מהו מחזוֹר הפחמן?

פחמן דו-חמצני (CO₂) קיים באופן טבעי באטמוספרה של כדור הארץ. זהו גז חממה – ייתכן שתרצו לקרוא על כך עוד במאמר של ג'וני וויליאמס [1], אשר מסביר בהרחבה על האופן שבו תופעה זו גורמת לשינויי אקלים. פחמן דו-חמצני הכרחי לגדילתם של צמחים. כאשר צמחים גדלים, הם סופגים אותו מהאוויר. כשהם מתים, הפחמן הדו-חמצני חוזר חזרה אל האטמוספרה – זה ידוע כמחזוֹר הפחמן. הדבר דומה מעט למחזוֹר המים, שאתם ככל הנראה מכירים: כשיורד גשם על האדמה, המים זורמים דרך נהרות אל הים. לאחר מכן, הם יכולים להתאדות שוב לפני שיירדו פעם נוספת כגשם. המים נעים באופן מעגלי הלוך ושוב באופן מחזורי.

פחמן דו-חמצני מתנהג באופן דומה (איור 1). הוא יכול להיספג גם על ידי צמחים על האדמה וגם באוקיינוס, באמצעות צמחים זעירים שנקראים פִיטוֹפְּלַנְקְטוֹן. דרך תהליך הפוטוסינתזה, צמחים הופכים את הפחמן הדו-חמצני לפחמן שנדרש כדי לגדל את גופם, גזעיהם או עליהם. כאשר הצמחים מתים, הפחמן נכנס לאדמה, שם חיידקים ומיקרובים אוכלים אותו והופכים אותו חזרה לפחמן דו-חמצני . לפני שבני אדם התחילו לשרוף דלקי מאובנים רבים לפני כ-200 שנים, הכמות הכוללת של פחמן במחזור נשארה זהה. אולם כעת, בני אדם הוסיפו פחמן למחזור הפחמן על ידי כריתת עצים – בֵּרוּא, ושרפת פחם ונפט.

כיצד פחמן דו-חמצני באוויר השתנה במהלך ההיסטוריה?

בשנת 1958, מדענים החלו למדוד את הפחמן הדו-חמצני באוויר. במשך אלפי שנים, הוא היה קבוע. אם הייתם בוחנים מיליון מולקולות של אוויר, 280 מתוכן היו פחמן דו-חמצני. אנו קוראים לזה ''חלקים למיליון'' (ppm). אם כן, במשך שנים רבות ריכוז הפחמן הדו-חמצני היה 280 חלקים למיליון. לפני כ-200 שנים, עם תחילת התיעושׂ, בני אדם החלו לכרות עוד ועוד יערות ולשרוף דלקי מאובנים, כמו פחם וגז. הפעילויות האלה הכניסו עוד פחמן דו-חמצני לאוויר. מאז 1850 לערך, ריכוז הפחמן הדו-חמצני באוויר עלה. מדענים מדדו לראשונה פחמן דו-חמצני באוויר במַאוּנָה לוֹאָה, הוואי, שם יש מצפה בפסגה של הר געש גדול. זה מקום טוב למדידת פחמן דו-חמצני מאחר שהוא רחוק משטחי אדמה גדולים שבהם יש יותר זיהום. מדען מפורסם בשם צ'רלס קילינג המשיך לערוך את המדידות האלה [2], וכיום ניתן לראות שמאז 2016 ריכוז הפחמן הדו-חמצני הגיע ליותר מ-410 חלקים למיליון (איור 2). זו הסיבה העיקרית לכך שהאקלים שלנו התחמם בכמעלת צלזיוס אחת מאז המהפכה התעשייתית.

מה גורם לכמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה להשתנות?

אנו יודעים שפעילויות אנושיות מכניסות יותר פחמן דו-חמצני לאטמוספרה, אך בד בבד מחזור הפחמן מסיר חלק מהפחמן הדו-חמצני. זה גורם למוּרכבוּת בהבנה כמה פחמן דו-חמצני ימשיך להתווסף לאוויר. מדענים עבדו קשה מאוד כדי לאמוד את הפחמן דו-חמצני, וכעת אנו יודעים שכמחצית מפליטות הפחמן הדו-חמצני נותרות באוויר. צמחים ואוקיינוסים סופגים את השאר. במילים אחרות, אם אנו שורפים דלקי מאובנים ויוצרים ארבע טוֹנוֹת של פחמן דו-חמצני – כשתי טונות יישארו באוויר, טוֹנה אחת תיספג על ידי צמחים, וטונה אחת תיספג על ידי האוקיינוס.

