Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי כדור הארץ ומשאביו פורסם: 29 בספטמבר, 2022

עתיד האוקיינוס הארקטי: מהי המשמעות עבור קרח ים ויצורים קטנים?

תַקצִיר

התחממות כדור הארץ משנה באופן קיצוני את האוקיינוס הארקטי, המוכר גם כאוקיינוס הקרח הצפוני. האזור שמכוסה על ידי קרח ים מתכווץ, והקרח הנותר צעיר יותר ודק יותר. אנו השתתפנו במסע לאוקיינוס הארקטי, במטרה לחקור כיצד השינויים האלה משפיעים על אורגניזמים שחיים בתוך הקרח ומתחתיו. בעקבות המסע הזה, מצאנו כי סוּפוֹת יכולות לשבור את הקרח הדק בקלות רבה יותר. סופות יוצרות סדקים בקרח הים, דרכם אור השמש חודר למים שמתחת לקרח. תהליך זה מאפשר גדילתן של אַצּוֹת, שהן ’צמחים’ מיקרוסקופיים הגדלים במים או בקרח ים. סופות הביאו גם שלג עבה וכבד, אשר דחף את פני השטח של הקרח מתחת למים. השלג הוצף ונוצרה שְׁלוּגִית (שלולית בשלג), אשר גילינו כי היא סביבת מִחְיָה טובה נוספת עבור אצות. אם קרח ים ארקטי יוסיף להיעשות דק יותר, והסופות תהיינה שכיחוֹת יותר, אנו צופים כי חשיבותן של סביבות מחיה אלה של אצות תִּגְבַּר בעתיד.

הקדמה

קרח ים ארקטי הוא שכבה של מים קפואים הַמְּכַסִּים את האוקיינוס הצפוני ביותר בכדור הארץ. קרח ים נע כל הזמן בתגובה לזרמי אוקיינוס ולרוחות, והוא גם רגיש לשינויים בטמפרטורה. בעבר, עוביו היה כמה מטרים והוא היה נמס באופן חלקי בלבד בקיץ. עם עליית הטמפרטורות כתוצאה משינויי אקלים, יותר ויותר קרח נמס במהלך הקיץ. המשמעות היא שכיום חלק גדול יותר של כיסוי הקרח הוא צעיר ודק, מאחר שהיה לו חורף אחד בלבד לגדול [1]. שינויים אלה משליכים על מערכת האקלים ועל אורגניזמים שחיים באוקיינוס הארקטי (נסקר במאמר [1]). לדוגמה, שינויים בעובי הקרח משפיעים על כמות אור השמש והחום שמגיעים לאוקיינוס. חום רב יותר שנצבר במים שבפני השטח מוביל לגדילה פחותה של קרח, ולהֲמָסָה נוספת שלו. אור שמש רב יותר מתחת לקרח מאפשר גדילה רבה יותר של אצות באוקיינוס. מאחר שאצות אחראיות לייצור מזון באוקיינוס באותו האופן שבו צמחים אחראים לייצור מזון ביבשה, חשוב לדעת אֵילוּ סוגי אצות יגדלו באוקיינוס הארקטי, וכמה. זה יסייע לנו לחזות כיצד יגיבו לשינוי אורגניזמים אחרים, כמו למשל דגים ועופות ימיים. בשנת 2015, לקחנו חלק במסע מחקר באזור הארקטי במטרה לאסוף נתונים שיסייעו לנו להתמודד עם האתגר הזה.

