Reconstituição paleoclimática e paleoambiental em estuários com base no registo micropaleontológico de foraminíferos : relação com indicadores de escala local, regional e global

Abstract

In recent years, many studies have sought to produce high-quality paleoclimatic reconstructions for the late Holocene based on high-resolution (annual or decadal) biological and/or chemical proxies, both providing a great amount of information on climate variability and change over the last two millennia. In this context, salt marsh sedimentary records have previously proved to be particularly suitable in unravelling anthropogenic impacts on coastal ecosystems from those caused by climate variability and other natural stressors, at local and regional scales, with intertidal benthic foraminifera providing consistent responses to the latter, specifically to relative sea-level change. This dissertation focuses on showing evidence of climatic variability and change from a collection of multiple proxy studies combining marsh benthic foraminifera assemblages, wine production (WP), grape harvest dates (GHD), bromine (Br) contents in tidal marsh sediments, and different datasets ranging from the last decades, using instrumental (temperature–precipitation) records, to the past two millennia, by means of reconstructions (temperature, Total Solar Irradiance – TSI and North Atlantic Oscillation – NAO) and regional model (temperature–precipitation) simulations, with the aim of reconstruct the paleoclimate history of the west coast of Portugal for the past 2000 years. Simultaneously, the sensitivity of marsh benthic foraminifera to climate change induced by solar activity (SA) – via hydrological balance (controlling the salinity baseline of the high marsh environment) – is assessed, to show their reliability as a paleoclimatic proxy to be integrated in forthcoming studies. For that, the foraminiferal records from two dated sedimentary cores collected in the northwest (Caminha salt marsh; Minho River) and southwest (Casa Branca salt marsh; Mira River) Portuguese coast have been carefully examined and compared. Since the marshes’ development in the 1300s, two compositionally distinct tidal marsh foraminiferal assemblages have been found, dominated by Haplophragmoides manilaensis and Trochamminita salsa/irregularis in the NW (Caminha) and by Jadammina macrescens and Trochammina inflata in the SW (Casa Branca), in accordance with their respective climate types. A number of revealed common key changes in the main assemblages’ composition has been attributed to larger scale climatic shifts, particularly as regards the transitions firstly from the Medieval Climatic Anomaly (MCA) to the Little Ice Age (LIA), and next from the LIA to the Current Warm Period (CWP) in the Iberian Peninsula, as well as to major temperature–precipitation excursions throughout the LIA and directly correlated with sustained negative phases of the NAO index in periods of lowest SA, known as Grand Solar Minima. It is also found, throughout the application of spectral and cross wavelet methods, that in the time span analyzed (from the 1300s to present), the signals of solar forcing in both foraminiferal and paleoclimatic records were intermittent, with the regional climate modulated by the solar secular Gleissberg cycle, especially after AD 1700–1750, following the Maunder Minimum (1645–1715). Besides, an important – and unexpected – feedback is achieved concerning Br in the sedimentary record from the two salt marshes. It is found that Br enrichment peaks, and its connection with organic matter (OM) – promoted by the climate-driven marsh dynamics involving the production/release of volatile Br compounds (as methyl bromide – CH3Br) to atmosphere – can be diagnostic, to some degree, of Grand Solar Minima and enhanced volcanic activity during those Grand episodes of SA. The CH3Br has an ozone (O3) depleting potential of 0.6, and belongs to Class I O3 depleting substances. Its multiple anthropogenic sources were subjected to phase-out under the Montreal Protocol and its amendments, the reason why natural emissions, as the ones from salt marshes, have become progressively more important contributors to stratospheric O3 loss processes. According to the results of the current work, based on the available knowledge about Br– OM relationships in terrestrial and marine ecosystems and moreover compatible with a wider recognized latitudinal (North-to-South) rising gradient on the salt marshes’ CH3Br emissions, it is plausible to assume (i) a switch in the marshes’ Br source/sink dynamic in response to future major excursions of SA and (ii) an increased total flux of CH3Br under a continued global warming trend. Overall, the novelty of this PhD dissertation lies in showing a broader role of marsh benthic foraminifera as indicators of changes in the climate system triggered by SA. Therefore, and not disregarding the great amount of effort still required in their improvement, the results presented here have some meaningful implications, namely on (i) a better understanding of patterns and causes of late-Holocene climatic variability in the west Iberian margin, (ii) the estimate of local and regional changes in hydro-climate and temperature in response to future solar variability, despite the current scenario of anthropogenic climate change, (iii) the research of trends and exposure of naturally produced brominated compounds in salt marshes worldwide, and (iv) the setting up of Br as a paleoclimate proxy linked to SA.