אנו יודעים שכמות הפחמן הדו-חמצני באוויר עולה בכל שנה. מגמה זו נגרמת עקב כך שאנשים שורפים דלקים וכורתים עצים. ניתן גם לראות שבחלק מהשנים כמות ה פחמן דו-חמצני עולה מהר יותר מאשר בשנים אחרות. זה נכון אפילו אם כמות הדלק שאנו שורפים נשארת אותו הדבר בקירוב, ונובע מסוגי מזג אוויר שונים. שנים מסוימות הן חמות, ואחרות הן קרות. הבדלים במזג האוויר עשויים לשנות את כמות הפחמן הדו-חמצני שנספג. תבנית מזג אוויר שנקראת אֶל נִינְיו מתרחשת כל ארבע שנים בקירוב, וגורמת למקומות מסוימים להיות חמים ויבשים יותר מהרגיל. מזג האוויר החם יותר עשוי להאט את גדילתם של צמחים ולגרום ליותר שרפות, וההשלכה היא יותר פחמן דו-חמצני באוויר מהרגיל. איור 3 מציג את השינויים בפחמן דו-חמצני מדי שנה – אנו קוראים לכך קצב גידול. בשנים חמות, קצב הגידול גדול יותר מאשר בשנים קרות.

החשיבות שבחיזוי פחמן דו-חמצני

התהליך של ניבוי כמה פחמן דו-חמצני יגיע לאוויר בכל שנה נקרא חיזוי פחמן דו-חמצני. עבור חיזוי מדויק, עלינו להבין שלושה תהליכים: בכמה דלק העולם משתמש, כמה יערות נכרתים וכמה מזג האוויר יְשַׁנֶּה תהליכים טבעיים.

בסוף 2015, ידענו מחיזויי מזג אוויר תקופתיים שאל ניניו גדול עומד להתרחש. לכן, חזינו שפחמן דו-חמצני באוויר יעלה במהירות רבה יותר מאי פעם. ערכנו חיזוי וכתבנו עליו מאמר [3]. בסוף 2016, מדדנו את הפחמן הדו-חמצני במַאוּנָה לוֹאָה, הוואי, במטרה לבדוק אם התחזית שלנו הייתה נכונה. התברר שחזינו נכון את עליית הפחמן הדו-חמצני הגדולה ביותר שאי פעם נצפתה, וכעת ריכוז הפחמן הדו-חמצני היה יותר מ-400 חלקים למיליון. מאז, בכל שנה, אנו חוזרים על החיזוי שלנו עבור השנה הבאה.²

עבור 2020, החיזוי העונתי שלנו צפה שיתרחש אל ניניו קטן, ושעקב כך פחמן דו-חמצני יעלה מהר יותר מהרגיל, אך לא בקצב שיא. אמרנו שאם החיזוי שלנו נכון, זו תהיה עליית הפחמן הדו-חמצני הרביעית בגודלה שנצפתה. צפינו לכך שהעולם ישרוף בערך את אותה כמות הדלק כמו בשנת 2019 [4], וישחרר כ-42 מילארדי טונות של פחמן דו-חמצני, שזה יותר מחמש טונות של גז זה עבור כל אדם בעולם! כששילבנו את העובדות האלה, חזינו שהפחמן הדו-חמצני יעלה ב-2.74 חלקים למיליון, והממוצע של 2020 יהיה 414.2 חלקים למיליון – רמת הפחמן הדו-חמצני הגבוהה ביותר זה יותר ממיליון שנים!

בסוף 2019 ובתחילת 2020 מזג האוויר באוסטרליה היה חם מאוד, והוביל לכמה שרפות ענק. שרפות אלה השפיעו על אנשים, חיות ובתים רבים, אולם הן גם שרפו הרבה עצים, מה שהוסיף פחמן דו-חמצני לאטמוספרה. ניתן להשתמש בלוויינים כדי לאמוד כמה שרפות פרצו, ולהעריך כמה פחמן דו-חמצני הן שחררו. על בסיס הניתוח שלנו הערכנו כי השרפות האלה הובילו לעליית פחמן דו-חמצני מהירה של כ-2% ביחס לשנים קודמות. אנו גם יודעים שבשנת 2020 אנשים השתמשו בפחות דלק, במיוחד עבור תחבורה, בשל מגפת הקורונה. משמעות הדבר היא שייתכן כי פליטות פחמן דו-חמצני היו מעט פחותות יותר בשנה זו [5], ולכן ציפינו לגידול³ קטן בכ-0.3 חלקים למיליון של פחמן דו-חמצני.

