פלאי המים ב

בפרק זה בסדרת פלא המים נראה כיצד המים אחראים ליציבות האקלימית המופלאה של כדור הארץ, למה לא הפכנו לנוגה או לכדור שלג,  ואיך מנגנון הוויסות של כדור הארץ חסכוני ואלגנטי באופן גאוני.

הרב אליעזר אייזיקוביץ, מתוך סדרת העיקרון האנטרופי:

פלאי האדמה

 

המים – פלא הנדסי

כשמדברים על התכונות הפלאיות של המים אסור לשכוח את התפקיד החיוני שהמים ממלאים במגוון מערכות שבלעדיהן לא היינו מסוגלים לחיות כאן. למשל, בהעדר מים כדור הארץ היה מאבד את היציבות האקלימית המופלאה שלו, אחד התכונות הבולטות ביותר שלו.

העובדה היא שגם כשהכדור שלנו חווה אירועי קיצון אקלימיים המוציאים אותו משיווי משקל, הוא חוזר לנקודת האיזון שלו בזכות מנגנונים של ויסות עצמי. המנגנונים הללו כה הרשימו את המדען ג'יימס לובלאק עד שהוא הציע לראות בכדור הארץ כולו מעין בעל חיים ענקי (אורגניזם)  אותו הוא כינה "גאיה".

בפרק זה נראה כיצד התכונות המיוחדות של המים מחוללות את הפלא של גאיה.

שיווי משקל פלאי

חלק מהגורמים ליציבות ארוכת הטווח של האקלים בכדור הארץ נמצאים מחוצה לו. למשל, העובדה שתפוקת האנרגיה של השמש יציבה למדי לאורך פרקי זמן ארוכים. או היציבות של מסלול כדור הארץ סביב השמש, המסתייעת בתנועת הירח סביב כדוה"א[1].

למרות זאת הממצאים מראים כי בתקופות מסוימות בעבר שרר בעולם אקלים שונה מאוד מזה הקיים בימינו. היו עידני קרח שבהם קרחונים התפשטו והגיעו כמעט עד לקו המשווה. היו זמני חום בהם הטמפרטורה הממוצעת בכדוה"א הייתה גבוהה ב-5-8 אחוז מאשר בימינו. היו פגיעות של מטאורים כדוגמת זה שפגע על פי המשוער בחצי האי יוקטן ואולי הביא לסיומו את עידן הדינוזאורים. פגיעה זו החשיכה את האטמוספירה וע"פ אומדנים הנמיכה את הטמפרטורה הגלובאלית ב-10 מעלות לאורך שנים רבות.

אף על פי כן, לאחר כל סטיה דרמטית מהנורמה, הצליח גדור הארץ להתאושש ולשוב לאיתנו. כדור הארץ סבל מהתקפי חום וצינה אך שום חולי לא היה גדול דיו עד שמערכת החיסון שלו לא הצליחה להתגבר עליו.

מחזור הפחמן

איך פועלת "מערכת החיסון" הגלובאלית הזאת?

מנגנון מרכזי אחד המגן על כדוה"א מפני סטיית טמפרטורה ארוכות טווח נקרא "מחזור הפחמן האיטי". הוא מווסת את כמות גז דו תחמוצת הפחמן (דח"פ) באטמוספירה באמצעות שחיקת של סלעים.

דח"פ הוא גז חממה הלוכד חום ומעלה את הטמפרטורה של האטמוספירה. הדח"פ נצמד לטיפות מים באוויר ויוצר חומצה פחמתית (קרבוניט)[2]. החומצה הזאת שוחקת סלעים ואלה פולטים חלקיקים של סידן ויסודות נוספים הנישאים דרך נהרות אל האוקיאנוס.

יצורים ימיים זעירים כמו אלמוגים ופלנקטון בונים מחלקיקי הסידן והקרבוניט את הקונכיות שלהם. כאשר היצורים הללו מתים הקונכיות שלהם שוקעות לקרקעית הים ויוצרות שכבה אדירה של אבן גיר. בדרך זו כמות עצומה של פחמן עושה את דרכה מהאטמוספירה אל קרקעית האוקיאנוס.

