קרח ים: מבט מרחוק

בממוצע, קרח ים מכסה כ-23 מיליוני קילומטרים רבועים מאוקיינוס כדור הארץ, או פי כשניים וחצי מהאזור של קנדה [1]. בשל גודלו, ניתן לצפות בקרח הים מהחלל כשמיכה לבנה גדולה על גבי האוקיינוס. באמצעות התבוננות בקרח הים בקני המידה העצומים האלה, אנו יכולים לראות שינויים דרמטיים בהיקף קרח הים לאורך השנה ובמהלך העשורים – מאז 1978, כאשר בוצעו תצפיות הלוויין הראשונות של קרח ים.

בכל שנה, כאשר השמש שוקעת והחורף מתחיל באוקיינוס הארקטי (בחלק הצפוני הרחוק), או באוקיינוס הדרומי (בחלק הדרומי הרחוק של אנטרקטיקה), קרח ים נוצר כאשר טמפרטורות האוויר יורדות, והאוקיינוס מתחיל לקפוא. כאשר החורף ממשיך, קרח הים מתעבה וגדל, ומכסה אזורים נרחבים של האוקיינוס. במקומות מסוימים באזור הארקטי, קרח הים אפילו גדל לעובי של מטרים רבים! כאשר השמש עולה והאוויר מתחמם באביב, קרח הים מתחיל להימס ולהישבר, וחושף את האוקיינוס הנוזלי שמתחתיו. אנו מכנים את ההתרחבות וההתכווצות האלה של קרח הים – ’מחזור עונתי’ (איור 1).

כשמשווים קרח ים משנה לשנה, אנו מוצאים שכמות הקרח שמכסה את האוקיינוס משתנה. השינוי ארוך הטווח הזה מתרחש כאשר קרח הים ממשיך לגדול ולהימס כחלק מהמחזור העונתי השנתי שלו (1 איור, קווים כחול וכתום). באוקיינוס הארקטי, קרח הים נמס בקיץ יותר ממה שנמס בעבר, ואיבדנו כ-30% מקרח הים בקיץ מאז 1990 (2 איור, קו צהוב). מדענים חוזים שעד שנת 2050 כל קרח הים הארקטי יימס לחלוטין במהלך הקיץ, בפעם הראשונה בהיסטוריה. משמעות הדבר היא, שאף על פי שכיום חוקרים יכולים ללכת לקוטב הצפוני, בעתיד הם יצטרכו להפליג אליו. אחת משאלות המחקר הגדולות ביותר של זמננו היא כיצד השינויים האלה משפיעים על חיים באוקיינוס ועל האקלים המתחמם שלנו.

קרח ים: מבט מקרוב

אם מתקרבים אל קרח הים, עד לקנה מידה של כמה סנטימטרים, רואים שהוא מורכב. בקרח הים ישנם כיסים של נוזל מלוח, שנקרא מי מלח (איור 2). כיסי קרח ים הם נוזליים בטמפרטורה של מתחת לאפס מעלות, מאחר שהמלח מונע מהנוזל לקפוא, ותמיד ישנו נוזל כלשהו בקרח הים [2]. אם מתקרבים עוד יותר, אנו מוצאים בתוך כיסי מי המלח האלה בועות גז, גבישי מלח וחיים (2 איור, פאנל תחתון). כיסי מי המלח הםסביבת מחיה ייחודית עבור אורגניזמים מיקרוסקופיים, ומקום שבו מתרחשות תגובות כימיות. מדענים עבדו על הבנת קרח ים בקני מידה קטנים מאוד, והם מנסים לבדוק כיצד קרח ים משפיע על הטבע הכימי של האוקיינוסים, ואפילו על חיים מעבר לאוקיינוסים.

CO₂ באטמוספרה, באוקיינוסים וביצורים חיים

פחמן הוא אחד היסודות השכיחים ביותר על כדור הארץ, עם חמצן, חנקן ומימן. פחמן נמצא באטמוספרה כגז פחמן דו-חמצני (CO₂), באוקיינוס כ-CO₂ מומס, בסוגים מסוימים של אבנים ובכל האורגניזמים החיים. יסוד זה הוא הכרחי לחיים, ובני האדם מורכבים מכ-20% פחמן.

באטמוספרה, CO₂ הוא גז עיקרי שתורם להתחממות הגלובלית [3]. CO₂ שנפלט מפעילויות אנושיות (מכוניות, תעשיית השמן/ גז וכדומה), יכול לנוע בין האטמוספרה, האוקיינוס והאורגניזמים החיים, ובתנועתו הוא משנה צורה. אם CO₂ נשאב עמוק אל תוך האוקיינוס, הוא יכול להיכלא שם במשך מאות שנים, ולהפחית את ההתחממות הגלובלית. התהליכים שמניעים CO₂ מהאטמוספרה אל האוקיינוס נקראים משאבות. ישנן שתי משאבות עיקריות שלCO₂ באוקיינוס: משאבת מסיסות ומשאבה ביולוגית. אוקיינוסים כבר ספגו כשליש מה-CO₂ שנפלט על ידי פעילויות אנושיות, הודות למשאבת המסיסות ולמשאבה הביולוגית.

