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Mikami Environmental Blog

Marine micro-organisms reveal the role of the South Atlantic in CO2 control

Publicado em 17 junho 2021

From the observation of the planktonic foraminifera species (a microorganism invisible to the naked eye) Globorotalia truncatulinoides, which inhabits the top of the water column in the oceans, scientists from the Geosciences Institute (IGc) and the School of Arts, Sciences and Humanities (EACH) ) from USP are managing to reconstruct the behavior of an oceanic feature called the South Atlantic Giro Subtropical, which occurs throughout the Brazilian coast in the last 70,000 years. It is an oceanographic phenomenon present throughout the year and has an influence on global warming.

In an article recently published in Scientific Reports, scientists show for the first time that, in the recent geological past, the South Atlantic Subtropical Gyre played a fundamental role in controlling the concentration of CO2 in the Earth's atmosphere. The study also shows that, if the southern limit of the gyre continues to shift to the south due to climate change, there will be additional CO2 emissions from the Southern Ocean, which bathes the Antarctic Continent.

Tainã Marcos Lima Pinho, who is taking his master's degree in Geosciences at IGc, under the guidance of professor Cristiano Mazur Chiessi, from EACH, and the main author of the article, explains that subtropical gyres are large circulation systems of surface currents that occur in all oceans . “This circulation is influenced by the action of the winds”, he describes. The gyres are huge reservoirs of heat and salinity and, as circulation is dynamic, there is a great exchange of energy between tropical and subtropical regions. For example, the eastern contour currents in the South Atlantic (which come from the South Pole, and permeate the African continent towards the north) carry cold, low salinity water towards the equator. The western contour currents, on the other hand, follow the opposite path, moving from the northeastern region of Brazil and heading towards the south pole, carrying hot water with high salinity. “The subtropical turns are defined by this set of superficial oceanic circulations”, highlights the scientist to Jornal da USP.

Changes in the strength, extent and geometry of gyres can alter the marine ecosystem and global climate

Tainã Pinho says that he has been working with species of planktonic foraminifera since his undergraduate studies. “These are microorganisms that calcify and float on top of the water column. They give us valuable information, for example, about the surface temperature in the ocean, salinity conditions and changes in primary productivity, important for understanding oceanic and climatic geological history”, he describes.

Species and turns

Through observations of the modern distribution of Globorotalia truncatulinoides, scientists were able to identify a strong relationship between this species and subtropical gyres, not only in the South Atlantic but also in the North.

Last year, as Tainã Pinho reports, scientists published work based on numerical models where they observed that subtropical gyres migrated towards the poles in the order of 0.1 degrees per decade, in the last 40 years. "As the subtropical gyres are reservoirs of heat and salinity, this migration should cause significant impacts on the marine environment", explains the scientist, noting that "there has been an increase in the temperature of the surface ocean current off the Brazilian coast in recent years, which has reduced the commercial fish stock”. Furthermore, according to the scientist, subtropical gyres are considered “ocean deserts” and, in general, a marked reduction in marine productivity has been projected due to the expansion of these “deserts”. “Changes in the strength, extension and geometry of the gyres can alter the marine ecosystem and the global climate,” he explains.

But, in addition to an analysis of the last 40 years, the study with the species Globorotalia truncatulinoides allowed IGc and EACH scientists to go back in time in key periods of the last 70,000 years. “We applied the relative abundance of this species as an indicator of the southern behavior of the South Atlantic Subtropical Gyre”, explains the scientist.

The researchers analyzed marine sediments that were collected near the mouth of the São Francisco River, between the states of Alagoas and Sergipe. The location where the sediments were collected marks the northern limit of the South Atlantic Subtropical Gyre. “We compared the percentage of Globorotalia truncatulinoides from these sediments with another record from the southern limit of the South Atlantic Subtropical Gyre. southern behavior of the South Atlantic Subtropical Gyre on a millenary scale for the last 70,000 years”, describes Tainã Pinho.

Our work highlights that ongoing changes in subtropical gyres towards the poles may further increase the release of CO2 into the Earth's atmosphere.

Heinrich Events

According to the researcher, the results indicate, for the first time, that the South Atlantic Subtropical Gyre migrated south during events of abrupt climate change, known as Heinrich events, and that occurred during the last ice age. These events are characterized by marked cooling in the Northern Hemisphere with the release of icebergs that reached the Iberian Peninsula.
 