במהלך מסע המחקר, ספינת מחקר נורווגית בשם Lance עוגנה לקרח ים אשר יוֹצא מהאוקיינוס הארקטי (2A ,1 איורים); [2]). הספינה נסחפה עם קרח הים במשך חצי שנה, בלי להשתמש במנוע. מינואר ועד יוני ,2015 השתמשנו בספינה כבסיס לביצוע מדידות של האטמוספרה, הקרח והאוקיינוס, כמו למשל טמפרטורה; עומק השלג; עובי הקרח; סוג האצות שנמצאות באזור וכמּוּתָן (איור 2). המדידות שערכנו במסע המחקר לימדו אותנו על מאפיינים חדשים המתהווים באוקיינוס הארקטי כתוצאה משינויי אקלים מתמשכים. כדי ללמוד עוד על הפרויקט, אנו מזמינים אתכם לבקר באתר האינטרנט שלנו, בכתובת www.npolar.no/nice2015, או לְאַתֵּר את התגית #nice2015arctic בַּמֶּדְיָה החברתית. במאמר זה נסביר את ממצאינו לגבי האופן שבו שינויים בקרח הים משפיעים על ’בֵּיתָן’ של האצות,קרח הים ועל סביבות המחיה שנמצאות תחתיו.

איור 1 - מפה של אזור המחקר.
  • איור 1 - מפה של אזור המחקר.
  • המפה מציגה את מסלול הסחיפה של ספינת המחקר Lance (חיצים בסגול); תבניות תנועה של קרח ים (חיצים בתכלת) וזרמי אוקיינוס חמים (חיצים באדום). האזור המוצל מציין את ההיקף הרגיל של כיסוי קרח ים. תמונת הרקע נלקחה מ- Blue Marble Next Generation (NASA).
איור 2 - תמונות ממסע המחקר שערכנו.
  • איור 2 - תמונות ממסע המחקר שערכנו.
  • (A) ספינת המחקר Lance קפואה בקרח הים במהלך המסע. סביב לספינה ניתן לראות חלק מציוד המחקר שלנו, כמו למשל אוהלים ומזחלות. קרדיט לתמונה: Seb Sikora. (B) במהלך החורף, השמש אינה זורחת באזור הארקטי. הלילה נמשך 24 שעות ביממה, והעבודה צריכה להתבצע בחושך. לדוגמה, קשה לראות את דובי הקוטב! קרדיט לתמונה: Jago Wallenschus. (C) דגימה של מי ים דרך חור שקדחנו בקרח הים. קרדיט לתמונה: Marcel Nicolaus. (D) התמונה שצולמה באמצעות מיקרוסקופ מציגה מושבה של אצות מסוג Phaeocystis pouchetii שנצפתה יוצרת פריחה במים מתחת לקרח. קרדיט לתמונה: Jozef Wiktor. (E) שלוגית ירוקה וחומה על הקרח מתחת לשלג: זו אצה! קרדיט לתמונה: Hanna Kauko. (F) תמונת מיקרוסקופ של שרשרת צוֹרָנִיּוֹת: סוג של אצה שמצאנו בשלוגית. קרדיט לתמונה: N-ICE2015 biology team.

מה גורם לאצות לגדול היכן שהן גדלות?

אנחנו, ביולוגים של קרח ים, הִתְעַנְיַנּוּ במיוחד בחקירת אצות. כמעט כל המזון באוקיינוס מיוצר על ידי אצות, שמסוגלות לייצר סוכרים אורגניים באמצעות אור שמש, ממש כפי שצמחי יבשה עושים על האדמה. תהליך זה נקרא פוטוסינתזה. בעמודת המים ובתוך קרח הים, האצות קטנות מאוד, גודלן מיקרוסקופי, והן נקראות פִיטוֹפְּלַנְקְטוֹן ואצות קרח, בהתאמה.

באביב, הופתענו למצוא כמויות גדולות של פיטופלנקטון הַגָּדֵל במים מתחת לקרח הים [3]. באופן טיפוסי, מעט מאוד אור שמש מגיע למים מתחת לקרח הים, מאחר שהאור מוחזר חזרה על ידי הקרח והשלג הלבנים. מַרְבִּית הפיטופלנקטון שמצאנו שם היו ממין Phaeocystis pouchetii (איור 2D). מין זה של אצות הוא חַד-תָּאִי, אך התאים יכולים להתחבר יחד ליצירת מושבות שקוטרן עד 0.2 מילימטרים, וניתן לראותן בעינינו.