מדוע חיזוי פחמן דו חמצני הינו חשוב?

אנו יודעים שהאקלים שלנו משתנה, וכי השינויים האלה גורמים להשלכות הרסניות על אנשים ברחבי העולם. ראינו יותר סוּפוֹת, יותר תקופות בצוֹרת ויותר שרפות כמו אלה שפרצו באוסטרליה. חלק מאלה יכולים היו להתרחש בכל מקרה, אולם בשל שינויי האקלים אנו יודעים שהם יתרחשו לעיתים קרובות יותר. אנו מודעים לחשיבות הרבה של הניסיון לעצור את החרפת שינויי האקלים לפני שהמצב ייעשה גרוע מדי. לצורך כך על כולנו לנסות להפחית את כמות הפחמן הדו-חמצני החדש שאנו מכניסים לאוויר. אם נוכל להבין כיצד תהליכים טבעיים לוקחים פחמן דו-חמצני מחוץ לאטמוספרה, נוכל לחשב בכמה עלינו להפחית את השימוש בדלק. אנו קוראים לזה תקציב הפחמן – ייתכן שיש לכם תקציב להשקעת הכסף שלכם, שמנחה אתכם כמה להשקיע במזון, בבגדים וכדומה. מדענים יכולים לפתח תקציב פחמן, אשר מודד בכמה דלק אנו יכולים להשתמש לפני ששינויי האקלים ייעשו מסוכנים מדי.

תחזית הפחמן הדו-חמצני שלנו היא חלק מהמחקר שאנו זקוקים לו כדי להצליח להבין את מחזור הפחמן הגלובלי. כיום אנו יודעים שבאפשרותנו לחזות את מחזור הפחמן העולמי לשנה בצורה מדויקת מאוד. זה יסייע לנו לשפר את האופן שבו אנו חוזים גידול של פחמן דו-חמצני לשנים רבות בעתיד, מה שיוכל לתרום לתכנון דרכים להימנע מהסכנות של שינויי אקלים.

אתגר חיזוי

אם אתם אוהבים מתמטיקה, הנה משוואה שאנו משתמשים בה לעריכת החיזוי שלנו.

חיברנו יחד את הפחמן הדו-חמצני שנוצר על ידי שרפת דלקי מאובנים ובירוא. קראנו לזה פליטוֹת (emissions), והשתמשנו בסמל ''E''. עבור 2018, 36.9 מיליארד טונות של CO₂ הגיעו מדלקי מאובנים, ו-5.5 מיליארד טונות הגיעו מבירוא [4].

לכן, E = 36.9 + 5.5 = 42.4 מיליארד טונות של פחמן דו-חמצני.

נזקקנו גם לתחזית של טמפרטורות האוקיינוס. קראנו לזה ''N'' שמייצגת את אל ניניו. תחזית שירות מטאורולוגי חזתה N = 0.59°C עבור 2020.

כעת חישבנו את קצב גידול הפחמן הדו-חמצני עבור 2020 באמצעות משוואה, הכפלנו את E ו-N במספרים מסוימים שנקראים מקדמים. המקדמים נקבעו על ידי התבוננות בנתונים מהעבר ושימוש בשיטה מתמטית שנקראת רגרסיה.

קצב גידול פחמן דו-חמצני = 0.07 + (0.43 × N) + (0.057 × E)

2.42 + 0.25 + 0.07 =

= 2.74 חלקים למיליון.

כעת, דמיינו שבשנת 2021 פליטות עשויות לגדול ל-43 מיליארד טונות, אולם אנו עשויים לחוות לה ניניה (תופעה ההפוכה מאל ניניו) ו-−1° C = N. האם תוכלו לפענח מה יהיה קצב גידול הפחמן הדו-חמצני?⁴

מילון מונחים

פחמן דו-חמצני [Carbon Dioxide (CO₂)]: ↑ גז באטמוספרה שנוצר כשאנו שורפים דלקי מאובנים. פחמן דו-חמצני הוא גז חממה שיכול להישאר באוויר במשך שנים רבות. הוא הגורם העיקרי לשינויי אקלים.

גז חממה (Greenhouse Gas): ↑ גז באטמוספרה שיכול לספוג חום ולגרום לכדור הארץ להתחמם. גזים אלה מופיעים באופן טבעי, כמו למשל פחמן דו-חמצני ואדי מים, אך פעילות אנושית מכניסה גזי חממה נוספים אל תוך האוויר, ומובילה להתחממות כדור הארץ.

