et al., 1996; MOSES et al., 2006a; LEÃO et al., 2016; PINHEIRO et al., 2017).
Desde a década de 1970, quando descobriu-se o padrão de crescimento desses animais (KNUTSON et al., 1972), a biogeoquímica tem avançado no desenvolvimento de reconstruções paleoambientais, uma vez que percebeu-se que os corais detêm valiosas informações que evidenciam condições ambientais pretéritas, provendo tanto informações dos oceanos quanto da atmosfera, atuando como uma ferramenta útil para um melhor entendimento sobre as
oscilações climáticas na história dos oceanos tropicais nos últimos séculos (SCHRAG; LINSLEY, 2002; CARRICART-GANIVET et al., 2007).
Informações oceanográficas instrumentais de longo prazo passaram a existir somente após a década de 1950, e monitoramento por satélite apenas no final da década de 1970 (GROTTOLI, 2001). As regiões mais monitoradas, inclusive as de maior obtenção de dados provenientes de corais, são aquelas cujo impactos climáticos são mais acentuados, como no Pacífico Tropical, Índico e Caribe, que apresentam um número consideravelmente maior de dados, quando comparado ao Atlântico Tropical (SERVAIN, 1991; PURKIS et al., 2019), pois são regiões que são afetadas diretamente por grandes fenômenos oceano-atmosféricos como El Niño, monções e furacões, respectivamente.
Com o aumento da frequência de recordes de calor oceânico, a preocupação com o futuro dos ambientes recifais torna-se ainda mais evidente, especialmente pela importância que esses ambientes possuem para a vida marinha (BINDOFF et al., 2019; CHENG et al., 2020). Diversas pesquisas estão sendo realizadas com o objetivo de entender o comportamento desses ambientes ao estresse climático, com o objetivo principal de que seja possível buscar soluções para mitigar os potenciais impactos advindos das mudanças climáticas sobre os recifes.
O oceano Atlântico Tropical é uma região de grande variabilidade climática, provocada principalmente pela oscilação que envolvem as bacias norte e sul, e pelos padrões de teleconexões que o ligam ao Pacífico Equatorial. No entanto, é uma área onde a quantidade de dados instrumentais é bastante limitada, principalmente na costa brasileira (PEZZI et al., 2016). Normalmente esses dados costumam ser pontuais e esparsos, dificultando o conhecimento preciso dos processos dinâmicos que envolvem as variabilidades climáticas recentes na região, o que incentiva a buscar alternativas que possam garantir uma maior confiabilidade quanto ao passado do Atlântico. Estudos com indicadores proxies (indicadores ambientais obtidos de forma indireta) são muito úteis para preencher lacunas na ausência de dados aferidos diretamente in situ, e os esqueletos de corais são especialmente conhecidos por armazenarem excelentes registros geoquímicos que podem ser utilizados como proxies, e auxiliarem na compreensão do comportamento das variabilidades climáticas no ambiente marinho, para períodos que precedem muito além dos registros instrumentais (FELIS; PÄTZOLD, 2003).
Estudos paleoclimáticos têm crescido no Atlântico Tropical nas últimas décadas, no entanto, a maioria dos trabalhos estão inseridos na região do caribe (GOODKIN, 2007). No Brasil, pesquisas baseadas em corais são ainda mais recentes, os poucos trabalhos
desenvolvidos concentram-se em Abrolhos (e.g. GONÇALVES, 2007, 2010; SANTEDICOLA et al., 2008) e Atol das Rocas (e.g. MAYAL et al., 2009; PEREIRA et al., 2015, 2016, 2017, 2018; EVANGELISTA et al., 2018). Em virtude disso, a quantidade de dados geoquímicos com base em corais exclusivamente brasileiros é limitada, e a interpretação das assinaturas isotópicas dos corais endêmicos é até agora um grande desafio para os pesquisadores.
Uma das espécies de grande potencial é a Siderastrea stellata (Verrill, 1868), coral endêmico brasileiro comumente encontrado nos recifes do nordeste do Brasil, e que atua como uma das principais espécies bioconstrutoras dos recifes brasileiros. Resistente a condições de estresse no ambiente, tais como: variações de Temperatura da Superfície do Mar (TSM), Salinidade da Superfície do Mar (SSS) e turbidez da água (Leão et al., 2003), fazem deste animal uma espécie promissora para estudos paleoclimáticos em torno de sua biogeoquímica. Além disso, com a baixa taxa de crescimento conhecida da espécie, inferior à 6.8 ± 0.7 mm/ano (PINHEIRO et al.,2017), há a possibilidade de analisar escalas de tempo maiores em colônias pequenas, e assim favorecer investigações de fatores ambientais que apresentam características marcantes em escalas de tempo sazonal a centenária (GROTTOLI, 2001; EAKIN; GROTTOLI, 2006).
Contudo, os poucos estudos existentes são um grande obstáculo para calibração dos dados, e impedem que os proxies geoquímicos sejam usados para reconstruir, por exemplo, a TSM diretamente (EAKIN; GROTTOLI, 2006). Segundo Jones et al., (2009) um meio para reduzir as incertezas quanto as interpretações de dados geoquímicos seria caracterizar melhor o ambiente de crescimento da colônia, utilizando, por exemplo, uma rotina de medidas in situ de longo prazo. Entretanto, DeLong et al., (2011) ressaltam que a maioria dos recifes de coral em que são realizados os estudos geoquímicos recentes estão em regiões remotas, e tais registros de longo prazo são inexistentes, o que dificulta inferir sobre o clima a partir da calibração de dados geoquímicos. No Atol das Rocas, área de desenvolvimento desta pesquisa, não há estação meteorológica, e dados ambientais, tais como de TSM, SSS ou Precipitação, são coletados por trabalhos pontuais e não contínuos. Essa limitação prejudica a obtenção de uma resposta mais precisa dos dados do coral, de forma que sejam melhor compreendidas, no que diz respeito às condições locais e regionais. DeLong et al., (2011) ainda afirmam que, estudos de calibração do clima por meio de corais podem ser aprimorados aumentando o número de registros de coral para uma única localidade, potencializando dessa forma, a confiabilidade dos dados biogeoquímicos.