משאבת המסיסות (איור 3, חיצים כחולים) מתייחסת לתהליך שבו CO₂ אטמוספרי נספג על ידי פני השטח של האוקיינוס, ומתמוסס בתוך פני השטח של האוקיינוס. ברגע ש-CO₂ מומס, הוא יכול להיות משונע עמוק אל תוך האוקיינוס על ידי זרמי האוקיינוס. יכולתו של האוקיינוס לקחת CO₂ מהאטמוספרה תלויה בטמפרטורת המים ובמליחות. מים קרים ומתוקים יכולים לספוג יותר CO₂ מאשר מים חמים ומלוחים. לכן, האוקיינוסים הקרים בקוטב, כמו למשל האוקיינוס הארקטי, מעולים בלקיחת CO₂ מהאטמוספרה. אם ה-CO₂ מגיע אל קרקעית האוקיינוס, הוא יכול להישאר שם במשך 1,000 שנים ויותר (איור 3).

המשאבה הביולוגית מתייחסת לשימוש ב-CO₂ על ידי אצות שנקראות פיטופלנקטון. אצות הן אורגניזמים חד-תאיים מיקרוסקופיים שגדלים באמצעות אור השמש, חומרי מזון ו-CO₂ בתהליך כימי של פוטוסינתזה [4] (3 איור, חיצים ירוקים). אצות פיטופלנקטון רבות חיות כשהן צפות על פני האוקיינוסים של העולם. מאחר שאצות משתמשות ב-CO₂ כדי לגדול, הן מסייעות לקחת CO₂ מהאטמוספרה (3 איור, חיצים ירוקים). חלק מהאצות האלה מתמחות בחיים בסביבה הייחודית שמסופקת על ידי קרח ים לרבּות בנוזלי מי המלח.

כיצד אצות קרח ים מתמירות CO₂?

אני קטנה כגודלו של תא. אני שואפת CO₂ ונושפת O₂. אני חיה בכיסי מי מלח, ומקבלת את האנרגיה שלי מאור השמש. מי אני? אצת קרח ים.

אצות קרח גדלות בכיסי מי מלח בתוך הקרח, בבריכות של מים מומסים על פני השטח, והכי חשוב – בבסיסו של קרח הים, שם הקרח נוגע באוקיינוס שמתחתיו. אצות קרח גדלות מהר, או פורחות, כאשר האור נעשה זמין עבור פוטוסינתזה באביב (3 איור, חיצים ירוקים). אצות קרח שידועות כצורניות הן טובות מאוד בגדילה מהירה, והן אלה שמרכיבות בעיקר את פריחת אצות הקרח. אף על פי שצורניות קטנות מדי מלהיספר באופן פרטני, מדענים יכולים לראות פריחות כהשחמה של הקרח (2 איור, פאנל תחתון). פריחת אצות קרח נמשכת עד הקיץ המאוחר, כאשר התאים השתמשו בחומרי המזון שנדרשים לגדילה, וכאשר הקרח סביבן מתחיל להימס. הפוטוסינתזה שמבוצעת על ידי אצות הקרח יכולה להשפיע מאוד על כמות ה-CO₂ שקרח הים לוקח באביב (3 איור, חיצים ירוקים). באופן כללי, כאשר הקרח הוא חוּם מאצות, צפוי שהרבה CO₂ יילקח אל תוך קרח הים (2 איור, פאנל תחתון). אצות קרח ממלאות תפקיד חשוב בשימוש ב-CO₂ אטמוספרי, אולם הן גם חשובות עבור חיות שחיות באוקיינוס הארקטי. גדילתן של אצות קרח מספקת לאורגניזמים אחרים מזון רב – ככל שמידת פריחת האצות גדלה, המשמעות היא שהאורגניזמים יכולים לקבל מזון רב בקלות רבה. חומרי המזון שמתקבלים מאצות הקרח מועברים למעלה בשרשרת המזון כאשר אורגניזם אחד אוכל אחר, כל הדרך אל דוב הקוטב.

מה קורה ל-CO₂ שנכלא בקרח ים?

