קוטב נמס בְעולם מתחמם

האזורים הארקטי והאנטרקטי הם הקטבים הצפוני והדרומי של כדור הארץ. הם יוצאי דופן בכוכב שלנו בהיותם מִדְבָּרִים עוינים וקפואים עם ממוצע טמפרטורות חורף של 40- מעלות צלזיוס בקוטב הצפוני, ו–60- מעלות צלזיוס בקוטב הדרומי. במהלך החורף, אזורי הקוטב חווים חודשים של חושך מוחלט, בעוד שבמהלך הקיץ השמש מעולם לא שוקעת שם. אף על פי ששני אזורי הקוטב קרים ומקבלים את אותה כמות אור שמש במהלך השנה, ישנם הבדלים משמעותיים בין האזור הארקטי ובין האזור האנטרקטי.

אנטרקטיקה היא יבשת שמכוסה בקרח ומוקפת על-ידי האוקיינוס הדרומי. האזור הארקטי הוא בעיקר אוקיינוס שמכוסה על-ידי קרח ים ומוקף על-ידי שלוש יבשות: צפון אמריקה, אסיה ואירופה. שינויי האקלים הנוכחיים מעלים את טמפרטורות האוויר והאוקיינוס, וגורמים לאזור שמכוסה בקרח להצטמק. במהלך 30 השנים האחרונות, כ-2.4 מיליוני מטרים רבועים של קרח ים ארקטי נמסו – זה שקוּל לאזור בגודל של מערב אירופה (איור 1). אף על פי שהאזור הארקטי הוא אוקיינוס, קרח הים משמש כמו משטח אדמה שיוצר סביבת מחיה חשובה לחיות כמו אריות ים ודובי קוטב (איור 2). מאז שנות ה-70 של המאה הקודמת, כמעט 40% מקרח הים הארקטי נעלם, וחיות קטנות וגדולות שחיות על הקרח הזה מאבדות את בתיהן וצריכות למצוא אזורי מחיה אחרים, לפני שהן ייכחדו. מצד אחר מיני דגים מסוימים ואצות שידועות בשם פיטופלנקטון יכולים כעת לשגשג באזורים נטולי הקרח החדשים (איור 2).

קליטת פחמן דו-חמצני על-ידי פלנקטון

שינויי האקלים הנוכחיים גורמים לטמפרטורות האוויר לעלות בערך פי שתיים מהר יותר מממוצע הטמפרטורות בשאר העולם [2]. הטמפרטורות העולות באזור הארקטי לא רק ימיסו את הקרח, אלא גם יגרמו לכמויות גדולות יותר של מים מתוקים מקרחונים נמסים לזרום לתוך האוקיינוס הארקטי. המים המתוקים האלה יכולים להיות עשירים בחומרי מזון שמספקים דלק הכרחי לגדילת פיטופלנקטון. אצות פיטופלנקטון הן חשובות מאוד; כמו צמחים על האדמה, האורגניזמים האלה נמצאים בתחתית שרשרת המזון, ולכן הם הבסיס של כמעט כל צורת החיים באוקיינוס. אולם אצות פיטופלנקטון הן יותר מרק מקור מזון עבור חיות קטנות וגדולות, כמו דגים ושרימפסים. כמו כל הצמחים, אצות פיטופלנקטון לוקחות פחמן דו-חמצני (CO₂) מהאטמוספרה, ובאמצעות אנרגיית השמש מפרקות אותו לפחמן (C) ולחמצן (O₂). החמצן משוחרר חזרה לאוויר או למים. הפחמן משמש את אצות הפיטופלנקטון ליצירת הרקמות שלהן. לכן, לצמחים יש יכולת ייחודית להתמיר CO₂ מהאטמוספרה לתרכובות אחרות במהלך הפוטוסינתזה, ובקרוב תראו מדוע זה חשוב.