Nos últimos anos, alguns trabalhos utilizando marcadores geoquímicos provenientes da espécie Siderastrea stellata foram desenvolvidos no Atol das Rocas (e.g. EVANGELISTA et al., 2018; PEREIRA et al., 2018). Por se tratar de uma reserva biológica isolada e de visitação reservada à pesquisadores, a ilha não sofre influência direta da atividade humana, o que a torna um ambiente propício à auxiliar na compreensão de como os fatores climáticos e ambientais afetam diretamente a bioacumulação dos marcadores geoquímicos em corais no Atlântico Tropical Sul (ATS). Entretanto, a espécie S. stellata tem-se mostrado ainda mais complexa, e uma calibração para os seus dados ainda não foi possível de ser realizada com confiabilidade. Além disso, o atol está localizado em uma região marcada pela influência da Zona de Convergência Intertropical - ZCIT, é banhado pela Corrente Sul Equatorial (KIKUCHI, 2002), e pode sofrer influência direta/indireta de fenômenos oceano-atmosféricos locais e remotos como El Niño Southern Oscillation – ENSO e Gradiente Meridional de Temperatura – GradATL. Sendo assim, este trabalho é guiado pela hipótese de que os marcadores geoquímicos recuperados da colônia de coral coletada no Atol das Rocas, são capazes de captar a influência da variabilidade do ATS, na incorporação das assinaturas isotópicas de δ13C, δ18O, e razão Sr/Ca.
A interpretação de dados de isótopos estáveis de δ18O, δ13C e da razão Sr/Ca em uma colônia do coral Siderastrea stellata é o foco principal dessa pesquisa. Esses dados foram previamente mensurados em etapas que antecederam o desenvolvimento do presente estudo. Sendo assim, neste trabalho, deu-se maior enfoque à fase de investigação da influência climática nas variações desses dados na colônia coletada no Atol das Rocas, abordando, nesse contexto, principalmente as oscilações da TSM com a incorporação dos mesmos.
Esta pesquisa foi executada com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), e integra o Projeto Arquivos de Corais e Paleoclimatologia do Atlântico Sul (ARCOPAS), desenvolvido em parceria com pesquisadores das universidades UNEB, UFBA e UFPE, com apoio do Laboratório de Espectrometria de Massa e Mudanças Ambientais (HISPEC) da Universidade Nacional de Taiwan.
1.1 Objetivos da Dissertação
Esta pesquisa teve como objetivo principal: contribuir para validação de dados geoquímicos obtidos no esqueleto de coral Siderastrea stellata como indicadores paleoclimáticos para o Atlântico na costa brasileira. Para isso, foi investigado as alterações dos marcadores geoquímicos e isotópicos de δ18O, δ13C e das Razões de Sr/Ca para um período de 55 anos (1958-2013) em resposta às variações provocadas pela influência de sistemas e fenômenos oceânico-atmosféricos regionais e remotos na TSM e Precipitação do Atol das Rocas.
Como objetivos específicos, pretendeu-se:
1) Descrever o comportamento da TSM para a região de estudo; 2) Caracterizar o regime de Precipitação no Atol das Rocas; 3) Identificar os ciclos isotópicos do δ18O e das razões de Sr/Ca;
4) Estabelecer uma relação entre os dados isotópicos (δ18O, δ13C e as razões de Sr/Ca) em função da TSM e da Precipitação;
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 O Potencial do Uso de Corais nas Ciências Climáticas
Para desenvolver registros ambientais ao longo do tempo, muitas fontes de dados naturais como anéis de árvores, núcleos de gelo, sedimentos, e carapaças de organismos marinhos são utilizadas como indicadores, conhecidos como proxies (NOAA, 2016). Os corais vêm demostrando o seu enorme potencial para estudos climáticos a partir da década de 1970, quando se percebeu que estes apresentam crescimento associado as variações nas condições ambientais. De maneira análoga aos anéis de crescimento das árvores, muitos corais hermatípicos modulam a densidade de seus esqueletos conforme a temperatura da água circundante, formando bandamentos anuais (HELMLE et al., 2000a, b), que servem como método de contagem visual para estimar a idade preliminar desses animais, além de permitir verificar a influência das estações mais frias e mais quentes do ano no desenvolvimento desses organismos (KNUTSON et al., 1972, DODGE; THOMPSON 1974, HUDSON et al., 1976, WELLINGTON; GLYNN 1983, AGOSTINHO, 2013). Entretanto, em muitas espécies a visualização desses bandamentos não é marcante, e para estimar o crescimento anual do animal é necessário a utilização de métodos alternativos, como mensurar o comprimento dos ciclos isotópicos dos marcadores incorporados em seus esqueletos (SILVA, 2019).
Por serem extremamente sensíveis às mudanças nas condições climáticas, o desenvolvimento dos corais é afetado, e com isso informações como a densidade do seu esqueleto, taxa de calcificação e crescimento, além de elementos menores e traços, podem preservar informações representativas e contínuas sobre condições físico-químicas ambientais, principalmente as de natureza atmosférica do passado oceânico, como radiação, nebulosidade, precipitação, anomalias de vento, e tempestades de poeira (SWART et al.,. 1996; DRUFFEL 1997; KUHNERT et al., 1999; PENG et al., 2003; MAYAL et al., 2009; XU, 2017) sobre o espaço ao qual cresceram, além de ser possível inferir também, respostas em nível global em diferentes escalas de tempo (KNUTSON et al., 1972; SCHRAG; LINSLEY, 2002; CARRICART-GANIVET et al., 2007).
A chave para a recuperação desses registros do passado está na interpretação das informações biogeoquímicas contidas nos esqueletos coralíneos. A incorporação e concentração dos traçadores elementais e isotópicos durante o desenvolvimento do corpo do
coral é controlada por meio das alterações na composição da atmosfera, que tendem a produzir mudanças na composição da água do mar (GONÇALVES, 2010). Parâmetros oceanográficos, principalmente a temperatura, salinidade, disponibilidade de luz da água do mar (BARNES; LOUGH, 1993) e introdução do CO2 atmosférico nos oceanos (DRUFFEL, 1997), são os mais suscetíveis às variações na camada oceano-atmosfera, e consequentemente, são variáveis ambientais que podem ser reconstruídas através da medição das variações de concentração dos elementos químicos presentes em seus esqueletos.
Para a região sul do oceano Atlântico, onde os dados climáticos são limitados, a utilização de corais como fonte de informação para as ciências climáticas, é de valor inestimável. Por apresentarem um crescimento contínuo e lento, inferior a uma taxa de 15 mm/ano, colônias vivas podem fornecer registros de centenas de anos, e combinado com corais fósseis podem revelar condições desse milênio e até mesmo de tempos mais longínquos (NOZAKI et al., 1978; QUINN et al., 1998; KUHNERT et al., 1999; PENG et al., 2003; BRENNER et al., 2016; TANGRI et al., 2018; entre outros). No Brasil, esta é uma linha de pesquisa que ainda está em desenvolvimento, são poucos os estudos com foco na utilização de dados geoquímicos em corais para reconstruções paleoceanográficas (Figura 2.1), e o desenvolvimento de novos trabalhos, em especial, os que visam estudar o potencial dos corais brasileiros, são de suma importância para entender a dinâmica do Atlântico Tropical no passado.
Figura 2.1 – Mapa esquemático indicando as localizações aproximadas de sítios de pesquisas paleoclimáticas.