מאוחר יותר באביב, לקראת סוף מסענו, מצאנו כמויות גדולות של אצות על גבי קרח הים, בשכבה שבין השלג העבה לכיסוי הקרח הדק יחסית ( 2E איור; [4]). באופן טיפוסי, סביבת המחיה העיקרית עבור אצות קרח היא קרקעית הקרח, אשר לה אינטראקציה עם מי הים. כאשר ניתחנו את קהילות האצות האלה מתחת למיקרוסקופ, גילינו כי הן מכילות מינים שמצויים בדרך כלל בעמודת המים, כמו למשל צוֹרָנִיּוֹת שיוצרות שרשראות (איור 2F). מינים אלה אינם טיפוסיים לקרח הים.

כדי לגלות כיצד האצות הללו הגיעו למקום שבין השלג לקרח, ומה אִפְשֵׁר את גדילתן בסביבות המחיה האלה, כלומר, סוגי ה’בתים’ השונים, פנינו אל עמיתינו מתחומי האוקיינוֹגרפיה ופיזיקה של קרח ים. ביקשנו לשמוע מהם מה התרחש לכיסוי הקרח בחודשים הקודמים (איור 3).

איור 3 - מסע המחקר הניב תגליות ביולוגיות מעניינות רבות.
  • איור 3 - מסע המחקר הניב תגליות ביולוגיות מעניינות רבות.
  • תצפיות שערכנו במהלך החורף על התהליכים הפיזיקליים באטמוספרה; על השלג; על הקרח ועל האוקיינוס סייעו לנו להסביר מדוע האצות גדלות בסביבות מחיה מסוימות. קרדיטים לתמונות המופיעות בקומיקס (בסדר עולה מ-1 עד 8): Paul Dodd, Polona Itkin, Paul Dodd, Seb Sikora, Mar Fernández-Méndez, Marcel Nicolaus, Mar Fernández-Méndez Amelie Meyer.

הַשְׁפָּעַת סופות על שבירת שכבות הקרח

חלק מהתהליכים המרגשים ביותר שצפינו בהם במסע המחקר שלנו התרחשו במהלך כמה סופות חורף חזקות שפקדו את האזור. סופות אלה הגיעו מהדרום והביאו עימן רוחות חזקות, שינויים מהירים בטמפרטורת האוויר ושלג כבד [5].

הרוחות החזקות הללו דחפו את הקרח סביב, ושברו אותו לחתיכות. עקב כך הקרח נעשה שברירי יותר וצורתו השתנתה, למראֶה המזכיר שדה סלעים [5]. תהליך זה פתח אזורי מים פתוחים, שמוכרים בשם ’leads‘. בסופו של דבר, אזורי המים הפתוחים כוסו על ידי קרח דק, אך כמויות גדולות של אור שמש עדיין יכלו לחדור דרכם, בהשוואה לקרח העבה יותר שכוסה בשלג [6].

כשחיברנו בין כל הממצאים, גילינו כי האצות יכלו לגדול מתחת לקרח הים באזורי המים הפתוחים הודותלחדירת אור השמש החיוני, אשר אִפְשֵׁר לאצות לבצע פוטוסינתזה [3]. האצות שמצאנו, ממין Phaeocystis pouchetii, יכולות להתמודד עם שינויים בין עוצמת אור נמוכה מתחת לקרח העבה לבין עוצמת אור גבוהה מתחת לאזורי המים הפתוחים, טוב יותר ממינֵי אצות אחרים. הדבר עשוי להסביר את הַצְלָחַת גדילתן מתחת לסוג הקרח הזה [3].

שלג כבד דוחף את פני השטח של הקרח מתחת למים ומציף אותם

במהלך מסע המחקר שלנו, עמיתינו, פיזיקאים של קרח ים, מצאו באופן בלתי צפוי שכבה עמוקה של שלג על גבי קרח הים. שכבת השלג הזו הייתה בעובי של כחצי מטר בקירוב. השלג הצטבר על גבי קרח הים במהלך כמה סופות שאירעו מוקדם יותר בחורף [5].

