Millennial-scale variability in eastern South American climate and western South Atlantic circulation during the last 70,000 years

• Main Author: Campos, Marília de Carvalho
• Other Authors: Chiessi, Cristiano Mazur
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP 2020
• Subjects: Heinrich Stadials; Temperatura da superfície do mar; Salinidade da superfície do mar; Rio São Francisco; Quaternário tardio; Precipitação; Ventilação oceânica; América do Sul; Circulação meridional do Atlântico; Atlântico Sul; South Atlantic; South America; Sea surface temperature; Sea surface salinity; São Francisco River; Atlantic meridional overturning circulation; Precipitation; Oceanic ventilation; Late Quaternary; Austral; Indian; Dansgaard-Oeschger events; North Atlantic; Planktonic foraminifera
• Online Access: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/100/100136/tde-19062020-163854/; https://doi.org/10.11606/T.100.2020.tde-19062020-163854

During the last glacial and deglacial periods, the Earth experienced several abrupt millennial-scale climate change events, named Heinrich Stadials (HS) and Dansgaard-Oeschger events. The HS in particular are commonly attributed to reductions in the strength of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC). Given the marked AMOC influence over global climate and the possibility of the AMOC to reduce its strength in the future due to ongoing climate change, the study of HS became a topic of key importance. Here we investigate the effects of last glacial and deglacial HS to eastern (E) South American hydroclimate as well as western South Atlantic oceanography. To do so, we studied marine sediment core M125-95-3 collected from the western tropical South Atlantic mid-depth (10.94°S, 36.20°W, 1897 m water depth), near the mouth of the São Francisco River (i.e., off E South America), spanning the last ca. 70,000 years. We produced radiocarbon ages from planktonic foraminifera, X-ray fluorescence analyses from bulk sediment samples, stable oxygen and carbon isotopic analyses from planktonic and benthic foraminifera, and Mg/Ca analyses from planktonic foraminifera. We conclude that the last glacial and deglacial HS were marked by positive precipitation anomalies over the São Francisco River drainage basin, and that this was the southernmost drainage basin from the South American Atlantic seaboard that experienced substantial increases in precipitation. We propose a new mechanism for explaining tropical South America HS positive precipitation anomalies. This mechanism involves austral summer precipitation increases only over E South America while the rest of tropical South America experienced precipitation increases during the winter, challenging the widely held assumption of a strengthened monsoon during HS. During the same abrupt events, the mid-depth western tropical South Atlantic experienced decreases in d13C and increases in sulfur (unprecedentedly used as a proxy for abrupt millennial-scale changes in bottom water ventilation) that we attributed to an increased Northern Component Water (NCW) residence time and to the accumulation of respired carbon at mid-depths. We also suggest that the negative d13C excursions progressively increase along the NCW southwards pathway, reaching its maximum in the western tropical South Atlantic from where the signal dissipates/dilutes by mixing with Southern Component Water. Regarding the upper water column, the western tropical South Atlantic surface waters were warmer and saltier during HS. Data from the Agulhas Leakage region also recorded similar features, however, with larger positive excursions. We conclude that the heat and salt imported from the Indian Ocean during HS were only partially transferred to the western tropical South Atlantic. Thus, Indian Ocean salt that eventually reached the high latitudes of the North Atlantic helping on the recovering of the AMOC was most probably transported mainly within the thermocline. Finally, the data shown herein indicate that past events of weak AMOC profoundly affected South American hydroclimate and western South Atlantic oceanography Durante a última glaciação e a última deglaciação, a Terra passou por vários eventos de mudanças climáticas abruptas, chamados Heinrich Stadial (HS) e Dansgaard-Oeschger. Os HS são comumente atribuídos a reduções na intensidade da célula de revolvimento meridional do Atlântico (CRMA). Dada a marcante influência da CRMA no clima global e a possibilidade da redução da sua intensidade no futuro devido às mudanças climáticas em curso, o estudo dos HS se tornou um tópico de suma importância. Nesta tese, os efeitos dos HS da última glaciação e da última deglaciação no hidroclima do leste (E) da América do Sul bem como na circulação do oeste do Atlântico Sul foram investigados. Para tanto, o testemunho sedimentar marinho M125-95-3 coletado em profundidades médias do oeste do Atlântico Sul tropical (10,94°S, 36,20°W, 1897 m de profundidade), perto da desembocadura do Rio São Francisco (i.e., margem E da América do Sul), foi estudado para os últimos ca. 70.000 anos. Para esse testemunho foram produzidas idades radiocarbônicas a partir de foraminíferos planctônicos, análises de fluorescência de raios-X em amostras de sedimento total, análises de isótopos estáveis de oxigênio e carbono em foraminíferos planctônicos e bentônicos, e análises de Mg/Ca em foraminíferos planctônicos. Concluiu-se que os HS da última glaciação e da última deglaciação foram marcados por anomalias positivas de precipitação sobre a bacia de drenagem do Rio São Francisco, e que esta foi a bacia de drenagem mais austral da costa sul-americana banhada pelo Atlântico que apresentou aumento substancial na precipitação. Um novo mecanismo foi proposto para explicar as anomalias positivas de precipitação na América do Sul tropical durante os HS. Este mecanismo envolve aumentos na precipitação de verão apenas sobre o E da América do Sul, enquanto o resto da América do Sul tropical apresentou aumentos de precipitação no inverno, desafiando a hipótese amplamente difundida de fortalecimento da monção nos HS. Durante os mesmos eventos abruptos, as profundidades médias do oeste do Atlântico Sul tropical apresentaram reduções de d13C e aumentos de enxofre (seu uso como indicador de mudanças milenares na ventilação de fundo é inédito), que foram atribuídos a um aumento do tempo de residência da massa de água de origem norte (MAON) e a um acúmulo de carbono respirado nas profundidades médias. Também foi sugerido que as excursões negativas em d13C aumentaram progressivamente ao longo do caminho percorrido pela MAON em direção ao sul, atingindo valores máximos no oeste do Atlântico Sul tropical, a partir de onde sofreu dissipação/diluição por mistura com a massa de água de origem sul. Com relação à porção superior da coluna de água, os dados apresentados aqui indicam que as águas superficiais do oeste do Atlântico Sul tropical estiveram mais quentes e salinas durante os HS. Dados advindos da região do vazamento das Agulhas também registraram feições similares, no entanto, com excursões positivas mais intensas. Concluiu-se que o calor e o sal importados do Oceano Índico durante os HS foram apenas parcialmente transferidos para o oeste do Atlântico Sul tropical. Assim, sugeriu-se que o sal do Oceano Índico que eventualmente alcançou as altas latitudes do Atlântico Norte e ajudou no restabelecimento da CRMA foi transportado, principalmente, pelas águas da termoclina. Finalmente, os dados apresentados nesta tese indicam que os eventos pretéritos de enfraquecimento da AMOC afetaram profundamente o hidroclima da América do Sul e a circulação do oeste do Atlântico Sul