Nesse contexto, o estudo paleoclimático apresenta uma perspectiva de melhor compreensão das causas e efeitos da variabilidade climática natural e possíveis influências antropogênicas (OLIVEIRA et al., 2015). Uma vez que, com o auxílio dos proxies, simulações climáticas desenvolvidas por modelos computacionais capazes de recriar o clima do passado podem ser verificadas. O fluxo dessas informações, combinadas à dados meteorológicos e climáticos servem como base para criação de modelos climáticos mais robustos. Esses modelos aprimorados proporcionam a realização de previsões mais precisas sobre quais os padrões de clima podemos esperar no futuro (HAYWOOD et al., 2019).
▪ Siderastrea stellata
A espécie Siderastrea stellata (Verrill, 1868) é um coral hermatípico endêmico das águas brasileiras bastante comum no nordeste do país (Figura 2.2), presente nas ilhas oceânicas Atol das Rocas, Arquipélago de Fernando de Noronha, Arquipélago de Abrolhos e Trindade, além de ser amplamente distribuída ao longo do litoral desde o Maranhão até o norte do Rio de Janeiro (LEÃO, 1986; NEVES, 2004).
Figura 2.2 – Foto de uma colônia do coral S. stellata em uma piscina no Atol das Rocas.
Dentre os corais vivos que existem no Atol das Rocas, área de estudo deste trabalho, essa espécie é predominante. Além disso, é uma espécie que desempenha um papel importante na colonização dos locais mais expostos as radiações solares e sujeitas à dessecação (SILVA, 2009). Seu crescimento é relativamente pequeno, cerca de 2.73±035 mm/ano-1 (LINS-DE-BARROS; PIRES, 2006), com valores máximos registrados de 6.8±0.7 mm/ano–1 (AGOSTINHO, 2013), o que permite à espécie ter a capacidade de armazenar uma quantidade maior de informações em colônias pequenas.
Em estudos paleoclimáticos, corais do gênero Porites sp. e Montastrea sp. são os mais utilizados, devido à sua ampla distribuição e taxa de crescimento elevada, que permite um maior desenvolvimento das colônias, além desses gêneros apresentarem bandamentos anuais bem definidos (EAKIN; GROTTOLI, 2006). Não obstante, o gênero Siderastrea sp. tem-se mostrado promissor em estudos climáticos na América Central e Caribe (GUZMÁN, 1998; REUER et al., 2003; GISCHLER; OSCHMANN, 2005) e na costa Africana (SWART et al., 1998; MOSES et al., 2006a, b). Entretanto, algumas espécies apresentam um crescimento muito lento, como é o caso de S. radians (±0,13 cm/ano), o que pode resultar em interpretações equivocadas ou inverídicas. (MOSES et al., 2006b). Uma das grandes dificuldades de se estudar paleoclimatologia a partir deste gênero, principalmente através da espécie S. stellata, está na observação dos seus bandamentos, que muitas vezes não são bem definidos, sendo necessária a utilização de métodos de cronologia mais refinados.
2.2 A Utilização de Isótopos Estáveis e Elementos Geoquímicos na Paleoclimatologia
A utilização de razões elementais e isotópicas como traçadores naturais de origem e processos dinâmicos vem sendo empregado extensivamente em estudos de colaboração multidisciplinar (CAXITO; SILVA, 2015). Isótopos estáveis ocorrem de forma comum na natureza, e assim como uma diversidade de elementos traço, a sua incorporação e concentração no esqueleto variam de acordo com o ambiente em que vive o coral (SMITH et al., 1979; CROSS; CROSS, 1983; SHEN; BOYLE, 1987; SHEN; DUNBAR, 1995; HART; COHEN, 1996). Os principais marcadores geoquímicos utilizados nas reconstruções paleoclimáticas foram sumarizados na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Principais marcadores geoquímicos utilizados nas reconstruções paleoclimáticas.
Proxy Variável Ambiental Referências
Isótopos
δ18O*
TSM SALINIDADE PRECIPITAÇÃO
Weber; Woodhead, 1972; Linsley et al., 1994; Coob et al., 2003;Sun et al., 2005;
δ13C* MUDANÇA NA COMPOSIÇÃO
ISÓTÓPICA DA ATMOSFERA Cole; Fairbanks, 1990; Grottoli, 2000; Gonçalves, 2010. Δ 14C CIRCULAÇÃO DE MASSAS
D’ÁGUA
Frank et al., 2004; Grumet et al., 2004; Hirabayashi et al., 2017.
δ11B pH Allison; Finch, 2010; Anagnostou et al., 2012; Ross et
al., 2017; Jurikova et al., 2019. Elementos traço
Sr/Ca* TSM Smith et al., 1979; Beck et al., 1992; DeLong et al., 2011. Mg/Ca TSM Mitsuguchi et al., 1996; Wei et al., 2000.
U/Ca TSM Min et al., 1995; Corrège et al., 2000;
Pb/Ca POLUIÇÃO Dodge; Gilbert, 1984; Shen; Boyle, 1987.
Mn/Ca ANOMALIAS DE VENTO RESSURGÊNCIA
Shen et al., 1992; Carriquiry; Villaescusa, 2010; Thompson et al., 2015. Ba/Ca RESSURGÊNCIA DESCARGA DE RIO PRECIPITAÇÃO LaVigne et al., 2016; Brenner et al., 2017; Horta-Puga; Carriquiry, 2012. *Marcadores utilizados neste trabalho.
Com a ajuda da geoquímica, inúmeros registros sobre variáveis do clima baseado nos corais e em outros organismos que precipitam a aragonita têm sido documentados, com dados que se estendem desde pelo menos, meados dos anos 1700 (e.g. 335 anos [CROWLEY et al., 1997]; 200 anos [NOZAKI, et al.,1978; KUHNERT et al.,1999]; 173 anos [QUINN et al.,1993]; 160 anos [SWART et al., 1996]). A obtenção desses registros geoquímicos é indispensável para a ciência, e contribuem de maneira efetiva no fornecimento de dados mais confiáveis sobre o comportamento da oscilação climática nos oceanos tropicais, tal como a frequência de eventos que provocaram mudanças ao longo do tempo.
Uma das principais aplicações dessas assinaturas geoquímicas em organismos carbonáticos é a reconstrução da curva de temperatura dos oceanos, que tem recebido uma atenção crescente na comunidade científica (SMITH et al., 1979; BECK et al., 1992; COLE et al.,1993; DE VILLIERS et. al.,1995; MIN et al., 1995; MITSUGUCHI et al., 1996 ; COHEN
et al., 2001; KUHNERT et al., 1999; REUER et al., 2003; PEREIRA et al., 2015, 2017), principalmente diante do enorme risco enfrentado pela biodiversidade, perante as mudanças no ecossistema marinho, induzidas pela rápida mudança climática já em andamento, assunto este, amplamente discutido no mais recente relatório especial do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas - IPCC (BINDOFF et al., 2019).