אבל הפחמן לא נותר שם לצמיתות. במרוצת הזמן הקרום האוקיאני שוקע אל תוך המעטה של כדור הארץ. תחת השפעת הלחץ והחום בשכבות העומק של כדור הארץ, גז הדח"פ משתחרר וחוזר לאטמוספירה דרך לועותיהם של הרי געש.

עד כאן תיאור מחזור הפחמן. כעת נראה כיצד מנגנוני משוב שומרים על יציבות האקלים.

כאשר כמות הדח"פ באטמוספרה פוחתת או כאשר הטמפרטורה יורדות, יש ירידה מקבילה בייצור חומצה קרבוניט. ממילא קצב שחיקת הסלעים פוחת ופחות פחמן מפונה לאוקיאנוס. לעומת זאת הפעילות הוולקאנית של הרי הגעש נמשכת כרגיל ואלה ממשיכים לפלוט לאוויר דח"פ. כתוצאה מכך יש כמות הדח"פ באוויר גדלה מה שמחולל אפקט חממה שמעלה את הטמפרטורה.

לעומת זאת אם הטמפרטורה גבוהה או רמת הדח"פ באוויר גדולה, קצב שחיקת הסלעים עולה אף הוא, מה שמקטין את כמות הדח"פ תוך הנמכת הטמפרטורה הגלובאלית. כך מתקבלת מערכת משוב שלילית בדומה לתרמוסטט ששומר על רמת טמפרטורה יציבה של כדור הארץ.

למה אנחנו לא נוגה?

המחשה דרמטית לפעולת מנגנון הוויסות הזה הוא האופן שבו כדור הארץ נחלץ ממצבי קיפאון קיצוניים, כמו תרחיש "כדור השלג העולמי".

בתרחיש זה כדור הארץ התכסה בקרחונים שהגיעו מהקטבים ועד לקו המשווה. המפתח להשתחררות מתרחיש "כדור השלג" הוא עצירת תהליך שחיקת הסלעים. דבר זה אפשר לדח"פ הנפלט מהרי געש להצטבר באטמוספרה שמעל לקרח, מה שהוביל באורח בלתי נמנע לאפקט חממה מוגבר שחימם בסופו של דבר את כדוה"א והביא לנסיגת הקרחונים.

כדי לראות מה קורה בפלנטה שלא מתקיים בה מחזור פחמן די להסתכל על גורלו האומלל של כוכב הלכת נוגה (ונוס).

במובנים רבים נוגה הוא כוכב הלכת התאום שלנו. הוא דומה לנו מאוד מבחינת גודל ומשקל, אך הוא קרוב מאיתנו לשמש. למרות זאת הבדלי האקלים בינינו לבינו לא יכולים היו להיות גדולים יותר. לנוגה יש אטמוספירה המכילה 96 אחוז דח"פ ולחץ אטמוספרי מטורף הגבוה פי 90 מזה של כדור הארץ. שוררת בה טמפרטורה לוהטת של 475 מעלות. אין בה שום מים על פני השטח.

הקרבה לשמש היא לא כל ההסבר למזג האוויר התופתי שלו.

מה שהפך את נוגה לחממה מחניקה הם ענני הדח"פ והגופרית שנפלטים מהרי הגעש הפעילים שלו, וזאת משום שלא קיים אצלו תהליך מקביל של פינוי פחמן מתוך האטמוספירה כמו שקורה בכדור הארץ.

הסיבה להעדר מחזור פחמן בנוגה הוא משום שאין לו מים.

