Geologia e Mudanças Climáticas

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Geologia e Mudanças Climáticas
Francisco William da Cruz Júnior 
Instituto Geociências da USP
Caverna Santana-Iporanga-SP 
Sumário de Aula
• Introdução ao Período Quaternário
• Forçantes climáticas no Quaternário
• Mudanças climáticas em escala orbital
• Mudanças climáticas em escala milenar
• Padrões climáticos em escala interannual a 
centenial 
• Aplicação de métodos geoquímicos na 
paleoclimatologia
• Futuros avanços na paleoclimatogia 
African Humid Period
Example:
• Africa was much 
wetter between ca. 15-
5 kyr BP.
• Most of Saharan 
Desert vegetated.
• Wetland faunal fossils 
found in hyperarid 
regions.
African Paleolake Sediments (Mali) (N. 
Roberts)
Os Arcaicos
Hipóteses ambientais sobre evolução 
humana
• Mudança evolutiva é 
concentrada em períodos 
relativamente curtos de 
mudança climática direcional 
(p. ex.: decréscimo constante 
de temperatura ou 
precipitação). Caracteres 
evolutivos ou mudanças na 
fauna (“turnover”) refletem 
diretamente a mudança de 
um tipo de habitat dominante 
para outro.
Pliocene-Pleistocene African Climate
0
1
2
3
4
d O
18
Glacial Interglacial
IRD
• Direct precessional insolation
forcing of monsoonal climate.
100 kyr
41 kyr
23-19 kyr
• African climate becomes
cooler-drier due to remote
forcing by high-latitudes
Age
(Myr)
African Climate
Variability
Forçantes Climáticas
Reconstituição Paleoclimática
“Instrumental records span only a tiny fraction of the Earth’s climatic 
history and so provides a totally inadequate perspective on climatic 
variation and the evolution of climate today” 
“Only when the causes of past climatic fluctuations are understood it will 
be possible to fully anticipate or forecast climatic variations in the future”
Raymond S. Bradley 
1800 1900 2000
-0.4
-0.2
0
0.2
T
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p
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 A
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o
m
a
ly
 (
°
C
)
1997
Quais são os padrões climáticos no passado da América do 
Sul? Relação com variações climáticas globais.
Objetivo: Ampliar registros instrumentais 
Instrumental
data
Historical data Corals Ice cores Lake sed.
Tree rings
Marine sed.
Eccentricity modulates precession
Ice-Albedo Forcing
Subtropical African dust export
• Separate winter and summer 
dust plumes 
• 600-800 x106 tonnes 
exported annually
• Export linked to aridity
• Dominates mineral fraction 
in adjacent deep-sea 
sediments
Mecanismo: T = Continente - Sup. Mar
Mecanismos Climáticos das 
Monções de Verão
T = TContinente - SST Atlântico Sul
d18O =(18O/16O)sample –
18O/16O)VPDB
(18O/16O)VPDB
Espeleotemas como indicador
paleoclimático e paleoambiental
U Series
238
U
Pa
Ra PbTh
Th
U
238
234
234
234
230 226 206
4.58 Ga
24.1 d
1.18 m
245 ka 75.4 ka



-
Decay of U to Pb
238 206
Províncias Cársticas
Botuverá
Santana
H2
16O (líquido) fluxo H2
16O (vapor)
H2
18O (líquido) H2
18O (vapor)
Fluxo 16 > Fluxo 18
Quantidade de chuva ou “amount effect”
-0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0
0
100
200
300
400
Estaçمo Fortaleza
M
éd
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ip
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(m
m
)
d
18
O
R²=0,66
Último Período Glacial
Estalagmite Bt2 Botuverá-SC
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
-5
-4
-3
-2
-1
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1
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Age (ky B.P.)
980
960
940
920
900
880
860
840
820
 