Frequentemente nas últimas décadas, em especial nos últimos anos, os oceanos tem registrado recordes de aquecimento, e essa elevação da TSM tem sido mais pronunciado no Oceano Atlântico em comparação com a maioria das outras bacias (CHENG et al., 2019; CHENG et al., 2020). Tais mudanças ambientais representam claramente altos riscos à biodiversidade, portanto, é de extrema importância saber como os corais brasileiros estão reagindo a esse aumento. Além disso, como a temperatura é um dos principais parâmetros controladores da incorporação dos elementos no esqueleto, e que nos permitem inferir, direta ou indiretamente, sobre diversas condições atmosféricas pretéritas (KUHNERT et al., 1999; MAYAL et al., 2009), a utilização de dados geoquímicos fornecem alguns dos únicos registros confiáveis sobre a variação da TSM (PÄTZOLD, 1984), salinidade (COLE; FAIRBANKS,1990), e aumento do processo de acidificação oceânica da região, especialmente numa área onde há elevada carência de dados instrumentais. Sendo assim, esse estudo analisará as relações de Sr/Ca, δ18O e δ13C, brevemente descritas adiante.
▪ Sr/Ca como Proxy para Temperatura
O estrôncio possui um tempo de residência relativamente longo na água do mar, com concentrações quase constantes ao longo do tempo abordado na maioria dos estudos paleoclimáticos (SWART 1981; SWART; HUBBARD, 1982; BECK et al., 1992; SHEN; DUNBAR, 1995), e o seu conteúdo nos corais é relativamente alto. A razão do estrôncio em relação ao cálcio (Sr/Ca) no esqueleto desses organismos tem sido estudada em maiores detalhes nas últimas décadas (e.g. WEBER, 1973; GREEGOR et al., 1997; COHEN et al., 2001; ALLISON et al 2001; GOODKIN et al., 2005; -EVANGELISTA et al., 2018), sendo apontado como um proxy bastante promissor de monitoramento da TSM, uma vez que os corais possuem esqueletos compostos da aragonita, que incorporam tanto o estrôncio como cálcio em sua estrutura.
O coeficiente de distribuição do Sr/Ca entre a aragonita e água do mar é dependente de temperatura. Desta maneira, a análise dessa razão em organismos carbonáticos contribui para
reconstrução da curva de temperatura dos oceanos (SMITH et al., 1979; BECK et al., 1992; MIN et al., 1995; MITSUGUCHI et al., 1996; WEI et al., 2000) com um alto grau de confiabilidade cronológica, fornecendo dessa forma, ótimos registros do passado das condições ambientais e climáticas (LOUGH; BARNES, 1990; SWART et al., 1996, DRUFFEL, 1997; GROTTOLI, 2001).
▪ δ18O como Proxy para Temperatura
Há mais de 30 anos a composição isotópica do oxigênio em esqueletos de corais tem sido largamente utilizada em reconstituições climáticas (KUHNERT et al., 1999). A utilização mais comum do δ18O está relacionada a obtenção de estimativas de longo prazo das variações de TSM local que vão desde décadas a séculos recentes (WEBER; WOODHEAD, 1972; PÄTZOLD, 1984; COLE; FAIRBANKS, 1990; DUNBAR et al., 1994; DE VILLIERS et al., 1995; QUINN et al., 1993, 1996; BRENNER et al., 2016). No entanto, verifica-se que os valores de δ18O do oceano apresentam-se mais variáveis que os valores de Sr/Ca (CAHYARINI et al., 2008 a, b). Essas variações estão relacionadas a processos de evaporação/precipitação e escoamento superficial, e consequentemente existe a possibilidade de utilizar o δ18O para inferir sobre a salinidade da água do mar, uma vez que uma alta evaporação favorece um aumento do δ18O na água do mar e consequentemente, uma maior salinidade; e uma alta precipitação ou escoamento têm efeitos opostos (FELIS; PÄTZOLD, 2004). Tal característica é capaz de refletir a variabilidade do sistema ENSO, como foi observado em alguns trabalhos com corais de idades que variam de algumas décadas (SHEN et al.,1992) a alguns séculos (COLE; FAIRBANKS, 1990; COLE et al., 1993), no qual os autores verificaram que os corais monitoram as variações de salinidade induzidas pela pluviosidade em regiões com pouca variação de TSM.
▪ δ13C como Proxy para CO 2
A interpretação de valores de isótopos estáveis de carbono (δ13C) em corais ainda é complicada, uma vez que sua incorporação no esqueleto desses organismos é fortemente governada pelos mecanismos fisiológicos desses animais, por exemplo: respiração, alimentação, atividade fotossintética por simbiontes (SWART, 1983; GROTTOLI; WELLINGTON, 1999; WENDLER et al., 2013), efeito cinético (MCCONNAUGHEY, 1989; MCCONNAUGHEY et al., 1997), e pH (ADKINS et al., 2003). Uma das principais causas do
desequilíbrio isotópico é a reincorporação de CO2 metabólico isotopicamente mais leve (ZERFASS et al., 2011).
Além da variação anual do C13, diversos pesquisadores tem notado uma tendência, a longo prazo, de valores mais baixos de C13 no esqueleto dos corais (QUINN et al., 1998; SWART et al., 2010; PEREIRA et al., 2018; LINSLEY et al., 2019). O declínio do C13 nos corais é relatado em diversos estudos com corais (e.g. NOZAKI et al.,1978; QUINN et al.,1998; SWART et al., 2010), e é atribuído a adição de CO2 nos oceanos, como resultado da ação antrópica (SUESS, 1955). Essa mudança atualmente é conhecida como Efeito Suess (KEELING, 1979), em resposta ao aumento de CO2 atmosférico que reduz o CO3-2 disponível, reduzindo dessa forma a calcificação e desenvolvimento do tecido vivo da colônia, desencadeando uma menor resistência desses organismos as oscilações de temperatura crescente dos oceanos.
Devido à escassez de registros proxy e estudos paleoclimáticos no Atlântico Sul em relação à outras regiões do mundo, esta é uma área que demanda de novos estudos. A utilização e interpretação de marcadores acima citados, na espécie Siderastrea stellata, ainda é algo muito novo, e não tem gerado um consenso na comunidade científica, principalmente devido as dificuldades e contrastes que envolvem a espécie. Além disso, como não há ainda um banco de dados robusto, e as pesquisas estão concentradas apenas em alguns pontos específicos do Atlântico, a calibração dos dados isotópicos dessa espécie é dificultada. Sendo assim, a produção de mais trabalhos deste cunho se faz necessário, para que seja possível preencher as lacunas da história do passado do Atlântico Tropical que podem estar guardadas nos recifes.
