Frontiers for Young Minds

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

תנועתו של פחמן דו-חמצני בעולם הקפוא של קרח ים

תַקצִיר

בכל חורף, שמיכה קפואה שידועה כקרח ים מכסה לגמרי את האוקיינוס הארקטי. במשך מאות שנים, קרח ים נצפה כמִכְסֶה מוצק על גבי האוקיינוס, שפועל כמו גבול שחוסם גזים אשר נעים בין האוקיינוס לבין האטמוספרה. אולם תגליות מדעיות בשנים האחרונות הראו שקרח הים דומה יותר לספוג, חומר נקבובי שהוא גם ביתן של צורות חיים מיקרוסקופיות. הנקבוביות בקרח הים מלאות נוזל מלוח מאוד שנקרא מי מלח, שהוא עשיר בפחמן דו-חמצני (CO2). כיסי הנוזל האלה יוצרים רשת של צינוריות או תעלות שמניעות גזים כמו CO2, בדומה לאופן שבו ורידים ועורקים מניעים דם בגופנו. במאמר זה, תגלו כיצד CO2 נכנס, יוצא ומותמר באחת הסביבות הקשוחות ביותר על פני כדור הארץ.

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).

איור 1 - מחזור קרח הים העונתי באזור הארקטי.
  • איור 1 - מחזור קרח הים העונתי באזור הארקטי.
  • הקו הכתום מראה את ממוצע כיסוי הקרח ההיסטורי משנת 1979 ועד 1990. הקו האדום מראה את הכיסוי ב-2012, כאשר הקרח הגיע לשיא מינימום. שנת 2019 מוצגת בכחול. התמונה משמאל מראה את כיסוי קרח הים בסוף החורף של 2019, והתמונה מימין מראה את הכיסוי בסוף הקיץ. מאז שנת 2000, כיסוי קרח הים בקיץ פחת באופן משמעותי. מפות ותאריכים לקוחים ממרכז הנתונים הלאומי לשלג וקרח (NSIDC), אוניברסיטת קולורדו, בולדר, קולורדו.

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.

איור 2 - קרח ים במבט מקרוב.
  • איור 2 - קרח ים במבט מקרוב.
  • בפאנל העליון מוצגת תמונת לוויין של האוקיינוס הארקטי בסוף קיץ 2019. הקו הצהוב מראה את הכיסוי ההיסטורי (1979 עד 1990) של קרח הים בקיץ. אנו יכולים לראות שכעת ישנו פחות קרח באוקיינוס הארקטי במהלך הקיץ. בעבר, כיסוי קרח הים בקיץ הגיע מעבר לקו הצהוב. הפאנל האמצעי מראה מדענים שדוגמים קרח ים במהלך עונת הקיץ. הפאנל התחתון מראה מצד שמאל את המבנה הפנימי של הקרח, ומצד ימין את ליבות הקרח שמכילות הרבה אצות בקרקעית. הפאנל התחתון גם מראה היכן CO2 נכלא בתוך קרח ים:
    1. במי המלח שבהם CO2 מאוחסן במצב מומס,
    2. בבועות שבהן CO2 מאוחסן בפאזה גזית,
    3. בגבישים של קלציום קרבונט שבהם CO2 מאוחסן בצורה מוצקה כאבנים,
    4. באצות קרח ים שבהן CO2 מאוחסן כפחמן (מזון סוכרי) (http://www.arcodiv.org/seaice/diatoms/IceDiatoms.html).

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).

איור 3 - כיצד CO2 נע מהאטמוספרה אל האוקיינוס? CO2 נמצא באטמוספרה כגז, והוא יכול להימס במי הים.
  • איור 3 - כיצד CO2 נע מהאטמוספרה אל האוקיינוס? CO2 נמצא באטמוספרה כגז, והוא יכול להימס במי הים.
  • ברגע שהוא במי הים, הוא יכול להיות משונע על ידי זרמים על קרקעית האוקיינוס. אנו מכנים זאת ’משאבת מסיסות’ (חץ כחול). קרח ים גם יכול להחליף CO2 עם האטמוספרה. ה-CO2 בקרח הים מומס בתוך מי המלח, או מאוחסן כגז בבועות, או בפאזה מוצקה כאבני קלציום קרבונט. חלק ממי המלח שמכילים CO2 נדחים על ידי מי הים שמתחתם, ומשונעים אל החלק הפנימי של האוקיינוס. התהליך הזה כולא CO2 בקרקעית האוקיינוס במשך זמן רב (חץ לבן). אצות קרח ים משתמשות ב-CO2 כדי לגדול, בתהליך של פוטוסינתזה. אנו מכנים זאת ’משאבה ביולוגית’ (חץ ירוק). ה-CO2 נאגר באצות כמזון, ויכול לנוע במעלה שרשרת המזון כאשר האצות נאכלות על ידי מלחכי עשב, שבתורם נאכלים על ידי חיות גדולות יותר.

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.


מקורות

[1] Thomas, D. N. (Ed.). 2017. Sea Ice. Norwich:John Wiley & Sons.

[2] Glessmer, M. 2019. How does ice form in the sea? Front. Young Minds 7:79. doi: 10.3389/frym.2019.00079

[3] Hubbe, A., and Hubbe, M. 2019. Current climate change and the future of life on the planet. Front. Young Minds 7:37. doi: 10.3389/frym.2019.00037

[4] Ghosh, T., and Mishra, S. 2017. How does photosynthesis take place in our oceans? Front. Young Minds 5:34. doi: 10.3389/frym.2017.00034