The scientist explains that these changes are produced by the reduction in the intensity of the Southern Overturning Cell, which transports warm, saline and surface waters from the South Atlantic to the high latitudes of the North Atlantic. As a result, the South Atlantic experienced a drastic warming during the Heinrich events. And the results, based on the relative abundance of Globorotalia truncatulinoides, show that the migration of the South Atlantic Subtropical Gyre carried towards the South Pole the heat stored during most of the Heinrich events.

According to the scientists, this transport would have been responsible for strengthening the upwelling of the Southern Ocean, releasing substantial amounts of CO2 into the atmosphere. The warming of the Southern Ocean, according to Tainã Pinho, strengthens the westerly winds – which surround Antarctica – and a phenomenon called upwelling, which is the rise of water from the bottom to the surface. “In Antarctica, this upwelling causes a great amount of C02 to be emitted into the atmosphere”, explains the scientist. "Our work highlights that ongoing changes in subtropical gyres towards the poles may further increase the release of CO2 into the Earth's atmosphere, acting as positive feedback for global warming." The study is part of a research project funded by the Foundation for Research Support of the State of São Paulo (Fapesp) which is coordinated by Cristiano Mazur Chiessi.

For more information contact Tainã Marcos Lima Pinho, e-mail taina.pinho@usp.br, or Cristiano Mazur Chiessi, e-mail chiessi@usp.br

Published by Jornal da USP* on June 7, 2021
*University of Sao Paulo

Microrganismos marinhos revelam o papel do Atlântico Sul no controle do CO2

Cientistas constatam, por exemplo, que as mudanças em curso dos giros subtropicais em direção aos polos podem aumentar ainda mais a liberação de CO2 para a atmosfera terrestre

A partir da observação da espécie de foraminífero planctônico (microrganismo invisível a olho nu) Globorotalia truncatulinoides, que habita o topo da coluna d’água nos oceanos, cientistas do Instituto de Geociências (IGc) e da Escola de Artes, Ciências e Humanidades (EACH) da USP estão conseguindo reconstituir o comportamento nos últimos 70 mil anos de uma feição oceânica denominada Giro Subtropical do Atlântico Sul, que ocorre em todo o litoral brasileiro. Trata-se de um fenômeno oceanográfico presente durante todo o ano e que tem influência no aquecimento global.

Em artigo publicado recentemente na revista Scientific Reports os cientistas mostram pela primeira vez que, no passado geológico recente, o Giro Subtropical do Atlântico Sul teve um papel fundamental no controle da concentração de CO2 da atmosfera terrestre. O estudo também mostra que, caso o limite sul do giro continue se deslocando para o sul em função das mudanças climáticas, deverá haver emissões adicionais de CO2 do Oceano Austral, que banha o Continente Antártico.

Tainã Marcos Lima Pinho, que é mestrando em Geociências no IGc, sob a orientação do professor Cristiano Mazur Chiessi, da EACH, e principal autor do artigo, explica que os giros subtropicais são largos sistemas de circulação de correntes superficiais que acontecem em todos os oceanos. “Essa circulação é influenciada pela ação dos ventos”, descreve. Os giros são enormes reservatórios de calor e salinidade e, como a circulação é dinâmica, existe grande troca de energia entre regiões tropicais e subtropicais. Por exemplo, as correntes de contorno leste no atlântico sul (que vêm do polo sul, e permeiam o continente africano em direção ao norte) transportam águas frias e com baixa salinidade em direção ao equador. Já as correntes de contorno oeste, fazem o caminho inverso, se deslocando da região do nordeste brasileiro e seguindo direção ao polo sul, transportando águas quentes e com alta salinidade. “Os giros subtropicais são definidos por esse conjunto de circulações oceânicas superficiais”, destaca o cientista para o Jornal da USP.

Tainã Pinho conta que trabalha com espécies de foraminíferos planctônicos desde seus estudos na graduação. “São microrganismos que calcificam e flutuam no topo da coluna d’água. Eles nos dão informações valiosas, por exemplo, sobre a temperatura superficial no oceano, condições de salinidade e mudanças na produtividade primária, importantes para entender a história geológica oceânica e climática”, descreve.