בגלל הקרבה לשמש התרחש בנוגה אידוי מוגבר של מים שגרם לו לאבד את האוקיאנוס שלו בשלב מוקדם בהיסטוריה שלו. ככל שהטמפרטורה בנוגה עלתה עקב אפקט החממה כך פחות מים היו מסוגלים להתעבות בשכבות הנמוכות של האטמוספירה. תחת זאת פרודות המים המשיכו להתרומם עד לאטמוספירה העליונה שם הקרינה ביקעה  אותם למימן וחמצן. עקב משקלו הקל המימן נפלט לחלל החיצון.

בהדרגה כמות המים בנוגה פחתה והלכה מה שהוביל בסופו של דבר להתייבשות הפלנטה כולה תוך אובדן האוקיאנוס. בלי מים נוגה איבד את היכולת לתחזק מערכת טקטונית פעילה. גם לא היה לו דרך לקבור את עודפי הדח"פ שלו בקרקעית האוקיאנוסים כפי שקורה בכדור הארץ.

גורם נוסף שחרץ את גורלו של נוגה היה העדר חיים.

אפילו אם היה לנוגה אוקיאנוס בדומה לכדור הארץ, ואפילו אם היה לו התחלה של מערכת טקטונית פעילה, בהעדר חיים יבשתיים שיסייעו בשחיקת סלעים וחיים ימיים שיסייעו בקבורת הפחמן במשקעים התת-ימיים, רמות הדח"פ של נוגה היו ממשיכות לעלות בהתמדה עד ליצירת אפקט חממה שיצא מכלל שליטה.

מסקנה: בלי מים ובלי חיים (שתלויים אף הם במים) אין אפשרות לפלנטה בעלת אקלים יציב לאורך זמן.

נסכם את הדרכים שבהן התכונות הייחודיות של המים מאפשרות לו למלא תפקיד מרכזי במנגנון הייצוב האקלימי:

1. אם מים לא היו קיימים כגז וכנוזל בטמפרטורה השוררת בכדור הארץ, המחזור ההידרולוגי לא היה קיים ולא הייתה מתרחשת שחיקת סלעים.
2. אם המים לא היו יוצרים תרכובת עם המינרלים של שכבת הקרום והמעטה של כדור הארץ, תוך הנמכת הצמיגות ונקודת ההמסה שלהן, לא הייתה מתרחשת טקטוניקת לוחות, לא הייתה התרוממות של קרום יבשתי, ולא היה למים את מה לשחוק[3].
3. אם המים לא היו מגיבים עם דח"פ כדי ליצר חומצה קרבונית לא הייתה שחיקת סלעים ולא היה נוצר ביקרבוניט.
4. אם כוחות ההמסה והשחיקה של המים היו פחותים, כמות הביקרבוניט המגיעה לים הייתה קטנה.
5. פינוי הפחמן מהאוויר לא היה מתרחש בלי מעורבות של מיקרואורגניזמים ימיים וצמחי יבשה – ואף אלה לא היו קיימים בלי מים, שכן מים הם המסד של כל התאים החיים בארץ.

חסכנות גאונית

תכונה מופלאה של מנגנון הוויסות האקלימי הוא שהתוצר הסופי שלו – ויסות הטמפרטורה – מוביל באורח בלתי נמנע גם לשימור המים על פני כדור הארץ. והמים, כפי שכבר ראינו, הם המרכיב החיוני ביותר שבלעדיו המערכת לא הייתה יכולה לפעול.

במילים אחרות, מים הם גם האמצעי להפעלת מנגנון היציבות האקלימי וגם התוצר הסופי של המנגנון הזה.

המדען מייקל דנטון מציין שלמנגנון וויסות מסוג זה אין מקבילה בהנדסה האנושית. אנלוגיה מגושמת יכול לשמש מזגן שבו התוצר, אויר קר,  יהיה מעורב בעצמו באופן פעיל בתהליך הקירור. או טיל מתביית שבו המטרה היא הגורם המרכזי בהכוונת הטיל למטרתו.