2.3 A Variabilidade Climática no Atlântico Tropical
A existência de modos de variabilidade oceânica tem grande importância na modulação do clima global, e apresentam-se regularmente desde frequências sazonais a periodicidades multidecadais (XIE; TANIMOTO, 1998; MELICE; SERVAIN, 2003, HUANG et al.,2004; WAINER et al.,2008). Tal variabilidade tem como força motriz a absorção de radiação solar, que possui influência direta na TSM entre os hemisférios (HASTENRATH, 1984; CHANG et al.,1997, WAINER et al.,2008). Esta distribuição de calor do equador para as altas latitudes é
uma das principais propriedades oceânicas que influenciam as condições climáticas de várias regiões. Os gradientes térmicos formados nesses processos auxiliam de maneira ativa na determinação dos mecanismos de circulação atmosférica, essas conexões conduzem, consequentemente, uma sucessão de efeitos que refletem esses padrões tanto nos continentes quanto nos oceanos (HASTENRATH, 1984; DIAZ; KILADIS, 1995).
O oceano Atlântico Tropical é uma região caracterizada pela grande variabilidade climática sazonal e interanual que impacta diretamente os continentes circundantes. Tal versatilidade está associada à diversidade de sistemas oceano-atmosféricos que ocorrem na região, e interação remota de outros fenômenos. Embora haja um número considerável desses sistemas, este trabalho limitar-se-á ao estudo das interações de grande escala, ou seja, as relações da Zona de Convergência Intertropical no Atlântico Sul, do Gradiente Meridional de Temperatura no Atlântico, e da influência externa do El Niño Oscilação Sul na região do Atlântico equatorial sobre o regime de precipitação de Rocas e variabilidade da TSM local, uma vez que, o tempo de atuação desses mecanismos de modulação climática é referenciado na literatura como os que apresentam influência mais relevante no desenvolvimento e incorporação de dados geoquímicos em corais, passíveis de detecção (EVANGELISTA et al., 2007, 2018; MITSUGUCHI et al., 2008; BRENNER et al., 2016; KRAWCZYK et al., 2020).
▪ Zona de Convergência Intertropical
A Zona de Convergência Intertropical – ZCIT é um dos principais sistemas atmosféricos da região equatorial, responsável por ser o maior contribuidor para a variabilidade sazonal e anual do Atlântico Tropical (STRAMMA; SCHOTT, 1999), e por exercer grande influência na determinação dos regimes de precipitação dos trópicos.
A região sob a ação da ZCIT é marcada pela confluência dos ventos alísios, que transportam calor e umidade proveniente principalmente dos oceanos, e que ao ascenderem verticalmente, favorecem a formação da banda de nebulosidade característica desse sistema (FERREIRA; MELLO, 2005; FUNCEME, 2019).
Anomalias termodinâmicas de grande escala nos Oceanos Atlântico e Pacífico controlam o deslocamento desse sistema (NOBRE; SHUKLA, 1996; HASTENRATH; LANB, 2004), que apresenta um posicionamento médio localizado próximo ao equador térmico (5ºN). No Atlântico a ZCIT exibe ciclo anual de deslocamento meridional, posicionando-se mais ao
norte entre os meses de agosto e setembro (inverno Austral), e mais ao sul entre março a abril (verão Austral) (FERREIRA; MELLO, 2005; CARVALHO; OYAMA, 2013) (Figura 2.3). Sua migração está também associada às posições e intensidades dos centros de alta pressão subtropical do Atlântico Norte (ASAN) e Sul (ASAS), que deslocam as massas de ar originando os ventos de Alísios de Nordeste e Sudeste, respectivamente, e ao convergirem estabelecem o seu posicionamento (MOURA; SHUKLA, 1981; KAYANO; ANDREOLI, 2009).
Figura 2.3 – Esquema do posicionamento médio da ZCIT durante os meses de Janeiro e Julho.
Fonte: Adaptado de CPTEC (2018) apud Diário do Nordeste (2018).
Por estar diretamente associada à formação de nebulosidade, ao deslocar-se, a ZCIT altera os padrões de atividade convectiva tanto no continente como nos oceanos, o que também favorece alterações da TSM (UVO, 1989; FERREIRA; MELLO, 2005; CARVALHO; OYAMA, 2013) (Figura 2.4).
Figura 2.4 – Média climatológica (1958-2010) da TSM (ºC) para os meses de Janeiro e Julho na bacia do Atlântico Tropical.
▪ Gradiente Meridional de Temperatura (GradATL)
Específico do oceano Atlântico, o Modo Meridional do Atlântico ou Gradiente Meridional de Temperatura (GradATL), é um modo variabilidade caracterizado por um gradiente anômalo de TSM inter-hemisférico, que está associado ao fluxo de calor latente nas duas bacias (CARTON et al., 1996). Este modo de variabilidade apresenta fases positivas e negativas (Figura 2.5), com sinais mais fortes na escala sazonal (MERLE et al., 1980; GÓIS et al., 2003), sendo dominante no AT durante o outono austral (DE SOUZA et al., 2004). Além disso, diversos trabalhos detectaram esse mecanismo com periodicidade sempre oscilando em torno de um sinal decadal entre 8 e 20 anos (MOURA; SHUKLA, 1981; SERVAIN, 1991; MEHTA; DELWORTH, 1995; CHANG et al.,1997; FONTAINE et al.,1999). Flutuações de TSM com sinal interanual a multidecadal também foram observadas em registros de corais do Pacífico, ajudando a preencher uma grande lacuna nas reconstruções climáticas históricas (DUNBAR et al.,1994; CROWLEY, 1997; QUINN et al.,1998), além de nortear pesquisas que visam explicar tais variabilidades na bacia do Atlântico.
Figura 2.5 – Esquema gráfico da influência do GradATL em Sistemas Atmosféricos na bacia do Atlântico. (a) Período Seco – Caracterizando o GradATL+; (b) Período Chuvoso – Caracterizando o GradATL–.
Fonte: Adaptado de Sasaki (2014).
O GradATL em sua fase positiva, modula a TSM através de uma anomalia positiva no Atlântico Tropical Norte (ATN) e anomalia negativa no Atlântico Tropical Sul (ATS) (SERVAIN, 1991). As águas tendem a ficar mais quentes do que as do ATS, uma vez que essa anomalia enfraquece os alísios de nordeste, favorecendo movimentos descendentes dos altos
níveis da atmosfera e transportando ar frio e seco sobre a região norte do hemisfério sul, dificultando a formação de nuvens e diminuindo a precipitação (REBOITA; SANTOS, 2014). Em sua fase negativa, o efeito oposto acontece, a TSM fica mais fria no ATN e mais quente no ATS, contribuindo para um aumento movimentos ascendentes no norte e nordeste do continente sul americano e AT, beneficiando o aumento da formação de nuvens e precipitação. Essa variabilidade está altamente correlacionada com o deslocamento meridional da ZCIT (SERVAIN et al., 1998a) (Figura 2.5), por exemplo, quando há um deslocamento anormal de alguns graus no seu posicionamento ao norte, uma anomalia de TSM é observada, com valores mais quentes no hemisfério norte e mais frios no hemisfério sul (HOUNSOU-GBO, 2015).