Mudanças na força, extensão e geometria dos giros podem alterar o ecossistema marinho e o clima global

Relação espécie e giros

Por meio de observações da distribuição moderna de Globorotalia truncatulinoides, os cientistas puderam identificar uma forte relação entre essa espécie e os giros subtropicais, não só no Atlântico Sul como também no Norte.

No ano passado, como relata Tainã Pinho, cientistas publicaram um trabalho baseado em modelos numéricos onde observaram que os giros subtropicais migraram em direção aos polos na ordem de 0.1 grau por década, nos últimos 40 anos. “Sendo os giros subtropicais reservatórios de calor e salinidade, essa migração deve causar impactos significativos no ambiente marinho”, explica o cientista, ressaltando que “tem sido observado aumento na temperatura da corrente oceânica superficial ao largo da costa brasileira, nos últimos anos, que tem reduzido o estoque comercial pesqueiro”. Além disso, segundo o cientista, os giros subtropicais são considerados “desertos oceânicos” e, de maneira geral, tem sido projetada marcante redução na produtividade marinha em função da expansão desses “desertos”. “Mudanças na força, extensão e geometria dos giros podem alterar o ecossistema marinho e o clima global”, explica.

Mas, para além de uma análise dos últimos 40 anos, o estudo com a espécie Globorotalia truncatulinoides possibilitou aos cientistas do IGc e da EACH uma volta no tempo em períodos-chave dos últimos 70 mil anos. “Aplicamos a abundância relativa dessa espécie como indicadora do comportamento meridional do Giro Subtropical do Atlântico Sul”, explica o cientista.

Os pesquisadores analisaram sedimentos marinhos que foram coletados próximo à desembocadura do Rio São Francisco, entre os Estados de Alagoas e Sergipe. O local em que foram coletados os sedimentos marca o limite norte do Giro Subtropical do Atlântico Sul. “Nós comparamos a porcentagem de Globorotalia truncatulinoides desses sedimentos com um outro registro oriundo do limite sul do Giro Subtropical do Atlântico Sul. Com esses dados conseguimos traçar o comportamento meridional do Giro Subtropical do Atlântico Sul em escala milenar para os últimos 70 mil anos”, descreve Tainã Pinho.

Nosso trabalho destaca que as mudanças em curso dos giros subtropicais em direção aos polos podem aumentar ainda mais a liberação de CO2 para a atmosfera terrestre

Eventos Heinrich

De acordo com o pesquisador, os resultados indicam, pela primeira vez, que o Giro Subtropical do Atlântico Sul migrou para sul durante eventos de mudanças climáticas abruptas, conhecidos como eventos Heinrich, e que ocorreram durante a última era glacial. Esses eventos são caracterizados pelo marcante resfriamento no Hemisfério Norte com liberação de icebergs que alcançaram a Península Ibérica.

O cientista explica que essas alterações são produzidas pela redução na intensidade da Célula de Revolvimento Meridional, que transporta águas quentes, salinas e superficiais do Atlântico Sul até altas latitudes do Atlântico Norte. Como resultado, o Atlântico Sul passou por um drástico aquecimento durante os eventos Heinrich. E os resultados, baseados na abundância relativa de Globorotalia truncatulinoides, mostram que a migração do Giro Subtropical do Atlântico Sul transportou em direção ao Polo Sul o calor estocado durante a maior parte dos eventos Heinrich.

De acordo com os cientistas, esse transporte teria sido responsável por fortalecer a ressurgência do Oceano Austral, liberando quantidades substanciais de CO2 para a atmosfera. O aquecimento do Oceano Austral, segundo Tainã Pinho, fortalece os ventos de oeste – que circundam a Antártida – e um fenômeno chamado ressurgência, que é a ascensão das águas do fundo para a superfície. “Na Antártida essa ressurgência causa grande emissão de C02 para a atmosfera”, explica o cientista. “Nosso trabalho destaca que as mudanças em curso dos giros subtropicais em direção aos polos podem aumentar ainda mais a liberação de CO2 para a atmosfera terrestre, agindo como um feedback positivo para o aquecimento global.” O estudo faz parte de um projeto de pesquisa financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) que é coordenado por Cristiano Mazur Chiessi.

Mais informações com Tainã Marcos Lima Pinho, e-mail taina.pinho@usp.br, ou Cristiano Mazur Chiessi, e-mail chiessi@usp.br 

Publicado por Jornal da USP* em 7 de Junho, 2021

*Universidade de São Paulo

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