כותב דנטון:

"בכל הומאוסטט, מערכת הנחיה או מנגנון ויסות אנושי המוכרים לנו, מערכת הוויסות פועלת בנפרד מהמערכת שאותו היא מווסתת. לעומת זאת מערכת הוויסות האקלימית מפגינה גאונות הנדסית בכך שהתוצר הסופי הוא בעצמו חלק מהמערכת. לפנינו מקרה שבו הטבע יעיל, חסכוני ואלגנטי יותר מהמעשה האנושי  כאשר כמה תוצאות שונות מושגות באותה פעולה. כך לדוגמא, שחיקת הסלעים לא רק מספקת חומרי מזון המאפשרים לחיים להתקיים אלא בו בזמן גם ממלאת תפקיד בוויסות הטמפרטורה הגלובאלית.

"הפלא גובר כשאנחנו זוכרים ששלושה מהחומרים המעורבים בתהליך שחיקת הסלעים – גז דח"פ, מים וביקרבונט – משתפים פעולה גם בתהליך חיוני אחר שבלעדיו לא היינו חיים: הנשימה האנושית.  שלושת השחקנים הללו משתפים פעולה כדי לאפשר לגוף להיפטר מעודפי הדח"פ ובתוך כך גם לווסת את רמת החומציות הדם.

"לאן שלא נביט נראה שוב את אותם סימני היכר של בריאה מתוחכמת, חסכונית ואלגנטית להפליא השתמשת שוב ושוב באותם אלמנטים להשגת שלל רחב של תוצאות חיוניות תוך שימוש במערכת המינימלית ביותר הנדרשת לכך".

 

המים מתוכננים לאפשר חיים במצבי קיפאון

למרות שהם נראים לנו כדומם המים מנהלים מערכה פעילה נגד קפיאתם תוך שימוש במנגנוני הגנה מגוונים ומפתיעים * התוצאה: גם בתנאי קור קיצוני המים קופאים באיטיות והם עושים זאת באופן שמאפשר לחיים שמתחתם לשרוד ולשגשג

 

בפרק הקודם ראינו את האופן שבו המים מצילים את כדור הארץ מאפקט חממה משתולל שהיה גוזר עליו גורל לוהט בדומה לזה של כוכב הלכת נוגה. בפרק זה נראה כי במקביל למניעת התחממות יתר, המים גם מונעים התקררות יתר של העולם. אפילו כאשר הטמפרטורה יורדת, המים "שואפים" להישאר במצבם הנוזלי ומתנגדים בדרכים שונות לתהליך הקפיאה.

כמו בהרבה היבטים של התאמה בטבע, כדי להעריך כראוי את הסינרגיה המופלאה הכרכה צריך לעיין בפירוט מסוים באופן שבו התכונות השונות הללו "משתפות פעולה" לצורך השגת המטרה הסופית של שימור המים במצבם הנוזלי. אפשר להצביע לפחות על חמש "מערכות הגנה" שכאלה:

התפשטות בעת קפיאה: בשונה ממרבית הנוזלים נפח המים גדל בעת קפיאה כך שהקרח שנוצר קל יותר מהמים שמתחתיו והוא צף על פני השטח במקום לשקוע לקרקעית. אלמלא היה נפח המים גדל בעת הקפיאה, קרח היה שוקע במים ותהליך הקפאון של גוף מים היה מתחיל מלמטה למעלה. התפשטות המים בעת הקפיאה היא תופעה אנומלית. היסוד היחיד מלבד מים שמתרחב בעת קפיאה בטמפרטורות השוררות בכדור הארץ הוא היסוד גליום.

לו היו המים קופאים (כמו כל יתר הנוזלים) מלמטה למעלה היו לכך השלכות חמורות באזורים שהם שכיחים טמפרטורות שמתחת לאפס מעלות או בעידנים שבהם טמפרטורה כזאת שררה בכל כדוה"א (כדוגמת תרחיש כדור השלג שתיארנו לעיל). במקרה כזה הקרח שהיה מצטבר בתחתית גופי מים קרים בעלי עומק משמעותי היה מוגן מפני קרני השמש. קרח כזה לא היה מפשיר בנקל, גם לא ביום שטוף שמש. בסופו של דבר כל המים בכדוה"א היו קופאים והופכים לגושים אדירים של קרח מוצק. כיפות קרח בעובי ק"מ רבים היו נוצרות בקטבים.

