Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי כדור הארץ ומשאביו פורסם: 9 ביולי, 2020

האם האוקיינוס מאבד את נשימתו?

תַקצִיר

אנחנו בדרך כלל לא חושבים על תהליך הנשימה שלנו, אלא אם כן הנשימה כרוכה במאמץ, למשל כשמצוננים או בזמן פעילות גופנית. כמובן, כולנו יודעים שנשימה היא הכרחית עבור בני אדם ועבור צורות חיים נוספות רבות על פני כדור הארץ, מאחר שהיא מכניסה חמצן (O2) אל הגוף שלנו. למה אנחנו צריכים חמצן? המזון שלנו יכול להיות מוּמָר לאנרגיה רק בנוכחות של חמצן. כשהמזון שאנו אוכלים מעובד בגוף הוא מומר, בין השאר, לפחמן דו-חמצני (CO2) שיוצא מהגוף בנשיפה. גם האוקיינוס “נושם”: הוא שואף חמצן במקומות מסוימים, אולם הוא גם מאבד אותו במקומות אחרים. זה קורה באופן טבעי, דרך שילוב של תהליכים פיזיקליים וביולוגיים. כיום, בני האדם מייצרים כמויות הולכות וגדלות של CO2 מאחר שאנו שורפים הרבה דלקים בתעשיות שלנו; נוהגים במכוניות ועושים דברים רבים נוספים שמעלים את כמות ה-CO2 באטמוספירה. העלייה הזו משבשת את התפקוד הטבעי של כדור הארץ מאחר שה-CO2 תורם להתחממות הגלובלית. תקופות בצורֹת, שטפונות והפשרת קרחונים הם חלק מתוצאותיה של ההתחממות הגלובלית, אולם ההתחממות הגלובלית עשויה לשבש גם את האופן שבו האוקיינוס נושם.

כיצד האוקיינוס שואף?

במאמר זה אנו עומדים לדבּר על הדרכים השונות שבהן האוקיינוס יכול לנשום. ראשית, ישנם אורגניזמים קטנטנים, כולל כּחוּליוֹת (צִיאָנוֹבַּקְטֶרְיָה) ופיטוֹפלנקטוֹן, אשר לוקחים CO2 מהאטמוספירה ומייצרים חמצן בתהליך שנקרא פוֹטוֹסינתזה (ראו איור 1). מאחר שפוטוסינתזה דורשת אור, התהליך הזה יכול להתרחש רק בשכבות מים שקרובות לפני השטח, בסביבות 100-10 המטרים העליונים של האוקיינוס. אפילו שהאזור הזה נראה קטן מאוד, פוטוסינתיזה באוקיינוס היא תהליך חשוב מאוד עבור כדור הארץ, ומעריכים שהיא מייצרת עד 70% מהחמצן בכדור הארץ [1] ומסירה 30% מה-CO2 שמשוחרר לאטמוספירה על-ידי בני אדם [2]. חשוב שהתהליך הזה באוקיינוס לא יעצור כדי שכדור הארץ יישאר במצב יציב והחיים שאנו מכירים כיום יוכלו להמשיך להתקיים.

איור 1 - (A) תמונה מיקרוסקופית של טיפת מי ים, אשר מכילה כחוליות (ציאנובקטריה) ופיטופלנקטון.
  • איור 1 - (A) תמונה מיקרוסקופית של טיפת מי ים, אשר מכילה כחוליות (ציאנובקטריה) ופיטופלנקטון.
  • האורגניזמים האלה מייצרים חמצן בשכבת המים העליונה באוקיינוס, היכן שיש מספיק אור שמש זמין לספק את האנרגיה לתהליך הזה. (B) זהו מודל של תא, כמו ציאנובקטריה למשל, שמשתמש ב CO2 בתהליך הפוטוסינתזה. דרך שימוש זה, התא מסיר חלק מה-CO2 שבני אדם מייצרים ומסייע להפחית את ההתחממות הגלובלית. התא זקוק למים ולאור שמש כדי לבצע פוטוסינתזה, והוא מייצר חמצן אשר משוחרר לסביבה. הסרגל בתחתית כל תמונה הוא קנה מידה לגודל. מיקרומטר (M) אחד הוא אלפית המילימטר.