מחזור הפחמן

מתוך 118 היסודות הכימיים הידועים, כמות קטנה בלבד אפשר למצוא באורגניזמים חיים. באופן מדהים, המורכבוּת העצומה של חיים על כדור הארץ מורכבת כמעט לחלוטין מארבעה יסודות בלבד: פחמן (C), מימן (H), חמצן (O) וחנקן (N). לדוגמה, כ-99% מהגוף שלכם מכיל את ארבעת היסודות האלה! אם אורגניזמים כמו בני אדם או פיטפלנקטון מתים, הגוף שלהם מתפרק ל-C, H, O ו-N. במהלך התהליך הזה, הפחמן מותמר חזרה ל-CO₂. כפי שאמרנו, אצות פיטופלנקטון יכולות לצרוך CO₂ במהלך פוטוסינתזה, מה שמפחית את כמות ה-CO₂ באטמוספרה. אולם כשאצות פיטופלנקטון מתות ונרקבות, אותה כמות ה-CO₂ שהן קלטו משתחררת חזרה אל האטמוספרה. זה לא קורה רק עם פיטופלנקטון – כשעצים בחצי הכדור הצפוני מאבדים את עליהם באביב, ריכוז ה-CO₂ העולמי עולה, ובסתיו, כשעלים חדשים גדלים חזרה, ריכוז ה-CO₂ העולמי שוב צונח (איור 3). אז, בטבע, CO₂ מוּסָר באופן רציף מהאטמוספרה, ומוּסָף חזרה לאטמוספרה. זה נקרא מחזור הפחמן הביולוגי. אם הייצור והצריכה של פחמן נמצאים בשיווי משקל, ריכוז ה-CO₂ באטמוספרה צריך להיות קבוע. אולם שינויי סביבה גדולים ופעילויות אנושיות יכולים לשבור את שיווי המשקל הזה. לדוגמה, אם יער טרופי מוחלף על-ידי מדבר עם צמחים בודדים, הפחמן שמאוחסן ביער ישתחרר לאטמוספרה ולא ייקלט חזרה.

למרות מה שאולי שמעתם בחדשות, CO₂ אינו תמיד הבחור הרע! CO₂ הכרחי עבור ויסות טמפרטורת כדור הארץ. ללא גזי חממה כמו CO₂, החיים על פני כדור הארץ לא היו מתקיימים מאחר שטמפרטורת כדר הארץ הממוצעת הייתה צונחת ל-18- מעלות צלזיוס, והיא הייתה קרה מדי עבור יצורים חיים [3]. אולם על-ידי שריפת דלקי מאובנים, אנו משחררים במהרה כמויות גדולות של CO₂ לאטמוספרה. מאחר שה-CO₂ הזה לא יכול להיקלט חזרה באותה המהירות שבה הוא משתחרר על-ידי שריפת דלקי מאובנים, ישנו חוסר איזון במחזור הפחמן, ועלייה בכמות ה-CO₂ באטמוספרה (איור 3). חוסר האיזון הזה הוא מה שמניע את שינויי האקלים הגלובליים המהירים שגורמים לכאלה בעיות היום. כדי להבין ולצפות טוב יותר את האקלים העתידי של כדור הארץ, חשוב להבין ולזהות את הדרכים שבהן CO₂ משוחרר לאטמוספרה, ואת הדרכים שבהן הוא מוּסָר מהאטמוספרה. בזמן שהאזור הארקטי משתנה ממדבר קרח לאוקיינוס פתוח, אנו צריכים להבין כיצד השינוי הסביבתי הגדול הזה ישפיע על מחזור הפחמן הגלובלי.

