מחזוֹר הפחמן ופחמן כחול

היסוד פחמן הוא קריטי לכל צורות החיים. הפחמן עובר הלוך ושוב בין האטמוספרה לבין פני השטח של כדור הארץ. ישנו פחמן שמומס בים, שמאוחסן על-ידי אורגניזמים בתוך הגוף שלהם, שקבור באדמה ושמאוחסן בסלעים. במחזוֹר הפחמן, פחמן נע בין המקורות האלה. באטומספרה, הפחמן נוכח כגז פחמן דו-חמצני (CO₂). על האדמה, CO₂ יכול לשמש צמחים בתהליך שנקרא פוטוסינתזה. בפוטוסינתזה, צמחים משתמשים באור השמש כדי להפוך CO₂ למזון שבו הם משתמשים כדי לבנות רקמת צמח חדשה. חלק מהפחמן בצמחים מוחזר לאטמוספרה כ-CO₂ דרך נשימה צמחית. צמחים יכולים להיאכל על-ידי חיות שנושמות CO₂ חזרה לאטמוספרה, ומשתמשות בחלק מפחמן הצמחים הנותר לבנות את הגוף שלהן. כשצמחים וחיות מתים, הפחמן בגוף שלהם חוזר לאטמוספרה כ-CO₂, כשחיידקים מפרקים את האורגניזמים המתים. העצים הבוגרים, או הצמחים והחיות שקבורים באדמות לחות יכולים להחרים פחמן, כלומר להסיר אותו ממחזור הפחמן, במשך יותר ממאה שנים. במשך תקופות זמן ארוכות, לחץ יכול להמיר את הפחמן הקבור לשמן, פחמן, או סלעים, כמו למשל אבן סיד. פעילות געשית, או שריפת דלקי מאובנים על-ידי בני אדם, יכולים להחזיר את הפחמן המוחרם הזה לאטמוספרה כ-CO₂. CO₂ מהאטמוספרה יכול לאחר מכן להיות מומס לתוך הים, ושם המחזור יכול להתחיל שוב.

פחמן כחול הוא חלק ממחזור הפחמן שמערב חיים ימיים. החלק הזה במחזור מתרחש בשלושה שלבים. צמחים ימיים, כמו למשל אצות או מיקרו-אצות שנקראות פיטופלנקטון לוקחות CO₂ אטמוספרי כשהן מבצעות פוטוסינתזה. זה ידוע כלכידת פחמן כחול. חיות קוטב אוכלות את הפיטופלנקטון ואת האצות הימיות ומשתמשות בפחמן שבצמחים האלה כדי לבנות את הרקמות והשלד שלהן. זה ידוע כאחסון פחמן כחול. לאורגניזמים עם פרופורציות גבוהות של שלד, כמו למשל אלמוגים, יש סיכוי גבוה יותר להגן על הפחמן הזה מפירוק חיידקי כשהן מתות. לכן, אומרים שהאורגניזמים האלה מדמימים פחמן. כשפחמן כחול מוּסר ממחזור הפחמן ליותר מ-100 שנים, לדוגמה כשחיים ימיים מתים ונקברים בקרקעית הים, השלב האחרון הזה נקרא החרמת פחמן.

משקעי פחמן ומשוב באקלים משתנה

גזי חממה, כמו למשל CO₂ ומתאן (CH₄), מסייעים ללכוד חום מהאטמוספרה של כדור הארץ. השימוש שלנו בדלקי מאובנים הגדיל את ה-CO₂ באטמוספרה, אשר כולא חום ליד כדור הארץ ומחמם אותו. כתוצאה מכך, אזורי הקוטב מאבדים שלג וקרח [1]. האדמה כהה יותר מהלובן של הקרח, אז אזורים ללא קרח סופגים חום מהר יותר, וזה בתורו ממיס אפילו יותר שלג וקרח. זה נקרא מנגנון של משוב חיובי, אשר מעצים את התחממות האקלים. אולם אובדן קרח גם משחרר מרחב חדש לצמחים ולחיות. מאחר שצמחים וחיות לוקחים פחמן לבניית הגוף שלהם, הם דוגמאות למאגר של פחמן. מאגר של פחמן הוא מקום שבו ישנה הצטברות כוללת של פחמן שהגיע מהאטמוספרה (כמו למשל גדילה יתרה של מיקרו-אצות; מה שמכונה פריחת אצות). צמחים משתמשים ב-CO₂ אטמוספרי כדי לגדול, כך שמקומות חדשים ללא קרח מובילים להפחתה בפחמן האטמוספרי, מה שמפחית את ההתחממות הגלובלית – זה נקרא מנגנון משוב שלילי [2]. באופן הזה, הים יכול לספק הרבה משוב שלילי להתחממות האקלים [3].