Eventos que geram instabilidade atmosférica, como alterações no padrão dos alísios, modificam todo o padrão de circulação, que interferem no regime pluviométrico e impactam ecossistemas marinhos e áreas costeiras adjacentes (SERVAIN et al., 1998b). Essas mudanças na distribuição regional e na intensidade de precipitação tem provocado uma maior incidência de eventos extremos no ATS (BELLOMO et al., 2015), e como consequência, organismos de ambientes recifais estão sujeitos a condições de estresse com maior frequência (FREITAS et al., 2012).
▪ El Niño Southern Oscillation (ENSO)
O ENSO é um fenômeno oceânico-atmosférico caracterizado por um aquecimento anômalo das águas superficiais do Oceano Pacífico Tropical, que interfere no padrão de ventos e pressão atmosférica, alterando os padrões climáticos regionais e global (GERÓLAMO; KAYANO, 2010).
De periodicidade irregular, este fenômeno pode manifestar-se em média a cada 3-5 anos apresentando duração de 9 a 12 meses. A influência do ENSO é evidenciada em anomalias de diversas variáveis como ressurgência; cobertura de nuvens; temperatura do ar e superfície do mar; pressão ao nível do mar, e no Brasil, principalmente nos regimes de precipitação do país (BJERKNES, 1969; HASTENRATH, 1984; CHANG et al.,1997; UVO et al.,1998; WAINER et al., 2008; GERÓLAMO; KAYANO, 2010).
A variabilidade sobre o oceano Pacífico equatorial, está sob o controle do gradiente de pressão entre o Pacífico Central e Oeste (conhecido como Oscilação Sul), e interage diretamente com a circulação de Walker, que é uma corrente atmosférica tropical composta de ar e vapor
d'água, que desloca-se zonalmente, movimentando-se devido as diferenças de temperatura e de pressão entre os oceanos e continentes, interferindo diretamente no padrão climático em várias regiões do planeta (BJERKNES, 1969; BARRY; CHORLEY 2010; KAYANO et al., 2011) (Figura 2.6).
Este mecanismo tem ocorrência inversamente associada às variações da circulação de Walker, alternando em fases positivas e negativas. Às vezes, no entanto, a Oscilação Sul não está em evidência, e nenhuma fase é dominante – Anos Neutros (BARRY; CHORLEY 2010). Figura 2.6 – Principais regiões afetadas por anomalias de precipitação e temperatura durante a fase positiva (El Niño) do fenômeno ENSO.
Fonte: Adaptada de Australian Bureau of Meteorology, 2016.
O modo de variabilidade deste fenômeno oscila entre dois extremos, o El Niño (EN) e La Niña (LN), que atingem sua fase madura entre novembro e janeiro (Figura 2.7).
Em sua fase positiva, quando a circulação de Walker fica mais fraca, ocorre o aquecimento da troposfera na região tropical, e em decorrência disso, há o acumulo de águas quentes nesta bacia oceânica caracterizando o EN (GARRISON, 2016).
A elevação da temperatura dessas águas marinhas chega ao Atlântico por intermédio do ramo descendente da circulação de Walker que faz a conexão atmosférica entre os oceanos (Figura 2.7), influenciando na variabilidade do clima regional (ANDREOLI; KAYANO, 2007; MOURA et al., 2009; REBOITA; SANTOS, 2014), principalmente nos regimes de precipitação
e consequentemente na variabilidade da TSM do Atlântico (MOURA; SHUKLA, 1981) no nordeste do Brasil (doravante NEB). Diversos trabalhos relatam tais influências em vários pontos do Atlântico Tropical (e.g. HASTENRATH, 1984; LAMB, 1983; ALEXANDER et al., 2002; RODRIGUES et al., 2011, 2015; SOPPA et al.,2011).
Em sua fase negativa, quando a circulação de Walker fica mais forte, ocorre o resfriamento anômalo das águas do Pacífico caracterizando o LN (Figura 2.7). No nordeste da América do Sul, tal fenômeno é observado no aumento anormal dos valores de precipitação, e consequentemente na diminuição da TSM no Pacifico Tropical Leste, ocorrendo geralmente após episódios do EN, complementando a Oscilação Sul (PHILANDER, 1985).
Figura 2.7– Esquema gráfico do padrão de circulação atmosférica em anos de ocorrência do fenômeno EN, LN, e Anos Neutros.
Coincidentemente, fases positivas do ENSO, ocorrem geralmente quando há fortes eventos de anomalias positivas do GradATL, mostrando como a influência da propagação desses eventos oceânico-atmosféricos remotos podem interferir nos mecanismos de variação de TSM no AT (CHANG et al., 2000), como é observado em alguns estudos que tratam dessas teleconexões entre o ENSO, GradATL e a Oscilação do Atlântico Norte (e.g. XIE; CARTON, 2004; CHANG et al., 2006; REBOITA; SANTOS, 2014; BELLOMO et al., 2015), dada a importância que esses mecanismos apresentam, sobretudo na variabilidade da chuva no NEB (MOURA; SHUKLA, 1981; NOBRE; SHUKLA, 1996; ARAÚJO et al., 2007; PRADO; WAINER, 2013; ARAÚJO et al., 2013; NÓBREGA et al., 2016).
Tais fenômenos, além de provocarem oscilações na TSM, induzem flutuações na salinidade da água do mar, alterando as concentrações elementares na calcificação de diversos organismos carbonáticos e produzindo grandes respostas fisiológicas nos corais dos recifes no mundo (e.g. GLYNN. P. W.; D'CROZ, 1990; WARWICK et al.,1990; QUINN, et al., 1998; WILKINSON et al., 1999; SUN et al., 2005; EVANGELISTA et al., 2007; WILKINSON; SOUTER, 2008; KELMO; ATTRILL 2013), sendo também documentadas sobre os corais de Rocas (e.g. LEÃO et al., 2008, 2016; FERREIRA et al., 2013; PEREIRA et al., 2015).
De fato, o desenvolvimento e sobrevivência dos organismos de ambientes recifais é dependente da soma de vários componentes climáticos, que interagem diretamente com a temperatura da água em que eles vivem. E diante dos estresses crescentes causados pela instabilidade do clima, que diminuem a capacidade de resiliência desses animais, a preocupação quanto ao futuro incerto desses ecossistemas tem se tornado cada vez maior (BINDOFF et al., 2019; CHENG et al., 2020). Entender como os corais do Atlântico Tropical respondem as variações ambientais auxilia, não somente, a compreender o comportamento do clima, como também a evolução e futuro da classe desses animais.