דרך אחרת שבּה חמצן נכנס לאוקיינוס היא כאשר הגלים נשברים, ובועות אוויר קטנות נדחפות למטה אל תוך המים. המנגנון הזה מתרחש בעיקר במים שעל פני השטח של האוקיינוס ובחופי הים, ובועות האוויר שבמים הן הסיבה העיקרית לכך שגלים נראים לבנים כשהם נשברים אל החוף.

אולם, ישנוֹ מקום באוקיינוס שבו חמצן “נשאף” כל כך עמוק שהוא מגיע אל המים העמוקים, שָׁם הוא יכול להישאר במשך אלפי שנים. זה מתרחש בחלק הצפוני ביותר של האוקיינוס האטלנטי, בים של גרילנד ובים לבּרדוֹר [3], אולם גם באוקיינוס הדרומי בים וֶדֶל ובים רוֹס שליד החוף של אנטארקטיקה (ראו איור 2). כאן, החמצן מתמוסס במים הקרים, וככל שהמים קרים יותר כך החמצן יכול להתמוסס יותר (דבר הפוך קורה כאשר מרתיחים מים, לדוגמה כשמכינים פסטה. במקרה כזה אתם יכולים לראות גזים, כולל חמצן, מתחילים לבעבע החוצה מהמים, וככל שהמים חמים יותר כך יוצאות החוצה יותר בועות). לכן מרבית החמצן נקלט בחורף, ומאחר שהמים הקרים הם גם יותר צפופים מאשר המים החמים, החמצן שבתוכם שוקע פנימה אל מעמקי האוקיינוס, היכן שקודם לכן החמצן היה מועט. התהליך הזה נקרא הַסָּעָה עמוקה (קוֹנבקציה).

איור 2 - (A)  בחצי הכדור הצפוני, המים שעל פני השטח נשאבים מעמקי האוקיינוס בים גרינלנד ובים לברדור.
  • איור 2 - (A) בחצי הכדור הצפוני, המים שעל פני השטח נשאבים מעמקי האוקיינוס בים גרינלנד ובים לברדור.
  • (B) בחצי הכדור הדרומי, אותו דבר מתרחש בחוף של אנטארקטיקה, בים רוס ובים ודל. האזורים האלה שבהם המים נלקחים פנימה אל מעמקי האוקיינוס בתהליך של קונבקציה עמוקה מסומנים בנקודות אדומות.

האופן שבו המים נעים בין האוקיינוסים מְכֻנֶּה הַמַּסּוֹעַ הימי כפי שאפשר לראות באיור 3. תנועת המים הזו דרך האוקיינוס מתחילה באזורים של מים עמוקים (איור 2), כמו ים לברדור, היכן שֶׁמַּיִם חמים מזרם הגולף (ראו איור 3) מחממים את האטמוספרה באזורים הקרים האלה. כאשר המים מתקררים הם נעשים צפופים יותר. המים הקרים והצפופים האלה שוקעים למטה אל קרקעית האוקיינוס. יותר ויותר מים חמים בפני השטח מוסעים אל ים לברדור על-ידי זרמי רוחות, היכן שהמים הקרים ממשיכים לשקוע מטה אל מעמקי האוקיינוס, וּמְפַנִּים מקום למים חמים נוספים שמגיעים. כאשר המים העמוקים מגיעים לתחתית האוקיינוס הם זורמים דרומה ועוברים דרך האוקיינוס האטלנטי, ולאחר מכן דרך האוקיינוס ההודי, ואז דרך האוקיינוס השקט. בסופו של דבר, המים הקרים חוזרים אל פני השטח בעיקר דרך ערבוב ותהליך שמְכֻנֶּה “עליית מי העומק”. כאשר המים הקרים מגיעים אל פני השטח, המים מתחממים ומוסעים על-ידי רוחות חזרה אל ים לברדור. אם כן, המסוע הימי הוא מערכת הסעה גדולה אשר מְחַבֶּרֶת בין כל האוקיינוסים.