מצאנו כי קרח הים היה דק מאוד בהשוואה לשכבת השלג העמוק. המרקם האוורירי של השלג גורם לו להיות שמיכה מבוֹדדת יעילה ביותר על גבי הקרח. מאפיין זה שומר על הקרח חם, בהשוואה לאטמוספרה הקרה, וּמוֹנע מהקרח לגדול לעובי רב יותר במהלך החורף הקר.

בכמה מקרים, ראינו כי משקל השלג הכבד דחף את פני השטח של הקרח מתחת לגובה המים. הדבר דומה למה שקורה כאשר אתם יושבים על מָצוֹף שחייה בבריכה. זה גרם לשלג ולקרח להיות מוצפים בְּמֵי ים, מה שיצר שכבה של שלוגית. עם המים, כמויות קטנות של אצות הובאו אל החלק העליון של הקרח. אצות אלה פעלו בדומה לאופן שבו זרעים היו פועלים, והחלו לבנות קהילה של אצות בתוך שכבת השלוגית. זה הסביר את ממצאינו לגבי המינים שאיתרנו בעמודת המים. השלוגית יצרה מקום טוב לגדילת אצות ולהתרבּוּתן, מאחר שאור שמש רב יותר זמין בה מאשר מתחת לקרח, וישנן פחות חיות (זוֹאוֹפְּלַנְקְטוֹן) שאוכלות את האצות [4].

קרח ים יכול להימס גם מלמטה

הֲמָסָה של קרח עשויה גם לגרום לו להיות דק יותר וקל יותר בהשוואה לכיסוי השלג, ולהוביל להצפה של פני השטח. נוסף על כך שהוא מומס על ידי אור השמש באביב ובקיץ, קרח ים יכול להימס מלמטה אפילו אם טמפרטורת המים היא כמה מעלות בלבד. במהלך סופות, הרוחות החזקות מערבּלות את הקרח ואת האוקיינוס שמתחת לקרח, ומערבבות מים חמים יותר מהשכבות העמוקות יותר אל פני השטח, שם הם ממיסים את הקרח [7]. זהו תהליך מיוחד שמתרחש באזורים מסוימים של האוקיינוס הארקטי, שבו זרמי אוקיינוס חמים מצפון האוקיינוס האטלנטי זורמים לתוך האוקיינוס הארקטי מתחת לכיסוי הקרח (איור 1). טמפרטורת המים האטלנטיים החמים הללו היא בדרך כלל 2 מעלות צלזיוס – כמה מעלות יותר מהמים הארקטיים הקפואים, שהטמפרטורה שלהם היא -2 מעלות צלזיוס. עם התחממות האוקיינוס הגלובלית, ניתן לצפות כי בשלב מסוים בעתיד, האוקיינוס יהיה מסוגל להמיס את קרח הים מלמטה אפילו ללא סיוען של סופות: טמפרטורת המים האטלנטיים החמים מתחת לפני השטח של האוקיינוס צריכה להיות 5 מעלות צלזיוס בלבד כדי להמיס קרח ים ביעילות רבה מאוד, ללא הערבול הנוסף שנגרם על ידי סופות [8].

מסקנות – כיצד האוקיינוס הארקטי העתידי ייראה עבור אצות?

במהלך מסע המחקר שערכנו נוכחנו במה צופן העתיד בפני חייהן החדשים של האצות באוקיינוס הארקטי. אנו יודעים כי קרח נהיה דק יותר, ולכן כיסוי שלג יכול להיעשות עבה יותר בהשוואה לקרח. תהליך זה יגרום להתרחשויות שכיחוֹת יותר של היווצרות שכבות שלוגית, ויהפוך אותן לסביבת מחיה חשובה עבור אצות בעתיד. כיסויי שלג עמוקים יותר הנובעים מסופות תכופות יותר, עשויים אף הם להגביר את שכיחוּת שכבות השלוגית.