2.4 Área de Estudo: Atol das Rocas
O Atol das Rocas é o único atol na porção oeste do Atlântico Sul (3º51’S, 33º48’W), distando cerca 267 km da cidade de Natal-RN no nordeste do Brasil (Figura 2.8a). Trata-se de um recife elíptico com uma área de aproximadamente 5,5 km² (Figura 2.8b), desenvolvido no topo de um dos montes vulcânicos submarinos pertencentes a cadeia de formação de Fernando de Noronha (GROSSMAN, 2012), cuja base encontra-se a 4000 m de profundidade no leito oceânico (Figura 2.8c) (KIKUCHI; LEÃO, 1997).
Figura 2.8 – (a) Localização da Rebio Atol das Rocas; (b) Vista superior da reserva submersa, com escala de profundidade; (c) Perfil topográfico da cadeia de montanhas submarinhas pertencentes a sua formação.
Fonte: Adaptado de Estadão (2012)
O Atol das Rocas é considerado um santuário ecológico de extrema importância devido alta produtividade biológica, e por atuar como zona de fornecimento de alimento, abrigo e reprodução para várias espécies de organismos marinhos (KIKUCHI, 2002). Sendo uma reserva biológica relativamente distante da costa brasileira, e de acesso limitado a pesquisadores, os impactos antrópicos são reduzidos. Essa condição favorece o desenvolvimento das espécies que lá vivem, bem como das que utilizam os recursos produzidos no recife, além de possibilitar a realização de pesquisas que visam a conservação da vida marinha e o entendimento de como esses ambientes são impactados pelas alterações climáticas crescentes.
De modo geral, as poucas e principais informações de cunho meteorológico para o Atol das Rocas descritas a seguir, estão contidas nos trabalhos realizados por Kikuchi & Leão (1997), Kikuchi (2002), e no relatório do Plano de Manejo da Reserva desenvolvido pelo ICMBIO (2007), órgão responsável pela gerência da unidade de conservação ambiental. A obtenção de
dados climáticos é esporádica e impreciso, uma vez que não existe estação de monitoramento meteorológico local. A implantação de uma estação no local não foi consolidada devido à grande quantidade de aves marinhas que ali se abrigam, impossibilitando a permanência de equipamentos destinados a esse fim. Em tentativas anteriores, os equipamentos foram danificados em consequência do acúmulo de guano produzido pelas aves1. O que eleva a importância de outros meios de obtenção de dados climáticos, como por exemplo, através das informações retidas nos exoesqueletos de corais.
O atol é banhado pela Corrente Sul Equatorial com direção constante para o oeste (GÓES, 2006) e velocidade média de 30 cm/s (RICHARDSON; WALSH, 1986), localizado na região conhecida como piscina quente do Atlântico (CINTRA et al., 2015), uma região que não possui uma grande variabilidade na Temperatura da Superfície do Mar (TSM) ao longo do ano, uma vez que este se encontra muito próximo da zona equatorial. A TSM média é de aproximadamente 27.4°C, variando entre 24ºC a 30ºC, e salinidade na superfície variando entre 36 a 37‰ (KIKUCHI, 2002). As piscinas naturais apresentam profundidades de 1-5 m durante a maré-baixa, e algumas delas possuem conectividade direta com o exterior do atol permitindo a circulação contínua da água.
A reserva possui um regime de mesomarés semidiurno, com ondas que podem atingir 4 metros de altura (GROSSMAN et al., 2012). Sob influência dos ventos alísios, as ondas estão concentradas principalmente na porção sudeste (Barlavento), no entanto, a refração de ondas na plataforma do atol pode também gerar grandes arrebentações de ondas na porção oeste e sudoeste (Sotavento) deste recife (GHERARDI; BOSENCE, 2001). De acordo com Kikuchi (2002), os ventos do atol apresentam certa sazonalidade, onde no verão a frequência dos ventos é de 45% de sudeste, 35% de leste. Nos meses de inverno, ocorre uma intensificação dos ventos provenientes do Sudeste, que apresentam uma frequência de 70%, e para o leste 25%. A velocidade máxima podendo atingir 15m/s..
Segundo Schulz-Neto (1998) e dados da Marinha do Brasil disponíveis no Plano de Manejo da Reserva Biológica do Atol das Rocas (ICMBIO, 2007), a pluviosidade anual varia entre 1.250 e 1.500 mm, apresentando o período chuvoso entre os meses de março e julho, com o máximo de precipitação ocorrendo no mês de abril (250 mm). Outubro é considerado o mês mais seco, no qual o volume de precipitação pode atingir 6 mm.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Para o desenvolvimento desta pesquisa, seguiram-se três fases de investigação sumarizadas na Figura 3.1. A etapa inicial consiste na caracterização da variabilidade climática do Atol das Rocas, através da análise isolada das séries temporais dos dados ambientais (TSM e Precipitação) ao longo de todo o período de crescimento da colônia estudada. Seguida da
etapa de identificação dos ciclos isotópicos, onde foi possível se ter um controle dos dados
sobre a linha temporal, ano após ano. Por fim, realizou-se a etapa de investigação dos dados
biogeoquímicos de Siderastrea stellata em função dos resultados obtidos na etapa inicial. Para
tanto, buscou-se utilizar um conjunto de dados que melhor representasse a região de estudo, e permitisse obter informações específicas para o local, não sendo, portanto, utilizados dados de outras regiões para análises.
Figura 3.1 – Estágios de desenvolvimento desta pesquisa.
3.1 Dados Ambientais
▪ Dados de TSM2
Utilizaram-se dados de TSM mensal, disponíveis na plataforma do National Oceanic & Atmospheric Administration – Extended Reconstructed Sea Surface Temperature (ERSST) v5. Essa base de dados apresenta TSM reconstruídas com médias mensais, dispostos originalmente em uma grade horizontal com resolução de 2º x 2º de espaçamento (HUANG et al., 2017). Os dados foram extraídos por interpolação para a região do Atol, dentro do período de interesse central desta pesquisa (idade da espécie de coral estudada até o dia que foi coletado), gerando uma série temporal de 55 anos, disponíveis desde 1958 até 2013.
Inicialmente, buscou-se identificar padrões através de uma análise estatística descritiva dos dados da série, além da representação gráfica de distribuição amostral, de decomposição e da média histórica mensal (doravante chamadas de médias climatológicas). Esta análise inicial, auxilia muitas vezes na identificação de sazonalidades, tendências e valores anômalos (CHECHI; SANCHES, 2013; MONTEIRO, 2017), além de ser através destas observações que os próximos passos das análises são definidos (EHLES, 2009).