בתרחיש כזה המים הנוזליים היחידים שהיו נותרים בעולם היו נמצאים בשכבה דקיקה על גבי הקרח, וגם זה רק בימים חמים במיוחד. יתכן וחיים פשוטים יכולים היו לשרוד בתנאים כאלה בכך שהו מתנבגים וממתינים לזמנים נוחים יותר, אבל חיים מורכבים בוודאי לא היו מסוגלים להתקיים.

ספיגת חום גבוהה: כאשר גוף מים בא במגע עם אויר קר שמתחת לנקודת הקפאון נכנס לפעולה קו הגנה נוסף שנועד להגן על נוזליות המים. זוהי ספיגת החום הגבוהה של המים שהיא מהגבוהות בכל הנוזלים המוכרים לנו. ספיגת החום הגבוהה של המים באה לידי ביטוי בזמן הרב שלוקח להקפיא כוס מים בהשוואה לפריטים אחרים המונחים במקפיא הביתי. קצב הקירור היה מהיר בהרבה, והנטיה לקפוא במזג אויר קר הייתה גבוהה יותר לו היה למים ספיגת חום נמוכה יותר בדומה לחומרים כמו מתכת או זכוכית.

דחיסות מקסימלית בארבע מעלות: כאשר הטמפרטורה בשכבה העליונה של גוף מים מתקררת לעבר נקודת הקפאון מופעל עוד "קוו הגנה" לבלימת קיפאון: זוהי האנומליה המסקרנת והכמעט ייחודית שבה דחיסות המים מגיע למקסימום בטמפרטורה של 4 מעלות ולא בנקודת הקפאון עצמה (אפס מעלות). כמעט כל נוזל אחר מגיע לדחיסות שיא בנקודת הקפאון.

כתוצאה מכך ברגע שהטמפרטורה של המים בשכבה העליונה מתקררת לארבע מעלות, הם שוקעם לתחתית עמוד המים ומתרחקים מהשפעת האויר הקר שמעל פני גוף המים. כך קורה שבכל רגע נתון המים הסמוכים ביותר לאוויר הקפוא מתחלפים במים פחות קרים, דבר שמעט את קצב הקפאון ומאריך את הזמן עד להפיכת המים לקרח (צריך לציין שאנומליה זו נכונה רק למים מתוקים ולא למי מלח). רק אחרי שכל עמוד המים הצטנן לארבע מעלות תהליך הקירור יכול להמשיך בקירור המים עד לאפס מעלות ועד לקפיאתם.

החום הלטנטי של קפיאה: כאשר המים סוף סוף קופאים ונעשים מוצקים, הם פולטים חום. אפקט החימום מתרחש בגלל שבתהליך הקפיאה מולקולות המים מתארגנות מחדש במתכונת יעילה יותר המצריכה פחות אנרגיה. עודף האנרגיה נפלט מהמים הקופאים בצורת חום.

במקרה של המים כמות החום הנפלט גבוהה באופן חריג, יותר מכל נוזל אחר המוכר לנו. החום הנפלט מהקרח נספג במים הנוזליים שמתחת לקרח, מה שיוצר באפר (מחסום) שמאט את קצב הקירור.

מוליכות החום הנמוכה של הקרח: גם אחרי שהקרח נוצר תכונת הבידוד שלו בולמת את המשך קירור המים שמתחתיו. מוליכות החום של הקרח נמוכה ביחס למוצקים אחרים. לרוב המתכות, למשל, יש מוליכות חום גבוהה יותר בסדר גודל שלם מזה של קרח.

