Timing and cause of early Late Pleistocene megadrought in eastern Africa

Problema
O início do período Pleistoceno Superior (~135–70 mil anos atrás), correspondendo amplamente ao Estágio Isotópico Marinho 5 (MIS5), foi pontuado por megassecas severas e multimilenares no África tropical. Estes eventos são hipotetizados como tendo impactado significativamente o ambiente de vida dos humanos modernos antigos, potencialmente desencadeando sua dispersão para a Eurásia. No entanto, os mecanismos causais por trás dessas "megassecas africanas do MIS5" permanecem elusivos. Existe um paradoxo primário: as temperaturas de quase-interglaciais predominantes durante este período deveriam, teoricamente, vigorizar a dinâmica das monções tropicais e gerar precipitação adequada, contudo, registros de proxies indicam uma aridez muito mais severa do que a do Último Máximo Glacial (LGM). Esforços anteriores para elucidar esses mecanismos foram dificultados pelas dificuldades em datar precisamente os registros de sedimentos lacustres desta era e pela descontinuidade do registro de proxies climáticos causada pelas próprias secas. Consequentemente, avaliar a sincronia regional desses eventos e sua relação com o forçamento de insolação orbital provou ser um desafio.

Metodologia
Este estudo apresenta reconstruções pareadas de alta resolução (média de ~200 anos de resolução) da temperatura média do verão (MST) e do hidroclima (balanço de umidade) para o leste da África equatorial ao longo dos últimos 170 mil anos. Os dados derivam do registro sedimentar contínuo do Lago Chala (3,3° S, 37,7° E), localizado a leste da Fronteira do Ar de Congo e totalmente dependente da umidade do Oceano Índico.

• Reconstrução de Temperatura: A MST foi reconstruída usando a distribuição de GDGTs ramificados (brGDGTs), lipídios de membrana produzidos por bactérias cuja estrutura molecular varia com a temperatura. Uma calibração baseada em lagos distribuídos globalmente foi aplicada e reescalonada para corresponder às variações de temperatura regionais do LGM ao Holoceno.
• Reconstrução de Hidroclima: O balanço de umidade passado (precipitação menos evaporação, P–E) foi reconstruído usando o índice de tetraéter ramificado e isoprenóide (índice BIT). Este índice reflete a razão de abundância entre os brGDGTs e a crenarchaeol de GDGT isoprenóide. No cenário do Lago Chala, o índice BIT serve como um proxy para a profundidade do lago e estratificação da coluna de água, que são impulsionadas pelo balanço hidrológico.
• Cronologia: Um modelo de idade independente foi construído integrando datação de radiocarbono ($^{14}$C) de alta resolução, datação de $^{40}$Ar/$^{39}$Ar de 10 horizontes primários de queda de cinzas, assinaturas sedimentares de seis excursões de intensidade geomagnética e a âncora temporal precisa da erupção vulcânica Toba (73,7 mil anos atrás). Isso resultou em uma incerteza de idade de aproximadamente +1625 anos (2-sigma) em média.
• Análise Comparativa: As reconstruções foram comparadas com parâmetros de insolação orbital, registros de CO$_2$ atmosférico, variações de temperatura de altas latitudes de núcleos de gelo polares, registros de extensão de glaciação global e simulações do modelo climático HadCM3 para identificar mecanismos causais.