החרמת פחמן בדרך כלל מתרחשת דרך קבירה של צמחים או חיות במשקעים לחים. זו הסיבה לכך שמרבית המאובנים נמצאים בסלעים שפעם היו משקעים של קרקעית הים, תחתיות אגמים, או ביצות. בים, משוב שלילי יכול להתרחש כאשר פני השטח של ים הקוטב קופאים בחורף, מה שגורם ליותר אור לחדור דרך המים, כך שפיטופלנקטון יכולים לגדול זמן רב יותר. כשפיטופלנקטון מתים, חלק מהם נקברים בקרקעית הים, ומחרימים פחמן. אחרים נאכלים על-ידי חיות, וחלק מהחיות האלה בסופו של דבר נקברות גם הן בקרקעית הים. אז, התחממות של גזי חממה יכולה להוביל לפחות קרח ימי בחורף, מה שמוביל ליותר החרמה של פחמן בקרקעית הים בקוטב, שבתורה מפחיתה את ה-CO₂ האטמוספרי. קרחונים נסוגים מְפַנִּים אפילו יותר מקום לאור ולחיים ימיים, מה שמניע משוב שלילי דומה. התחממות האקלים יכולה גם לגרום לשינויים משמעותיים במדפי הקרח. מדפי קרח הם המקומות שבהם כיפות קרח פוגשות את הים וזורמות לתוכו ליצירת נהרות קפואים, ענקיים וצפים. מדפי קרח נרחבים לאורך חצי האי האנטרקטי נשברו בקצה שלהם שקרוב לים, ויצרו קרחונים ענקיים. זה לא רק פותח אזורים חדשים של כליאה ואחסון פחמן על-ידי בעלי חיים, אלא כשהקרחונים שטים הלאה על גבי זרמים, הם משחררים חומרי מזון. חומרי המזון האלה, כמו למשל ברזל קפוא בצורת אבק על האדמה, מדשנים פיטופלנקטון במקומות אחרים באוקיינוס [4]. קרחונים גם יכולים להתנגש עם קרקעית הים בתהליך שמכונה ,ice scour אשר מוחץ בעלי חיים וצמחים שחיים בקרקעית הים (בנט’ואים), המחזירים פחמן חזרה למחזור הפחמן. פרויקטים מרכזיים, כמו למשל תוכנית Changing Arctic Ocean (https://www.changing-arctic-ocean.ac.uk/), מְקַבְּצִים צוותי חוקרים במטרה לנסות למדוד ולהבין את השינויים הפיזיקליים והביולוגיים שנגרמים על-ידי התחממות האקלים.

כיצד אנו מודדים פחמן כחול

כדי לקבוע אם אובדן של קרח ימי משפיע על כמות הפחמן הכחול, ראשית היינו צריכים לבחור בקפידה אתרי דגימה. אתרי הדגימה שנבחרו היו עבור מחקר ה-Changing Arctic Oceans Seabed (ChAOS) והתפרשׂו לאורך ים ברנטס (איור 1), מאחר שהיה חשוב למדוד במקומות שיש לנו כמויות שונות של קרח בעבר ובהווה. במובנים אחרים, האתרים שנבחרו די דומים, לדוגמה במונחים של עומק המים ומאפייני קרקעית הים. המאפיינים הדומים האלה מקלים על פירוש ההבדלים שבין פחמן כחול שנמצא באתרים האלה. הדגימה מבוצעת בכל קיץ, בזמן שבו הכי קל לספינות לשוט בים ברנטס. דגימה של כל האתרים באותה עונה בשנה גם מסייעת להפחית סיבוכי הבדלים בין האתרים.

אפשר לאסוף פיטופלנקטון בדגימות מים או ברשתות פלנקטון, ודרושה תשומת לב כדי לוודא את נפחי המים המדויקים שנחקרים, כך שניתן יהיה לחשב את הצפיפות והמסה של יחידת נפח. הצפיפות, הגודל והזהות של יצורים חיים על קרקעית הים (שידועים גם כבנט’ואים), יכולים להיקבע באמצעות צילומים ממצלמות ברזולוציה גבוהה שמוּרדוֹת לקרקעית הים על חצוּבה. האורגניזמים גם יכולים להיאסף בדגימות של משקעים. בדיקות כימיות משמשות לחקור כמה פחמן נמצא בכל עומק. חיות מיובשות ונשקלות באופן שמאפשר למדענים לחשב כמה מהמשקל נובע מרקמה רכה, וכמה מהמשקל נובע משלד. בכל אתר, נלקחות הרבה דגימות כדי לאפשר שוֹנוּת בגורמי הסביבה, כמו למשל טמפרטורת הים, זרימת המים, המליחות, החמצן המומס, חומרי קרקעית הים (כמו למשל סלעים, חול ואדמה), וקשיחות קרקעית הים.

מה הדגימות יכולות להגיד לנו על פחמן כחול?