קבירת פחמן במשקעים ימיים ארקטיים

הדרך העיקרית להפחית את כמות ה-CO₂ באטמוספרה לטווח ארוך היא לאחסן את הפחמן במשקעים של כדור הארץ – שם הוא אוחסן עד שהוא שוחרר על-ידי שריפת דלקי מאובנים. האחסון הזה מתרחש באופן טבעי כשיצורים חיים, כמו פיטופלנקטון, מתים ושוקעים למטה למשקעים שעל קרקעית הים (איור 2). האורגניזמים המתים שמגיעים לקרקעית הים מהווים מקור מזון לאורגניזמים אחרים שחיים שם כמו כוכבי ים, תולעים וחיידקים. החיות האלה צורכות חומר אורגני ומפרקות אותו למרכיבים שלו (איור 2). מרבית הפחמן והיסודות האחרים שמשתחררים במהלך התהליך הזה נשארים במים ומזינים אורגניזמים אחרים, אולם כמויות קטנות של פחמן נקברות ומאוחסנות במשקעי האוקיינוס. אף על פי שכמות הפחמן שנלכדת באופן הזה קטנה [4], ברגע שהוא נלכד הוא לא יכול להשתחרר בחזרה אל האטמוספרה. מאחר שאוקיינוסים מכסים יותר מ-70% משטח כדור הארץ, לתהליך הזה יש השלכה אדירה על מחזור הפחמן. אנו קוראים ללכידה הזו בשם קבירת פחמן, והיא מנגנון חשוב מאוד שוויסת את ריכוזי ה-CO₂ באטמוספרה, ולכן את טמפרטורת כדור הארץ, במשך מיליארדי שנים. התהליכים ששולטים בקבירת הפחמן עדיין לא מובנים בצורה טובה, ומדענים עובדים כדי להבין אותם טוב יותר.

האם התחממות של האזור הארקטי תגדיל קבירת פחמן במדפי משקעים ארקטיים?

האוקיינוס הארקטי עמוק מאוד באזורים מסוימים, כמעט 5.5 קילומטרים, אולם הוא רדוד (רק 50-340 מטרים) ליד האדמות שמקיפות אותו. החלקים הרדודים האלה מייצגים כמחצית מהאוקיינוס הארקטי. פיטופלנקטון רב גדל באזורים הרדודים האלה במהלך הקיץ, כשאור השמש מאיר 24 שעות ביממה. גדילת הפיטופלנקטון תומכת במערכות אקולוגיות עשירות ומגוונות באוקיינוס, על הקרח ובקרקעית הים, כך שאזורי המדף הארקטיים האלה חשובים במיוחד למחזור הפחמן ולקבירת פחמן. השׁערה אחת היא שאם ישנם מספיק חומרי מזון כדי לתמוך בגדילה של פיטופלנקטון, התחממות האזור הארקטי עשויה להוביל לפריחה גדולה של פיטופלנקטון, מה שיכול לגרום לקליטה רבה יותר של CO₂ מהאטמוספרה ואחסון שלו בקרקעית האוקיינוס הארקטי (איור 2). אולם תגובות הסביבה לשינויים בקרח הים מורכבות, מגוונות, ולא מובנות כל כך. לדוגמה, מצפי לוויינים הראו שבחלק מהאזורים הארקטיים עונות קרח ימי קצרות יותר, ולכן עונות גדילה ארוכות יותר, הגדילו את כמות הפיטופלנקטון הכוללת, אולם באזורים אחרים, נראה שהפחתה בכמויות קרח הים השפיעה על תחלופת המים, אשר שינתה את זמינות חומרי המזון והפחיתה את כמות הפיטופלנקטון.

מאחר ש-CO₂ באטמוספרה מחולק באופן שווה סביב לעולם, שינויים במחזור הפחמן הארקטי ישפיעו על כדור הארץ כולו. לכן, שינויים בכמות קבירת הפחמן באזור הארקטי חשובים גם הם לשאר העולם. נדרש מחקר רב יותר במטרה להבין את התפקיד החשוב והקריטי של מחזור הפחמן באוקיינוס הארקטי באקלים הגלובלי. מדענים ברחבי העולם מעורבים במאמץ המחקרי העצום הזה. כתוספת אחרונה למאמץ המחקרי הבינלאומי הזה, פרויקט שינויים בקרקעית הים הארקטי (ChAOS) הוא שיתוף פעולה בבריטניה שחוקר כיצד מערכות אקולוגיות בקרקרעית הים מושפעות על-ידי התחממות ואובדני קרח ים באזור הארקטי, וכיצד השינויים האלה יכולים להשפיע על קבירת פחמן כיום ובעתיד.