Resultos Principais

1. Evolução da Temperatura: O registro de MST mostra um ciclo glacial-interglacial padrão, mas com características distintas. O pico de calor interglacial (25,7 °C) ocorreu há ~130 mil anos, coexistindo com máximos na Antártida e na Groenlândia. Notavelmente, uma segunda fase quente ocorreu entre ~112 e ~100 mil anos atrás, com temperaturas (23,7 °C) quase idênticas aos valores do Holoceno e modernos, apesar do início do resfriamento global e da incipiente glaciação.
2. Hidroclima e a "Megasseca": O registro do índice BIT revela três intervalos secos prolongados durante o MIS5 (~136–123, ~110–87 e ~85–77 mil anos atrás). No entanto, a estratigrafia sísmica e o índice BIT identificam um único evento de megasseca extrema entre 110+2,0 e 97+1,6 mil anos atrás. Durante este período, os valores de BIT foram excepcionalmente baixos (média de 0,15), indicando que o lago tornou-se raso demais para suportar as condições anóxicas necessárias para as bactérias produtoras de brGDGTs, significando uma redução severa na profundidade do lago e na umidade efetiva.
3. Relação Temperatura-Umidade: O estudo identifica uma mudança na relação entre temperatura e umidade. Durante o período inicial do MIS5 (incluindo a megasseca), a relação era predominantemente negativa (semelhante ao Holoceno), onde altas temperaturas não garantiam alta umidade. Em contraste, o período glacial posterior (~35–11,7 mil anos atrás) mostrou uma relação positiva, consistente com a teoria das monções, onde o resfriamento reduz a evaporação e a demanda de umidade.
4. Forçamento Orbital: Embora as flutuações de temperatura do início do MIS5 tenham mostrado periodicidade precessional (~21 mil anos), o sinal desapareceu após ~100 mil anos devido à baixa excentricidade orbital. O recente ressurgimento de um sinal precessional nos últimos ~30 mil anos parece ser um artefato do resfriamento do Estádio de Heinrich 1, em vez de uma resposta orbital direta.

Mecanismo Causal
O artigo propõe que a principal megasseca do MIS5 (110–97,5 mil anos atrás) foi causada pela coincidência de dois fatores:

1. Alta Demanda de Umidade Atmosférica: O leste da África equatorial manteve um regime de temperatura de "estilo interglacial" (~23,7 °C), criando uma alta demanda de umidade atmosférica.
2. Redução do Suprimento de Umidade: Simultaneamente, as temperaturas da superfície do mar (SST) no Mar Arábico (a fonte de umidade para a monção de nordeste) estavam declinando devido ao resfriamento global e à incipiente glaciação.

Este descompasso — altas temperaturas terrestres exigindo umidade que o Mar Arábico em resfriamento não conseguia fornecer — restringiu as "chuvas curtas" (outubro–dezembro), que são entregues pelas monções de nordeste. Simulações HadCM3 apoiam que a precipitação foi deprimida de dezembro a março durante este período. Os autores sugerem que este mecanismo é específico para regiões dependentes da umidade do Oceano Índico e da monção de nordeste, em vez de uma resposta pan-continental ao forçamento orbital.

Significância
O estudo afirma resolver o mistério das megassecas africanas do MIS5 ao demonstrar que elas não foram inteiramente impulsionadas pela insolação orbital ou pelo resfriamento global, mas sim por um desacoplamento específico entre a temperatura terrestre e as fontes de umidade oceânica.

• Refinamento da Cronologia da Megasseca: Os dados sugerem que, embora condições secas tenham prevalecido durante grande parte do MIS5, apenas um período (~110–97,5 mil anos atrás) constituiu uma verdadeira "megasseca" caracterizada por um drawdown extremo do lago no leste da África equatorial.
• Insight Mecanístico: As descobertas desafiam a suposição de que temperaturas interglaciais quentes levam automaticamente a monções mais úmidas. Em vez disso, destacam o papel crítico do gradiente térmico meridional e da temperatura das regiões de origem da umidade (Mar Arábico) na regulação da precipitação.
• Contexto de Dispersão Humana: Ao precisar o tempo e a severidade desta seca específica, o estudo fornece um contexto ambiental refinado para entender as condições de vida e os potenciais gatilhos de dispersão para os humanos modernos antigos no leste da África durante o início do Pleistoceno Superior.
• Especificidade Regional: Os autores concluem que as megassecas do MIS5 foram provavelmente fenômenos regionalmente definidos, impulsionados pela dinâmica das monções locais e interações oceano-atmosfera, em vez de uma resposta uniforme continental ao forçamento orbital.