איור 3 - אחרי שהמים לוקחים חמצן מהאוויר בקטבים, הם מתחילים במסעם דרך האוקיינוס העמוק (קווים כחולים), ועוברים דרך האוקיינוס האטלנטי, האוקיינוס ההודי והאוקיינוס השקט.
  • איור 3 - אחרי שהמים לוקחים חמצן מהאוויר בקטבים, הם מתחילים במסעם דרך האוקיינוס העמוק (קווים כחולים), ועוברים דרך האוקיינוס האטלנטי, האוקיינוס ההודי והאוקיינוס השקט.
  • כשהמים מגיעים חזרה אל פני השטח, הם מתחממים ומטיילים חזרה דרך פני השטח של האוקיינוסים (קווים אדומים). באוקיינוס האטלנטי, זרם הגולף מסיע את המים חזרה לים לברדור ולימות גרינלנד (קו ורוד), ואז המסע יכול להתחיל שוב. מערכת הזרימה (סִירְקוּלַצְיָה) הגדולה הזו, שמכונה המסוע הימי, היא מערכת הזרימה הכי חשובה באוקיינוס. הסעת חמצן למטה אל המים העמוקים מאפשרת לבעלי החיים לחיות שם. האזורים שבהם מתרחשת הקונבקציה העמוקה מסומנים באיור על-ידי תיבות שחורות.

מה מקשה על האוקיינוס לנשום?

קונבקציה עמוקה באוקיינוס תלויה בטמפרטורה של המים, אולם גם במליחוּת שלהם. ככל שהמים קרים ומלוחים יותר, כך חמצן רב יותר יכול להילקח על ידם. בימים אלה שבהם כדור הארץ מתחמם, שלג, קרחונים וכיפות הקרח בקטבים עלולים להתמוסס. מצב זה חמור במיוחד בקטבים, כי מים מתוקים מהקרח הנמס זורמים אל הים ויוצרים שכבת מים שהיא הרבה פחות מלוחה ממי הים. המליחות הפחותה עשויה להוביל לקליטה של פחות חמצן על- ידי האוקיינוס ובהתאמה פחות חמצן זמין עבור צורות חיים שונות באוקיינוס.

סיבה נוספת שלאוקיינוס קשה לנשום היא שאם שכבת המים שעל פני השטח מתחממת, היא לא מתערבבת טוב כל כך עם שכבות המים העמוקות יותר. כאשר השכבות מפסיקות להתערבב, החמצן שמיוצר על-ידי פוטוסינתזה ועל-ידי תחלופה עם האוויר אינו יכול להיכנס אל המים העמוקים. צורות חיים רבות באוקיינוס העמוק נושמות חמצן, כולל דגים, כוכבי ים, מדוזות ומיקרובים. במיוחד באזורים שבהם יש הרבה בעלי חיים, המחסור יוצר אזורים עם מעט חמצן, המכונים אזורי מינימום חמצן, שהם אזורים שבהם יש חמצן מועט במים או שלא נותר בהם חמצן כלל (איור 4). האזורים האלה נמצאים בעיקר באוקיינוסים הטרוֹפיים, היכן שחיים מרבית הדגים. אם המים האלה מאבדים יותר ויותר חמצן, ואם פחות חמצן מגיע למים העמוקים, אין הרבה מקומות שבהם הדגים וחיות אחרות יכולים לחיות. זה גם אומר שיהיו פחות ופחות דגים שבני אדם יכולים לאכול. ירידה בכמות הדגים היא בעיה גדולה, מאחר שדגים מרכיבים 16% מצריכת החלבונים של בני האדם בעולם [4]. דגים גם מספקים חומצות שומן בריאוֹת שאינן נמצאות במזונות אחרים. כאשר אספקת החמצן של הדגים נמצאת בסכנה, גם אחד ממקורות המזון הראשוניים שלנו נמצא בסכנה [5].