ככל שהקירור נמשך שכבת הקרח שמגינה על המים מתעבה. עם כל עליה בעובי הקרח אפקט הבידוד שלו נעשה משמעותי יותר ושימור החום הלטנטי הנפלט מהקרח אל המים  נעשה יעיל יותר. בסופו של דבר, לא חשוב כמה קר יהיה האויר שמעל למים שכבת הקרח לא תגדל מעבר לעובי של כמה מטרים.

צמיגות הקרח: תכונה נוספת של המים שפועלת לשימור המים בצורתם הנוזלית היא הצמיגות הנמוכה של הקרח, הרבה סדרי גודל פחות מהצמיגות של המינרלים המרכיבים את הקרום של כדוה"א. תכונה זו אחראית לכך שרוב המים בכדוה"א אינם ננעלים במצבורים אדירים של קרח בקטבים או באזורי ההר הגבוהים. בגלל הצמיגות הנמוכה שלו הקרח זורם כלפי מטה כך שבמרוצת הזמן הצטברויות גדולות של קרח זורמות בשיפוע המוליך לאזורי עמקים חמים יותר או לים. שם באורח בלתי נמנע הקרח מפשיר ופולט את המים הנוזליים בחזרה להידרוספרה. לפנינו עוד תכונה של המים – הפעם תכונה לא תרמלית – שפועלת יחד עם התכונות התרמליות לשימור נזילות המים בכדוה"א.

מי מלח: התיאור לעיל של האופן בו המים מגיבים להתקררות הטמפרטורה נכון ביחס למים מתוקים – כגון אגמים ונהרות. למרות שרוב התכונות הייחודיות של המים פועלות גם על מי ים יש ביניהם הבדל גדול אחד.

בשונה ממים מתוקים שדחיסותם מגיעה לשיא ב-4 מעלות, דחיסותם של מי ים ממשיכה לעלות עד לנקודת הקפאון, שבמקרה של מי ים הוא בסביבות מינוס 1.8 מעלות. מלח מופרש מהקרח במהלך קפיאתו תוך יצירת נוזל כבד וקר מתחת לפני הקרח בעל תכולת מלח גבוהה. היקף יצור מי המל הוא אדיר. מעריכים שבין 20 ל-59 מיליון מטרים מעוקבים של מי מלח סמיכים נוצרים בכל שניה באנטארקטיקה. מי המלח כבדים יותר ממי הים הרגילים ולכן הם שוקעים לקרקעית האוקיאנוס.

שכבת העומק הזאת של מים קרים ומלוחים היא אחד הגורמים שמחוללים את ה"מחזור התרמוהליני" – רשת מחוברת של זרמים במעמקי האוקיאנוס. זרמים אלה מערבבים וממחזרים ללא הרף את המים ואת חומרי המזון באוקיאנוסים של העולם. הם גם מעבירים כמות עצומות של אנרגיית חום מהחלקים החמים של הים לחלקים הקרים יותר שלו ובכך ממתנים תנודות טמפרטורה קיצוניות. באופן זה ההתנהגות הייחודית של מי מלח ביחס למי ים רגילים מתגלה כעוד גורם חיוני של התאמה.

רצועות הקרח הדקיקות (קרח גריז) הנוצרות על פני הים באזורי הקוטב מתלכדות עד ליצירת שכבת קרח המכסה את הים הארקטי בעובי מטר וחצי. כאמור לעיל, הקרח הוא מבודד חום ומגן על המים שמתחת מפני קפיאה נוספת. כך, החיים בהתת ימיים באזורי הקוטב יכולים לשגשג לא פחות מאשר החיים מתחת לקרח באגמים של מים מתוקים.

 

הערות:

[1] גדלו של הירח שלנו חריג בנוף הקוסמי. לפי כמה אומדנים, הסיכוי שלגוף כמו כדוה"א יהיה לווין בגודלו של הירח שלנו הוא הוא בין 8-2 אחוז.

[2] מסיבה זו למי גשם יש רמת חומציות של 5.6 PH.

[3] על הקשר שבין מים לטקטוניקת הלוחות עמדנו כבר בפרק קודם בסדרה זו.