מחזור הפחמן (Carbon Cycle): ↑ התנועה של פחמן בטבע – צמחים סופגים פחמן דו-חמצני מהאוויר כשהם גדלים, ומשחררים אותו שוב כשהם מתים. המים באוקיינוסים ממיסים פחמן דו-חמצני. מחזוֹר זה נקרא מחזור הפחמן.

דלק מאובנים (Fossil Fuel): ↑ דלקים, כמו פחם, גז וגז טבעי נוצרו לפני מיליוני שנים כאשר צמחים וחיות מתו ונקברו. שרפת דלקי מאובנים יוצרת פחמן דו-חמצני, אשר נכנס לאטמוספרה.

אל ניניו (El Niño): ↑ תבנית מזג אוויר שמתרחשת כל ארבע שנים בקירוב. הטמפרטורה באוקיינוס השקט מתחממת, וזה מוביל למזג אוויר חם ויבש יותר באזורים רבים. התבנית ההפוכה נקראת לה ניניה, שמובילה לטמפרטורות קרות יותר ברחבי העולם.

קצב גידול (של פחמן דו-חמצני) [Growth Rate (of CO₂)]: ↑ אנו יודעים שבכל שנה יש יותר פחמן דו-חמצני באוויר, מאחר שאנו יכולים למדוד אותו. בחלק מהשנים הוא עולה מהר יותר מאשר בשנים אחרות. הכמות שבה פחמן דו-חמצני משתנה נקראת ''קצב גידול''.

חיזוי פחמן דו-חמצני (CO₂ Forecasting): ↑ אנו יודעים שכמות הפחמן הדו-חמצני באוויר תגדל בכל שנה, אולם איננו יודעים בדיוק בכמה. שימוש בידע שלנו על מחזור הפחמן מאפשר לנו לחזות בדיוק כמה פחמן דו-חמצני יתווסף – זו תחזית הפחמן הדו-חמצני שלנו.

תקציב הפחמן (Carbon Budget): ↑ אנו יודעים שהכנסת פחמן דו-חמצני נוסף לאוויר גורמת לשינויי אקלים. על ידי הבנת האופן שבו מחזור הפחמן פועל, אנו יכולים לחשב עד כמה פחמן דו-חמצני יגרום לרמות מסוּכנוֹת של שינויי אקלים. עלינו לוודא שנשרוף פחות דלקי מאובנים מאשר כמות הפחמן הזו, שאנו קוראים לה תקציב הפחמן.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

הערות שוליים

1. ↑ תוכלו לראות את האיור הזה, ואת המדידות האחרונות, באתר שלהם: https://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/

2. ↑ בקישור הזה תוכלו לראות את התחזית שהוערכה לשנת 2020: Mauna Loa carbon dioxide Met - 2021 for forecast Office

3. ↑ https://www.carbonbrief.org/analysis-what-impact-will-the-coronavirus-pandemic-have-onatmospheric-co2

4. ↑ תשובת אתגר חיזוי: קצב הגידול יהיה 2.091 חלקים למיליון. האם צדקתם?

---

מקורות

[1] ↑ Williams, J. 2020. Computing the climate: building a model world. Front. Young Minds 8:161. doi: 10.3389/frym.2019.00161

[2] ↑ Keeling, C. D., Piper, S. C., Bacastow, R. B., Wahlen, M., Whorf, T. P., Heimann, M., et al. 2001. “Exchanges of atmospheric CO₂ and 13CO₂ with the terrestrial biosphere and oceans from 1978 to 2000. I. Global aspects,” in SIO Reference Series, No. 01-06 (San Diego, CA: Scripps Institution of Oceanography). p. 88. Available online at: http://escholarship.org/uc/item/09v319r9

[3] ↑ Betts, R., Jones, C., Knight, J., Keeling, R. F., and Kennedy, J. J. 2016. El Niño and a record CO₂ rise. Nat. Clim. Change 6:806–10. doi: 10.1038/nclimate3063

[4] ↑ Friedlingstein, P., Jones, M. W., O’Sullivan, M., Andrew, R. M., Hauch, J., Peters, G. P., et al. 2019. Global carbon budget 2019. Earth Syst. Sci. Data 11:1783–838. doi: 10.5194/essd-11-1783-2019

[5] ↑ Le Quéré, C., Jackson, R. B., Jones, M. W., Smith, A. J. P., Abernethy, S., Andrew, R. M., et al. 2020. Temporary reduction in daily global CO₂ emissions during the COVID-19 forced confinement. Nat. Clim. Chang. 10:647–53. doi: 10.1038/s41558-020-0797-x