Isótopos estáveis da água (δ18O-δ2H) em intra-eventos: decifrando a história da chuva na porção central do estado de São Paulo

Abstract

Isótopos estáveis da molécula de água, hidrogênio (1H/2H) e oxigênio (16O/17O/18O), constituem excelentes traçadores da movimentação da água no ciclo hidrológico. Devido a necessidade de entender como o ciclo da água tem respondido às mudanças climáticas, este estudo buscou compreender a formação e evolução isotópica dos tipos de chuva, principalmente convectivas e estratiformes, que tem sido tema de interesse na comunidade de isotopia. Foram analisadas 312 amostras de isótopos em 18 intra-eventos (coletados a cada 5-10-30 minutos) entre setembro/2019 e fevereiro/2021. Com um Micro Radar de Chuva, imagens do satélite GOES-16 e uma estação meteorológica compacta, estes eventos foram classificados em chuvas convectivas, estratiformes, mistas e não-classificadas. Estes tipos de chuva foram formados pela interação entre umidade (proveniente do Oceano Atlântico, com 3 caminhos distintos até chegar no estado de São Paulo, o próprio Oceano Atlântico, Sul do Brasil e floresta Amazônica) e sistemas atmosféricos variados (Frentes frias, Zona de convergência do Atlântico Sul e Instabilidades termais). Os 3 caminhos da umidade geraram um vapor que caracteriza a história pretérita das chuvas (influência regional), perdendo isótopos pesados ao longo do caminho. Por diferentes mecanismos, este esgotamento foi ampliado ou modificado localmente durante a formação das chuvas. Assim, chuvas convectivas revelaram as diferenças diurnas da atividade convectiva, produzindo valores de δ18O mais negativos (menos negativos) durante o dia (noite), enquanto as chuvas estratiformes refletiram o ciclo de vida, de fases de desenvolvimento (com δ18O enriquecidos), fase madura (δ18O moderados) e de dissipação (δ18O mais negativos). Em chuvas convectivas e estratiformes, estes valores mais empobrecidos de δ18O (-8 ~ -16‰) representam esgotamento máximo de isótopos pesados (destilação Rayleigh), amplificando os processos regionais, que foram modificados por processos evaporativos locais, durante a queda das gotas de chuva, produzindo δ18O enriquecido (>-7 ~ 3‰) e menores valores de d-excess (<10‰). Tal interpretação foi confirmada com bons (r > 0,50) e significativos (p < 0,05) modelos de regressão lineares. Os resultados apresentados geraram dados observacionais finos que podem ser utilizados em modelos climáticos e preenchem uma lacuna na discussão dos controles climáticos sobre a composição isotópica no interior continental de áreas tropicais.

Stable isotopes of water, hydrogen (1H/2H) and oxygen (16O/17O/18O) are powerful tracers of water movement in the hydrological cycle. Due to the necessity to understand how the hydrological cycle has the answer to climate change, this study's purpose is to understand the isotopic rainfall formation and evolution in rainfall types, mainly convective and stratiform, that has been a topic of interest in isotopes community. The 312 isotope samples in 18 intra-events (collected in 5-10-30 minutes intervals) were analyzed between September/2019 to February/2021. The Micro Rain Radar, GOES-16 satellite imagery and compact weather station were used to classify the rainfall types into convective, stratiform, mixed and no-classified. These rainfall types were formed by the interaction between humidity (from the Atlantic Ocean, with 3 pathways arriving in the São Paulo state, the Atlantic Ocean, South of Brazil and the Amazon Forest) and varied atmospheric systems (e.g., Cold fronts, South America Convergence Zone, thermal instability). The 3 humidity pathways generated a vapor that characterized the past rainfall (regional influence) before the local formation, with depletion in heavy isotopes during these pathways. Due to distinct mechanisms, this depletion was amplified and modified during local rainfall formation. Thus, convective rainfall reveals the diurnal difference in convective activity, generating more negative (less negative) δ18O values during day (night), while stratiform rainfall reflected the life cycle, of developing phases (with enriched δ18O values), the mature phase (δ18O moderate), and the dissipating phase (negative δ18O values). In the convective and stratiform rainfall, the negative δ18O values (-8 ~ -16‰) represented the heavy depletion in isotopes, amplified the regional processes, that they were modified by local evaporative processes, during the falling raindrops, resulting in enriched δ18O values (>-7 ~ 3‰) and lower d-excess (<10‰). This interpretation was confirmed by good (r > 0,50) and significative (p < 0,05) linear regression models. Our findings generated an excellent observational dataset that could be used in climatic models and help to answer the gap of interpretations about the climatic control in the isotopic composition of rainfall in inland tropical areas.