איור 4 - התפלגות החמצן במי האוקיינוס בעומקים של כ-300 מטרים.
  • איור 4 - התפלגות החמצן במי האוקיינוס בעומקים של כ-300 מטרים.
  • הסרגל שמימין מראה את ריכוזי החמצן במים, שנמדדים במיליליטרים של חמצן לליטר של מים. ישנם אזורים באוקיינוס שבהם יש הרבה חמצן במים, בעיקר בקטבים, ואפשר לראות זאת בכתום/אדום. הצבעים הכחולים מסמנים אזורים שבהם ריכוז החמצן נמוך. האזורים האלה נקראים אזורי מינימום חמצן. בחלקים גדולים של האוקיינוסים השקט וההודי לא נותר חמצן (מסומן בסגול). אלה הם אזורי המינימום חמצן החזקים ביותר באוקיינוס. אזור כזה באוקיינוס השקט הוא גם אחד מאזורי הַדַּיִג החשובים ביותר בעולם (הנתונים נלקחו World Ocean Atlas, מ-WOA09).

מה יקרה אם האוקיינוס יפסיק לנשום?

איננו יודעים מה יקרה. מדענים איששוּ שנשימת האוקיינוס מתדרדרת מה שאומר שריכוזי חמצן יורדים, לפחות באזורים מסוימים באוקיינוס. משמעות הדבר היא שאזורי המינימום חמצן מתרחבים [6]. קשה לצפות מה עוד יקרה, בעיקר מאחר שיש לנו נתונים רק מ-60-50 השנים האחרונות. זה לא הרבה זמן, אם משווים זאת לזמן שלוקח למים לזוז כל הדרך במסוע הימי (אלפי שנים), או אם משווים לגיל של כדור הארץ, שהוא כ-4.6 מיליארדי שנים.

דרך אחת שבה מדענים מנסים להבין את המצב היא להשוות את ההווה של כדור הארץ לעָבָר שלו: כדור הארץ והאוקיינוסים עברו זמנים זהים או גרועים יותר, במונחים של התחממות גלובלית ורמות של CO2. לדוגמה, שינויים גדולים התרחשו בקְרֶטִיקוֹן, תקופה בהיסטוריית כדור הארץ שהחלה לפני 145 מיליוני שנים והסתיימה לפני 65 מיליוני שנים. בתקופה זו הייתה כמות של יותר מפי שלושה מה-CO2 באטמוספרת כדור הארץ מכפי שיש היום. ה-CO2 הגיע מהתפרצויות געשיות [7]. טמפרטורת פני השטח של מי האוקיינוס הגיעה עד ל-40°C, יותר מכפליים מטמפרטורת האוקיינוסים כיום. בעידן הקרטיקון, כמויות גדולות של חמצן אבדו מהאוקיינוס עד שלא נותר בו חמצן במשך שתי תקופות ארוכות שמכונות אירועים אנוֹקסיים (חסרי חמצן) באוקיינוס. במהלך התקופות האלה צורות חיים רבות נכחדו. אולם לאחר מכן התפתחו צורות חיים חדשות, וכדור הארץ והאוקיינוסים התאוששו שוב.