A emergência de questões relacionadas com o aquecimento global e as mudanças climáticas, em termos de disponibilidade de recursos e desenvolvimento sustentável, reforçou o interesse pelas Paleociências. Daí resultou a publicação de um número crescente de estudos visando obter reconstruções e interpretações paleoclimáticas para o Holocénico superior, com base em indicadores (proxies) biológicos e químicos de alta resolução (à escala anual e da década). Estes proxies, preservados em arquivos naturais como os sedimentos, as árvores ou o gelo, facultam informação relevante sobre a variabilidade e mudanças climáticas ocorridas nos últimos 1000 a 2000 anos, ou até num passado muito mais remoto. Permitem-nos assim ampliar consideravelmente a perspetiva acerca do funcionamento do sistema climático fornecida pelos registos históricos e instrumentais dos dois últimos séculos. Neste âmbito, os registos sedimentares dos sapais têm provado ser particularmente adequados para distinguir entre impactes antrópicos e efeitos naturais em ambiente costeiro, à escala local e regional, recorrendo ao estudo dos foraminíferos bentónicos da zona entre marés e à interpretação da resposta consistente perante a variabilidade do clima, e de forma mais específica, as alterações do nível médio do mar. A distribuição das associações de foraminíferos de sapal surge nitidamente relacionada com a altitude (acima do nível médio das marés) e o tempo de submersão do sedimento onde vivem, garantindo o seu enorme potencial de aplicação como indicadores paleoambientais. Para além desta relação inequívoca, as espécies dominantes encontram-se condicionadas pela geoquímica dos sedimentos e das águas intersticiais, refletindo a influência marinha (hidrodinâmica) no interior de cada estuário. Esta tese fornece registos de variabilidade e mudanças climáticas para o período préindustrial, a partir de um conjunto de artigos já publicados (Capítulos 2 a 8) ou em fase de revisão interpares (Capítulos 9 e 10), onde se combina a utilização de vários proxies, nomeadamente as associações de foraminíferos bentónicos de ambientes de sapal, as datas do início das vindimas (GHD), a produção de vinho (WP) e os teores de bromo (Br) em solos e sedimentos de sapal, com o objetivo de reconstruir a história paleoclimática da costa oeste de Portugal continental nos últimos 2000 anos. Simultaneamente, procura-se contribuir para o conhecimento da sensibilidade dos foraminíferos bentónicos, registada nos sedimentos, perante os agentes forçadores do clima, designadamente a atividade solar, por ação do balanço entre precipitação e evapotranspiração (P–ET), responsável pelo nível de base de salinidade do alto sapal, bem como mostrar a sua eficácia como proxy climático, passível de ser considerado e integrado em estudos futuros. Para tal, os registos de foraminíferos de duas sondagens de sedimentos, uma na costa noroeste (sapal de Caminha, rio Minho) e outra na costa sudoeste (sapal de Casa Branca, rio Mira) de Portugal, foram estudados, datados e comparados. Foi possível detectar um conjunto de modificações-chave comuns, quer nos registos sedimentares (foraminíferos e geoquímica), quer noutro tipo de registos (e.g., WP), relacionadas com variações climáticas de larga escala, sobretudo no que se refere à transição da Anomalia Climática Medieval para a Pequena Idade do Gelo na região da Península Ibérica. As variações de temperatura e precipitação de âmbito local, ocorridas durante a Pequena Idade do Gelo, surgem, por sua vez, correlacionadas com fases negativas do índice de Oscilação do Atlântico Norte (NAO), que ocorreram durante