 In
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0
S
 (W
/m
2)
Cruz et al., Nature, 2005
23 ky
Botuverá-SC x Iporanga-SP
0 20 40 60 80 100 120
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
 Bt2 
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960
940
920
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880
860
840
820
 
 In
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tio
n
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b
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0
S
 (W
/m
2)
Cruz et al., EPSL, 2006
isotópico 
Variação 
Regional
de
Pluviosidade
Pluviosidade durante verão – Regime das monções
Valores mais baixos do d18O da chuva – 7 per mil
Pessenda, de Oliveira et al., QR 2009
Simulações através do ECHAN-4
Holoceno Médio 6k (by M.Vuille & M.Werner)
Precipitação
Razões Isotópicas 
de oxigênio
Cruz et al., Nature Geoscience, 2009
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
C
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c
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T
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(
%
)
Idade (ka A.P.)
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
 FN1
 RN1
 RN4
 média 12 anos
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N
 
 
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5
 
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850
860
870
880
890
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910
920
930
940
950
960
 
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-4.0
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
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 Idade (ka A.P.)
 
 
Expansão de Caatinga nos últimos 4 mil anos
Padrões de circulação atmosférica
e forçantes climáticas
Cruz et al., Nature Geoscience, 2009
Evidência de Período Glacial úmido na Amazônia
Climate change pattern in South America over the past 
250 ky and tropical biodiversity
Hai Cheng1,2*, R. Ashish Sinha3, W. Francisco Cruz4, R. Lawrence Edwards2, Fernando M 
d’Horta5, Camila C. Ribas6, Xianfeng Wang7
China
SC
RN
Peru
Padrões de biodiversidade na América do Sul
Testemunhos de Gelo
d = 0.69T -13.6
Concentração de gases do efeito estufa 
desde a Revolução Industrial: 
 
CO2 (dióxido de carbono) aumentou 30% 
 
CH4 (metano) aumentou 100% 
Padrões de Variação Climática 
Ciclos climáticos subdecadais a centeniais
SST= SST Atlântico Sul – SST Atlântico Norte
Ciclos climáticos subdecadais a centeniais
“See-Saw Hypothesis”
Decadal Variability
Wang et al., 2004, Nature
50 60 70 80 90 100 110 120 130
-5
-4
-3
-2
-1
0
B
t2
 
d
1
8
O
Age (ky B.P.) 
-46
-44
-42
-40
-38
-36
N
G
R
IP
 d
1
8O
Intensificação 
das monções de verão
Frio Hemisfério Norte 
Heinrich events
Teleconecção com o hemisfério norte
Wang et al., QSR, 2006
Variação da Atividade Solar
Climatologists and historians argue over exact start and end dates of LIA
LIA and European art
The Reverend Robert Walker 
Skating on Duddingston Loch 
(Scotland), attributed to Henry 
Raeburn, 1790s 
Winter landscape with iceskaters (Holland), c. 
1608, Hendrick Avercamp. 
Art compared with recent photographs
Painting from French Alps by 
Birman, soon after LIA.
Photo taken in 2000 (M. Hambrey)
Em busca de registros de alta resolução
The Last Millenium in South America
LIAMCA
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-7.5
-7.0
-6.5
-6.0
-5.5
-5.0
-4.5
-4.0
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NE Brasil
SE Brasil
Indo as Cavernas no Rio Grande do Norte …
Conclusões
• Dinâmica atual: relações clima/geoquímica
• Novo cenário paleoclimático do 
Quaternário tardio para variações de T e P
• Mecanismos climáticos: Insolação, 
Teleconexões c/ clima em alta latitude
• Potencial dos estudos de alta resolução
Conclusões
• A monções de verão podem ser intensificadas 
por mecanismos continentais e oceânicos. 
• Em escala orbital observa-se padrão antifásico 
entre chuvas no Nordeste e restante do Brasil
• Durante eventos Heinrich as chuvas das 
monções e a ITCZ são intensificadas e todo o 
Brasil torna-se úmido