בהתחשב בכל זה, מרבית האנשים מבינים מדוע מדענים רוצים למצוא דרכים לפתור את בעיית ההתחממות הגלובלית ולהפסיק את אובדן הנשימה של האוקיינוס. אנו מעוניינים לעשות משהו עם שינויי האקלים מאחר שאיננו רוצים להיכחד. לכן אנו בני האדם צריכים להיות פעילים ולהפסיק את ההתחממות הגלובלית. לא קל לעשות זאת מאחר שאנו צריכים להפחית באופן קיצוני את כמות ה-CO2 שאנו מייצרים – כל אחד מאיתנו מייצר כיום טונות של CO2 מִדֵּי שנה. כל דבר בחיים שלנו שדורש חשמל כמו למשל מקררים ומחשבים, וכמו גם בגדים שמיוצרים תעשייתית; שימוש במכוניות; אכילת בשר ודברים רבים נוספים בחיי היומיום שלנו מייצרים CO2.

מה אנו יכולים לעשות כדי לעזור לאוקיינוס להמשיך לנשום?

הדרך החשובה ביותר לסייע לחמצן להישאר באוקיינוס היא להאט את ההתחממות הגלובלית. ישנן כמה קבוצות שעובדות על כך סביב לעולם. יוזמה אחת שעוקבת אחרי שינוי האקלים וחוקרת את ההשפעות של התחממות גלובלית על כדור הארץ ועל האוקיינוסים מכונה “הפאנל הבין-ממשלתי לשינוי האקלים” (Intergovernmental Panel on Climate Change; בקיצור IPCC). קבוצה זו אוספת מידע, מנבאת מה עשוי לקרות אם האקלים ימשיך להתחמם ומספקת המלצות לפוליטיקאים [8]. באמצעות עשיית הדברים האלה, ה-IPCC מקווה להפחית ישירות את פליטות ה-CO2 בכדור הארץ. מדינות רבות חתמו גם על הסכם שנקרא פרוטוקול קיוֹטוֹ [9]. הפרוטוקול הזה מכיל הנחיות עבור הפחתת פליטות ה-CO2 של כל מדינה, הפחתה אשר נדרשת להקטנת ההתחממות הגלובלית. על-ידי ביצוע הדברים האלה, מדענים ופוליטיקאים מקווים להפחית את ההתחממות הגלובלית כך שקרחונים בקוטב יפסיקו להתמוסס והאוקיינוס ימשיך לנשום חמצן, אזורי המינימום חמצן יפסיקו להתרחב והחיים באוקיינוס ימשיכו להתקיים.

אם תרצו לבדוק כמה CO2 אתם מייצרים בחיי היומיום שלכם, כדי לראות אם אתם יכולים לתרום להפחתת ההתחממות הגלובלית ולסייע לאוקיינוסים להמשיך לנשום, אתם יכולים להשתמש בקישורים האלה: https://www.earthday.org/take-action/footprint-calculator, https://www.carbonfootprint.com/calculator.aspx.

מילון מונחים

פיטופלנקטון (Phytoplankton): אורגניזמים קטנטנים שמרחפים באופן חופשי, אשר חיים באוקיינוס ובמאגרי מים אחרים, ואשר יכולים לבצע פוטוסינתזה. פיטופלנקטון כוללים פּיגמנט שמכונה כלוֹרוֹפיל, אשר נותן להם צבע ירוק. יש להם צורות שונות רבות, והם יכולים להיות מורכבים מתאים רבים. הם שונים מציאנובקטריה (כחוליות) מֵאַחַר שתאי פיטופלנקטון הם בעלי גרעין ודופן תא, והתאים שלהם יכולים להכיל גם מבנים מיוחדים אחרים.

כחוליות (Cyanobacteria): חיידקים שיכולים לבצע פוטוסינתזה ולהפיק חמצן. יש להם צורות שונות; חלקם תאים קטנים ועגולים, אחרים הם מושבות בצורה דמוית שרשרת (אחת המושבות האלה מוצגת באיור 1A).

פוטוסינתזה (Photosynthesis): התהליך שבו אורגניזמים כמו צמחים ואצות, ומיקרואורגניזמים כמו ציאנובקטריה ופיטופלנקטון, לוקחים פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה והופכים אותו לחמצן ולסוכר. אורגניזמים שמבצעים פוטוסינתזה נמצאים בדרך כלל ב-100-10 המטרים העליונים של מי האוקיינוס, מאחר שהאורגניזמים האלה זקוקים לאור שמש כמקור לאנרגיה עבור פוטוסינתזה.