מדעני ChAOS מנסים למצוא תשובות לשאלות כאלה, כמו למשל: כיצד חיות ומיקרואורגניזמים שחיים בקרקעית האוקיינוס יגיבו לשינויים בקרח הים ולתהליכים באוקיינוס? האם ירידה בקרח הים תגדיל את אספקת המזון למערכות אקולוגיות בקרקעית הים? כיצד אורגניזמים שחיים בקרקעית הים ישנו את האופן שבו הם ממחזרים חומרי מזון ופחמן בין קרקעית הים לבין האוקיינוס? וכיצד כמות הפחמן שמאוחסן במשקעי קרקעית הים תשתנה עם שינוי האקלים הגלובלי? האזור הארקטי הוא רחוק ועוין, ורק כמות קטנה של אנשים תגיע אליו בחייהם. על-ידי שריפת דלקי מאובנים בני אדם התחילו שינוי סביבתי אדיר באזור שבו חיים רק מעט אנשים באופן קבוע. אנו יכולים לצפות ששינויים משמעותיים במערכת האקולוגית הארקטית, והשפעות על קבירת פחמן, יעצימו את גלי החום בכדור הארץ. מאחר ששינויים בקטבים משפיעים על כל אחד מאיתנו, לא משנה היכן אנו גרים, הכרחי לענות על שאלות מדעיות בסיסיות כדי שנוכל להבין טוב יותר את ההשפעות של שינויי הסביבה האדירים האלה על הציוויליזציה האנושית.

מימון

העבודה הזו מפרויקט ChAOS (NE/P006493/1), חלק מתוכנית השתנות האוקיינוס הארקטי, מומנה עם מועצת מחקר הסביבה הטבעית UKRI (NERC) והמשרד הפדרלי הגרמני לחינוך ומחקר (BMBF).

מילון מונחים

אקלים (Climate): ↑ שינוי בטמפרטורת האוויר, במהירות הרוח ובכיוונהּ, במשקעים ובכיסוי העננים בתקופת זמן של שעות, ימים ושבועות היא מה שאנו מכנים “מזג אוויר”. אקלים הוא ממוצע של מזג האוויר על פני תקופות זמן ארוכות יותר (עשורים עד מיליוני שנים) במיקום מסוים. בלתי אפשרי לראות אקלים, להרגיש אותו, או למדוד אותו.

סביבת מחיה (Habitat): ↑ סביבת מחיה היא סביבה שבה צמח או בעל חיים חי וגדל באופן רגיל.

חומרי מזון (Nutrients): ↑ חומר מזון הוא כימיקל שדרוש לאורגניזם כדי לחיות.

שרשרת המזון (Food Chain): ↑ שרשראות מזון מתחילות עם חיי הצמחים, אשר ממירים אנרגיית שמש למזון באמצעות פוטוסינתזה. חיות שאוכלות צמחים נאכלות על-ידי חיות שאוכלות בשר. חיות אוכלות בשר קטנות יותר נאכלות על-ידי חיות אוכלות בשר גדולות יותר. לדוגמה, גזרים נאכלים על-ידי ארנבים, ארנבים נאכלים על-ידי שועלים ושועלים נאכלים על-ידי דובים.

פחמן (Carbon): ↑ פחמן הוא יסוד כימי שמסומן ב-C, והוא אחד היסודות השכיחים ביותר על פני כדור הארץ, וביקום כולו. בצורתו הטהורה, פחמן קיים כגרפיט או יהלום. הוא קיים בכל האורגניזמים החיים, והוא חלק חשוב מפחם ומשמן. כשפחמן נשרף, הוא מגיב עם חמצן (O) ויוצר גז שנקרא פחמן דו-חמצני (CO2).

הצהרת ניגוד אינטרסים

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