תדירותן של סופות חורף עולה, ככל הנראה כתוצאה משינויי אקלים. ככל שקרח הים הארקטי ממשיך להיעשות דק יותר, הוא נעשה רגיש יותר לסופות החורף הללו. אנו צופים כי בעתיד הקרח יישבר בקלות רבה יותר ויאפשר לאור שמש רב יותר לעבור דרכו, מה שעשוי לגרום לגדילת אצות מתחת לקרח להתרחש לעיתים קרובות יותר.

המחקר שלנו מסייע לנו לחזות כיצד האזורים השונים של כיסוי קרח הים הארקטי יגיבו לשינויי אקלים, ובאיזה אופן המערכות האקולוגיות הארקטיות עשויות להשתנות כתוצאה מכך. בכל זאת, עדיין ישנן כמה שאלות שאין לנו תשובה עליהן: לדוגמה, האם התהליך כבר מתרחש בכל רחבי האזור הארקטי, וכיצד הוא יתקדם אל עבר הקוטב הצפוני? כיצד האוקיינוס יהיה כאשר כל הקרח יימס בקיץ? איזה סוג אצות יחיה באוקיינוס הארקטי בעתיד? יש עוד כל כך הרבה מה לגלות!

מילון מונחים

האזור הארקטי (Arctic): אזור קוטב הממוקם בחלק הצפוני ביותר של כדור הארץ, ולעיתים קרובות מוגדר בתור האזור שמצפוֹן למעגל הארקטי (66° 33′ N). כ-%60 מהאזור הארקטי הוא ים, וחלק גדול ממנו מכוסה בקרח ים לאורך כל השנה.

קרח ים (Sea Ice): מֵי אוקיינוס קפואים. קרח ים נוצר באוקיינוס, גדל בו ונמס בו. בניגוד לכך, קרחונים ימיים, קרחונים יבשתיים ומדפי קרח נוצרים ביבשה ומורכבים ממים מתוקים שמקורם בשלג דחוס.

זרמי אוקיינוס (Ocean Currents): מתארים את תנועת המים ממיקום אחד לאחר, בדומה לרוח באטמוספרה. זרמי אוקיינוס מוּנָעִים על ידי רוח, הבדלים בצפיפות מים וכן גאוּת ושפל. זרמים אלה משפיעים על אקלים כדור הארץ על ידי כך שהם מניעים מים חמים מקו המשווה ומים קרים מהקטבים סביב כדור הארץ.

אצות (Algae): אורגניזמים שגדלים במים ויכולים לְקַבֵּעַ פחמן מהאטמוספרה כפי שצמחים עושים ביבשה. האצות שנמצאות באוקיינוס הארקטי הגבוה, הן אורגניזמים זעירים וחד-תאיים.

סביבת מחיה (Habitat): מקום או אזור בעל תנאים סביבתיים מסוימים, שבו חי סוג מסוים של אורגניזמים.

פוטוסינתזה (Photosynthesis): התהליך שבו אצות וצמחים ממירים, בסיוע אור השמש, פחמן אי-אורגני מהאטמוספרה או מהמים לתרכובות אורגניות. עם תרכובות אלה נמנים למשל סוכרים, ובהן הצמחים והאצות משתמשים לגדילה. אורגניזמים אחרים נסמכים על הסוכרים האלה ועל תרכובות אחרות בתור המזון שלהם. במסגרת תהליך הפוטוסינתזה משוחרר חמצן.

צורנית (Diatom): סוג של אצה חד-תאית שהדופן שלה עשויה מינרל בשם סִילִיקָט, הדומה לזכוכית. צורניות שכיחוֹת מאוד בים וחשובות במסגרת שרשראות המזון הארקטיות. ישנם מינים רבים שונים של צורניות, וניתן לזהותם באמצעות מיקרוסקופ.