הַסָּעָה עמוקה (Deep convection): כאשר פני המים בקטבים מתקררים הם סופגים חמצן ושוקעים אל תחתית האוקיינוס. התהליך הזה מספק מים עשירים בחמצן למסוע הימי, שדרכו הם מוסעים ממקום למקום.

המסוע הימי (Global conveyor belt): כאשר המים נעים ראשית דרך האוקיינוס האטלנטי, לאחר מכן דרך האוקיינוס ההודי ואז דרך האוקיינוס השקט, אנו אומרים שהם “מטיילים” לאורך המסוע הימי. המסוע הימי הזה מספק חמצן עבור מגוון צורות חיים באוקיינוס.

אזורי מינימום חמצן (Oxygen minimum zone): אזורים באוקיינוס שבהם כמות החמצן מועטה מאוד.

התחממות גלובלית (Global warming): כאשר כמות הגזים כמו CO2 גדֵלה באטמוספרה של כדור הארץ, כדור הארץ מתחמם. האפקט הזה ידוע בתור התחממות גלובלית. CO2 יכול להגיע מהרי געש, אולם כיום הוא מגיע בדרך כלל משׂריפה של דלקי מאובנים, שכוללים את השמן שנקבר במעמקי האוקיינוס. דלקים מאובנים משמשים להפקת חשמל; דלק למכוניות; יצירה והפעלה של הרבה דברים בחיי היומיום שלנו כמו בגדים; מקררים; מחשבים וכדומה.

קרטיקוֹן (Cretaceous): תקופה בהיסטוריית כדור הארץ שהחלה לפני 145 מיליוני שנים והסתיימה לפני 65 מיליוני שנים. במהלך התקופה הזו כדור הארץ היה חם מאוד, רמות ה-CO2 היו גבוהות והאוקיינוס נעשה מְחֻסָּר חמצן כמה פעמים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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


מקורות

[1] Walker, J. C. G. 1980. “The oxygen cycle,” in The Oxygen Cycle in the Natural Environment and the Biogeochemical Cycles, ed O. Hutzinger (Berlin: Springer-Verlag), 87–104.

[2] Bopp, L., Bowler, C., Guidi, L., Karsenti, E., and de Vargas, C. 2015. “The ocean: a carbon pump,” in Paris 2015 UN Climate Change Conference, COP 21, ed F. Gaill (CNRS), 12–7.

[3] Körtzinger, A., Schimanski, J., Send, U., and Wallace, D. 2004. The ocean takes a deep breath. Science 306:1337. doi: 10.1126/science.1102557

[4] Tidwell, J. H., and Allan, G. L. 2001. Fish as food: aquaculture’s contribution: ecological and economic impacts and contributions of fish farming and capture fisheries. EMBO Rep. 2:958–63. doi: 10.1093/embo-reports/kve236

[5] FAO. 1997. Review of the State of World Aquaculture. FAO Fish. Circ. No. 886, 1–163.

[6] Schmidtko, S., Stramma, L., and Visbeck, M. 2017. Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades. Nature 542:335–9. doi: 10.1038/nature21399

[7] Turgeon, S. C., and Creaser, R. A. 2008. Cretaceous oceanic anoxic event 2 triggered by a massive magmatic episode. Nature 454:323–6. doi: 10.1038/nature07076

[8] IPCC. 2013. “Climate change 2013: the physical science basis,” in Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, eds T. F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, et al. (Cambridge; New York, NY: IPCC), 1535.

[9] Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO, Inland Water Resources and Aquaculture Service, and Fishery Resources Division. 1997. Review of the state of world aquaculture. FAO Fish Circ. (1997) 1–163.