תהליך הדגימה שמתואר למעלה יכול לספק הרבה מידע על כמות הפחמן שנוכח באורגניזמים מסוגים וגדלים שונים, ומאתרים שונים. השיטה יכולה גם לספק מידע על מספר כל אחד מסוגי האורגניזמים ועל צפיפותם. לאחר מכן אפשר לבצע חישובים של כמות הפחמן שמוחזקת על-ידי אורגניזמים בכל דגימה בכל אתר. אם דגימה 1 מכילה 3 צדפות, 10 תולעים וכוכב ים, אפשר לִסְכוֹם את הפחמן מכל האורגניזמים ולקבל את כמות הפחמן הכוללת. כשמכניסים את המידע הזה לתוך קובץ או בסיס נתונים, אפשר לנתח אותו ולספק פרטים על הפחמן הכחול שנוכח באורגניזמים.

אפשר לענות על שאלות רבות מהנתונים האלה. באיור 2, אתם יכולים לראות את התשובה לשתיים מהשאלות האלה: כמה מהפחמן בפיטופלנקטון נאכל על-ידי בנט’ואים; וכמה מהפחמן בקרקעית הים נקבר?

ניתן לענות על שאלות רבות נוספות באמצעות שיטות הדגימה שתיארנו, כולל כמה מהפחמן המוחזק על-ידי בנט’ואים משתנה בתוך האתרים וביניהם, וכיצד פחמן כחול בקרקעית הים משתנה בין אזורים שונים בקוטב? כל המידע הזה מספק הֶקְשֵׁר והבנה של תחום העניין העיקרי שלנו: כיצד פחמן קוטב כחול מגיב לאובדני קרח ימי, ומה המשמעות של זה על כוחו של הפחמן הכחול כמשוב שלילי לשינויי האקלים?

מה עוד למדנו?

עד היום, המחקרים מצאו שפחמן כחול משתנה באופן ניכר בקרקעית הים בקוטב. סביב למערב אנטרקטיקה ישנו שינוי קטן בפחמן הכחול בימים מסוימים, כמו למשל ים אמונדסן, אולם שינוי גדול באחרים, כמו למשל בים וודדל [5 ,2] (איור 3). שינויים בפחמן הכחול יכולים להיגרם על-ידי רוח (ים רוס); אובדן של קרח ימי (ים סקוטיה), או טמפרטורות ימים (דרום ג’ורג’יה). הגדילה של חיות ימיות התגברה הכי הרבה בעשור האחרון במים רדודים, היכן שהחיות קרובות יותר למזון הפיטופלנקטון [3]. אולם התנגשויות של קרחונים עם קרקעית הים גם התגברו, ומחצו את הגדילה החדשה של בנט’ואים במים הרדודים, והפסיקו את החרמת הפחמן בקרקעית הים. במים עמוקים יותר, גדילת הבנט’ואים התגברה פחות במהלך העשור האחרון, אולם התנגשות בין קרחונים לקרקעית הים היא נדירה מתחת לעומק של 100 מטרים. לכן, אף על פי שגדילת הבנט’ואים דומה במים עמוקים ובמים רדודים, הנדירוּת של התנגשויות בין קרחונים לקרקעית הים במים עמוקים משמעותה שהעליות הקטנות האלה בכמויות הפחמן הכחול ככל הנראה יקברו ויוחרמו בסופו של דבר. קרחונים עצומים ששוברים מדפי קרח מעודדים את הגדילה של פיטופלנקטון ומסייעים להגדיל את הפחמן הכחול. יצירה של קרחון בגודל 5,000 קמ"ר מגדילה את הפחמן הכחול במיליון טון – זה כמו להסיר את הפליטות מהאגזוזים של 400,000 מכוניות בשנה [5]. הבנת הפחמן הכחול יכולה לסייע למדענים לייעץ למקבלי החלטות ולפוליטיקאים כיצד להפחית את כמות הפחמן האטמוספרי, שעשוי לשמש להגנה על כדור הארץ שלנו מפני התחממות אקלים מסוכנת.

תודות

תודה לכל משתתפי תוכנית Changing Arctic Oceans research cruise JR17001. לבסוף, תודה לסוקרים, למנטור המדעי שלהם, ול-Jo Barnes על שיפור משמעותי של טקסט כתב היד.

מילון מונחים

פחמן כחול (Blue Carbon): ↑ פחמן שמאוחסן על-ידי חיים ימיים.

פיטופלנקטון (Phytoplankton): ↑ צמחים זעירים או מיקרו-אצות שתופסות פחמן.

לכידת פחמן (Carbon Capture): ↑ קיבוע של גז פחמן דו-חמצני לאחסון הרחק מהאטמוספרה של כדור הארץ.

החרמת פחמן (Carbon Sequestration): ↑ הסרה של פחמן ממחזור הפחמן (למשל על-ידי קבורה).

משוב שלילי (Negative Feedback): ↑ מיתון או הפחתה של אפקט על-ידי ההשפעה שלו עצמו.

Ice Scour: ↑ התנגשויות בין קרחונים לבין קרקעית הים.

בנט’ואים (Benthos): ↑ אורגניזמים (בעיקר חיות) שחיים על קרקעית הים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.