Em seguida, foram calculadas as anomalias mensais, com base na seguinte equação descrita por Soppa et al., (2011):
Anomalia = (x – 𝑀é𝑑𝑖𝑎 𝐶𝑙𝑖𝑚𝑎𝑡𝑜𝑙ó𝑔𝑖𝑐𝑎) (6)
Onde: A anomalia do mês que deseja-se calcular é igual a diferença entre o valor mensal (x) e a média climatológica correspondente. Neste trabalho, a média climatológica corresponde ao um período de 1981-2010.
▪ Dados de ENSO3
Os anos de ocorrência do ENSO foram identificados através do Índice Niño Oceânico – ONI mensal (Monthly Niño-3.4 index), na região do Niño 3.4 (5oN-5oS, 120o-170oW), disponível no site da NOAA. Este índice é suficiente para determinar e fornecer a intensidade
2 Dados de TSM ERSST v5 disponível em: <https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/marineocean-data/extended-reconstructed-sea-surface-temperature-ersst-v5>
3 Dados ONI disponível em: <https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/detrend. nino34.ascii.txt>.
do fenômeno (TRENBERTH, 1997), que se configura a partir do limiar da anomalia de TSM média de ±0,5ºC (≥ 0,5°C e ≤-0,5°C), na região Niño 3.4 durante os meses de novembro a fevereiro (NDJF), época considerada como a fase madura do ENSO, e que classificam o fenômeno como: evento Fraco (anomalia TSM de 0,5º a 0,9ºC), Moderado (1,0º a 1,4ºC), Forte (1,5º a 1,9 ºC) e Muito Forte (≥ 2,0 ºC).
Os eventos do período de 1955-2013 e intensidades estão listados na Tabela 3.1 e correspondem, respectivamente, ao ano de desenvolvimento e de enfraquecimento do fenômeno. Esses dados foram utilizados nesse estudo apenas para a identificação de anos com possível influência em anomalias de TSM e Precipitação.
Tabela 3.1 – Ocorrência de El Niño e La Niña no período investigado, classificados de acordo com sua intensidade definida pelo índice ONI.
El Niño La Niña
Fraco Moderado Forte Muito Forte Fraco Moderado Forte
1958-1959 1963-1964 1957-1958 1982-1983 1964-1965 1970-1971 1973-1974 1969-1970 1968-1969 1965-1966 1997-1998 1971-1972 1995-1996 1975-1976 1976-1977 1986-1987 1972-1973 1974-1975 2011-2012 1988-1989 1977-1978 1994-1995 1987-1988 1983-1984 1998-1999 1979-1980 2002-2003 1991-1992 1984-1985 1999-2000 2004-2005 2009-2010 2000-2001 2007-2008 2006-2007 2005-2006 2010-2011 2008-2009 ▪ Dados de GradATL4
Para verificar uma provável influência do GradATL nas variações de TSM do Atol das Rocas, utilizou-se o índice AMM – Atlantic Meridional Mode, disponível através do site do Physical Sciences Laboratory – PSL/NOAA, que consiste na diferença entre as anomalias de TSM duas bacias do Atlântico Tropical: Norte (GradATL-N: 5 – 20°N, 60 – 30°W) e Sul (GradATL-S: 0 – 20°S, 30°W – 10°E). Utilizaram-se os dados correspondentes ao trimestre MAM, época em que a manifestação do GradATL é mais pronunciada (MOURA; SHUKLA, 1981; SERVAIN, 1991; NOBRE; SHUKLA, 1996; KAYANO et al., 2018), e que coincide com a estação chuvosa e período de maior TSM no NEB.
▪ Dados de Precipitação5
Para auxiliar nas investigações quanto as flutuações de TSM local, foram utilizados dados totais mensais de precipitação provenientes do ERA-5, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Estes dados abrangem um período máximo de observação compreendido entre 1979 a 2013, para um espaçamento de grade de 0,25º x 0,25º (C3S, 2017).
De posse dos dados, buscou-se, inicialmente, identificar padrões estatísticos descritivos para a série através do gráfico boxplot, que permite avaliar a simetria dos dados e sua dispersão. Para verificar o comportamento sazonal da precipitação na ilha, foi desenvolvida a normal climatológica padronizada da série, seguindo as recomendações da Organização Mundial de Meteorologia – WMO (2017), em que a normal é definida calculando-se o valor médio para cada mês de uma série temporal contínua de no mínimo 30 anos. Neste trabalho, a média climatológica corresponde ao período de 1981-2010, aqui denominada de climatologias mensais. Dessa forma, foi possível determinar o período chuvoso e seco para a região de estudo. O período chuvoso foi determinado de acordo com os três meses sequenciais mais chuvosos da climatologia, e o período seco durante os três meses sequenciais com o menor acúmulo de precipitação.
Em seguida para verificar a existência de tendência de intensificação ou diminuição do volume pluviométrico nas estações definidas anteriormente, foram calculadas as anomalias anuais e para os meses da estação chuvosa e seca, seguindo a metodologia adotada pelo CPTEC/INPE (2014) para monitoramento climático das chuvas no Brasil, dada na equação 7.
Anomalia de Precipitação = x – Valor Médio Climatológico (1981-2010) (7)
Para verificar a influência das anomalias termodinâmicas entre os oceanos Atlântico e Pacífico (ENSO e GradATL) sobre as anomalias de precipitação local, selecionaram-se os cenários onde os eventos ocorrem isolados ou simultaneamente (Tabela 3.2), de modo a favorecer ou não à ocorrência de precipitação, seguindo os trabalhos de Andreoli & Kayano (2007) e Amorim (2016). Neste ponto foi analisada apenas para a estação chuvosa de Rocas, por ser, segundo os autores, a estação mais afetada pela fase madura destas configurações:
1. Favorável – Ocorrência simultânea de LN e GradATL – (ATS mais aquecido que ATN); 2. Desfavorável – Ocorrência simultânea de EN e GradATL+ (ATS mais frio que ATN); 3. Neutro – Ausência da manifestação de ENSO e GradATL;
4. EN / GradATL- – EN com manifestação do GradATL no sentido Sul (ATS mais aquecido que ATN);
5. LN / GradATL+ – LN com manifestação do GradATL no sentido Norte (ATS mais frio que ATN);
6. GradATL fase Neutra ONI – Ocorrência de GradATL sem manifestação de ENSO.
Tabela 3.2 – Classificação dos anos de acordo com os cenários de ocorrência isolada ou simultânea de ENSO e GradATL, com base no banco de dados apresentado neste trabalho.
CENÁRIO OCORRÊNCIAS Favorável 1984 1985 1989 1999 2000 2001 2008 2009 2012 Desfavorável 1980 1983 1987 1998 2005 2007 2010 Neutro 1982 1990 EN/GradATL- 1992 1995 2003 LN/GradATL+ 2006 2011
GradATL fase Neutra ONI