כאשר קרח הים נוצר בחורף, הוא כולא מלחים ו-CO₂ מהאוקיינוס במי המלח (2 איור, פאנל תחתון). כל כך הרבה CO₂ נכלא בתוך המלח, שהוא מותמר לסלע מוצק על ידי תגובות כימיות. אחד הסלעים השכיחים ביותר שנוצרים מ-CO₂ בתוך קרח הים מורכב מקלציום קרבונט, ונקרא גם אבן סיד, שהוא אותו החומר שמרכיב את שלדיהם של אלמוגים והרבה צדפות ים שאתם עשויים למצוא על חוף הים. חוקרים יכולים לראות את הפיסות הזעירות של קלציום קרבונט במיקרוסקופ (2 איור, פאנל תחתון). ה-CO₂ בקרח הים נכלא גם בבועות (2 איור, פאנל תחתון). הבועות יכולות לעלות מקרקעית קרח הים ועד לפני השטח דרך תעלות מי מלח. ברגע שהם בפני השטח, הגזים יכולים לברוח אל האוויר (3 איור, חיצים לבנים). קרח ים גם שולח חלק מה-CO₂ אל קרקעית האוקיינוס. התהליך הזה מתרחש במהלך החורף, כאשר מי המלח המלוחים מקרח הים משוקעים אל קרקעית האוקיינוס, ומביאים איתם CO₂ (3 איור, חיצים לבנים). לעיתים קרובות מתייחסים לכך כמשאבת קרח ים, באופן דומה למשאבת המסיסות ולמשאבה הביולוגית שתוארו לעיל. דרך עלייתן של בועות ושקיעתם של מי מלח, קרח הים מאבד CO₂ רב שהיה כלוא בתוכו. כתוצאה מכך, כאשר השמש חוזרת באביב, קרח הים כבר לא מחזיק כל כך הרבה CO₂. חוקרים צפו בכך שבאביב קרח הים יכול שוב לספוג הרבה CO₂ מהאטמוספרה. באופן כללי, חוקרים חושבים שקרח הים מסייע לאוקיינוס לספוג CO₂. אם כן, קרח הים מסייע לנו להילחם כנגד שינויי האקלים.

תובנות

כיסוי קרח הים גדל בחורף ונמס בקיץ. הודות למים הקרים ולנוכחותם של אצות ושל קרח ים, האוקיינוס הארקטי הוא משקע של פחמן, ומסייע להפחית את כמות ה-CO₂ באטמוספרה. ראשית, אצות קרח הים משתמשות ב-CO₂ כדי לגדול וליצור מזון לאורגניזמים גדולים יותר. שנית, קרח הים יכול ללכוד CO₂ במי המלח שלו ולתעדף את הובלתו אל קרקעית האוקיינוס. באוקיינוס הארקטי, כיסוי קרח הים בקיץ פוחת באופן משמעותי כתוצאה מההתחממות הגלובלית, אשר מאיימת על ביתן של אצות הקרח, ועל יכולתו של האוקיינוס הארקטי להחליף CO₂ עם האטמוספרה.

מילון מונחים

קרח ים (Sea Ice): ↑ מי ים קפואים שצפים על פני השטח של האוקיינוס. קרח הים מורכב מקרח גבישי ומכיס של נוזל מלוח שנקרא מי מלח.

מי מלח (Brine): ↑ מים עם ריכוז גבוה של מלח מומס.

משאבת מסיסות (Solubility Pump): ↑ תהליך שלוקח CO₂ מהאטמוספרה אל פני השטח של האוקיינוס כ-CO₂ מומס, ומשנע אותו אל קרקעית האוקיינוס.

משאבה ביולוגית (Biological Pump): ↑ תורמת לתפקידו של האוקיינוס בלקיחה של CO₂ מהאטמוספרה ואחסונו. ה-CO₂ מותמר ומאוחסן על ידי מיקרואורגניזמים כמו אצות, שמשתמשים בפוטוסינתזה כדי לגדול.

פיטופלנקטון (Phytoplankton): ↑ אצות חד-תאיות שחיות בפני השטח של האוקיינוס ומשתמשות בתהליך של פוטוסינתזה כדי לגדול. הסוגים השכיחים ביותר של פיטופלנקטון הם צורניות. פיטופלנקטון יוצרות את הבסיס של שרשרת המזון הימית, ומשמשות אספקת מזון של דגים קטנים וחיות ימיות אחרות.

פוטוסינתזה (Photosynthesis): ↑ תהליך שבו צמחים ואצות מייצרים מזון. התהליך הכימי הזה משתמש באור שמש, ב-CO₂ ובחומרי מזון כדי להפיק סוכרים שהתא יכול להשתמש בהם כאנרגיה לגדילה.

פריחה (Bloom): ↑ עלייה מהירה באוכלוסייה של אצות. פריחת אצות לעיתים קרובות מזוהה על ידי צביעה ירוקה או חומה של המים.

קלציום קרבונט (Calcium Carbonate): ↑ סלע משקע כמו אבן סיד. קלציום קרבונט מיוצר על ידי שיקוע (התמצקות) של קלציום ו-CO₂ שמומסים במים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברּים מצהירים כי המחקר נערך בהיעדר כל קשר מסחרי או כלכלי שיכול להתפרשׁ כניגוד אינטרסים פוטנציאלי..

תודות

העבודה הזו הייתה תרומה ל-Diatom-ARCTIC (Diatom Autecological Responses with Changes to Ice Cover) ולפרויקט EISPAC (Effects of ice stressors and pollutants on the Arctic marine cryosphere). העבודה גם נתמכה על ידי קבוצת העבודה הבינלאומית BEPSII: Biochemical exchange processes at Sea Ice Interfaces.