מערכת אקולוגית (Ecosystem): קבוצה או קהילה של אורגניזמים חיים מקושרים, וסביבתם. דוגמאות למערכות אקולוגיות ימיות כוללות שׁוּנִיּוֹת אלמוגים; עומק הים וכמובן מערכות אקולוגיות ארקטיות.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

תודות

קמפיין ה-N-ICE2015 הוּבַל ונתמך על ידי המרכז הקודם לקרח, אקלים ומערכות אקולוגיות במכון הקוטב הנורווגי. פרויקט המחקר Boom or Bust (מספר 244646) של מועצת המחקר הנורווגית היה מרכזי עבור החלק הביולוגי של הקמפיין, לרבּוֹת תמיכה ב-HK במהלך הקמפיין. MF-M נתמכה על ידי תוכנית Arktis 2030 במימון המשרד לענייני חוץ והמשרד לאקלים ולסביבה, נורווגיה (שם מזהה Arctic). אנו מבקשים להודות גם למובילי הפרויקט ולמדענים שותפים ב-N-ICE2015, וכן לקברניטים של RV Lance ולצוות הספינה על תמיכתם. AM מודה לתמיכה ממרכז ARC למצוינוּת עבור קיצוֹנוּיוֹת אקלים (CE170100023). PI נתמכה על ידי פרויקט מועצת המחקר הנורווגית מספר 287871.


מקורות

[1] Meier, W. N., Hovelsrud, G. K., van Oort, B. E. H., Key, J. R., Kovacs, K. M., Michel, C., et al. 2014. Arctic sea ice in transformation: a review of recent observed changes and impacts on biology and human activity. Rev. Geophys. 51:185–217. doi: 10.1002/2013RG000431

[2] Granskog, M. A., Assmy, P., Gerland, S., Spreen, G., Steen, H., and Smedsrud, L. H. 2016. Arctic research on thin ice: consequences of Arctic sea ice loss. Eos Trans. AGU. 97:22–6. doi: 10.1029/2016EO044097

[3] Assmy, P., Fernández-Méndez, M., Duarte, P., Meyer, A., Randelhoff, A., Mundy, C. J., et al. 2017. Leads in Arctic pack ice enable early phytoplankton blooms below snow-covered sea ice. Sci. Rep. 7:40850. doi: 10.1038/srep40850

[4] Fernández-Méndez, M., Olsen, L. M., Kauko, H. M., Meyer, A., Rösel, A., Merkouriadi, I., et al. 2018. Algal hot spots in a changing Arctic Ocean: sea-ice ridges and the snow-ice interface. Front. Mar. Sci. 5:75. doi: 10.3389/fmars.2018.00075

[5] Graham, R. M., Itkin, P., Meyer, A., Sundfjord, A., Spreen, G., Smedsrud, L. H., et al. 2019. Winter storms accelerate the demise of sea ice in the Atlantic sector of the Arctic Ocean. Sci. Rep. 9:9222. doi: 10.1038/s41598-019-45574-5

[6] Kauko, H. M., Taskjelle, T., Assmy, P., Pavlov, A. K., Mundy, C. J., Duarte, P., et al. 2017. Windows in Arctic sea ice: light transmission and ice algae in a refrozen lead. J. Geophys. Res. Biogeosci. 122:1486–505. doi: 10.1002/2016JG003626

[7] Meyer A., Fer I., and Sundfjord A. 2017. Mixing rates and vertical heat fluxes north of Svalbard from Arctic winter to spring. J. Geophys. Res. Oceans. 122:4569–86. doi: 10.1002/2016JC012441

[8] Duarte, P., Sundfjord, A., Meyer, A., Hudson, S. R., Spreen, G., and Smedsrud, L. H. 2020. Warm Atlantic Water explains observed sea ice melt rates north of Svalbard. J. Geophys. Res. Oceans.. 125e2019JC015662. doi: 10.1029/2019JC015662