grandes mínimos de atividade solar. Verifica-se que desde o início da sua formação, desde o século XIV até ao presente, os sapais de Caminha e Casa Branca evoluíram sob uma influência climática diferenciada, à semelhança do padrão climático que observamos hoje nestas duas regiões da costa W portuguesa. Esta diferenciação encontra-se expressa pelas associações dominantes de foraminíferos do alto sapal. Sob condições de salinidade muito baixa, como as que se registaram em Caminha, no baixo estuário do rio Minho (a 3,5 km da foz), são essencialmente compostas pelas espécies aglutinadas Haplophragmoides manilaensis e Trochamminita salsa/irregularis, enquanto em Casa Branca, no estuário médio do rio Mira (a 13,0 km da foz), a maior influência marinha é revelada pelas associações dominadas por Jadammina macrescens e Trochammina inflata. Este contraste na microfauna parece refletir uma tendência de longo-prazo para o ganho da ET sobre a P, no balanço hidrológico na região SW, levando à prevalência de condições de maior salinidade em Casa Branca. A aplicação dos métodos de análise espectral e de coerência espectral e fase revelou que, para o mesmo período (séc. XIV à atualidade), o registo dos sinais solares nestes proxies (espécies de salinidade normal, na região NW, e T. inflata, na região SW) é descontínuo e que o ciclo secular de Gleissberg (50–80 anos) parece ter tido um papel importante na modulação climática regional; nomeadamente a partir de AD 1700 1750, ou seja, após o Mínimo de Maunder (1645–1715). Por último, a análise e a interpretação dos teores de Br, juntamente com a matéria orgânica (MO), ao longo do registo sedimentar das duas sondagens permitiu formular algumas conclusões significativas: os picos de concentração máxima de Br nos sedimentos, bem como a interdependência Br/MO – em estreita conexão com a dinâmica do sapal promovida pelo clima – podem evidenciar períodos de Grandes Mínimos de atividade solar e concomitante (elevada) atividade vulcânica. O CH3Br, composto volátil de Br, pertence à classe I das substâncias destruidoras de O3, com potencial de destruição de 0.6. Como as suas fontes antrópicas têm vindo a ser progressivamente eliminadas, no cumprimento do Protocolo de Montreal, as emissões naturais de CH3Br – entre elas as dos sapais – têm hoje maior importância relativa nos processos de destruição do O3 estratosférico. De acordo com os resultados da presente investigação – fundamentados no conhecimento disponível sobre a formação de compostos organobromados em ecossistemas terrestres e marinhos, e compatíveis com a observação do aumento das taxas de emissão de CH3Br pelos sapais em função de um gradiente latitudinal (Norte–Sul) de crescente temperatura – é plausível assumir (i) uma alternância no papel destes ambientes como fonte–sumidouro de Br em resposta a futuros episódios relevantes da atividade solar e (ii) um aumento do fluxo total de CH3Br num cenário de continuado aquecimento global. Acima de tudo, a inovação do trabalho compilado nesta tese consiste na revelação de uma vertente, ainda pouco explorada, do papel dos foraminíferos bentónicos de sapal como indicadores de mudanças climáticas induzidas pela dinâmica da atividade do Sol. Os resultados apresentados podem, por isso, ter algumas implicações pertinentes, quer na estimativa de mudanças locais e regionais na temperatura e no ciclo hidrológico, em face da futura variabilidade solar, quer na pesquisa de tendências e exposição a compostos organobromados em sapais de todo o mundo, bem como no reconhecimento do papel do Br como proxy de alterações paleoclimáticas ligadas à atividade solar.