לקראת ראש השנה:
מחזורים בטבע

ראש השנה הקרב ובא יחזור ויגיע שוב בעוד שנה, בהתאם ללוח השנה העברי, המביא בחשבון את מחזור הירח ואת מחזור השמש. השמש תשוב ותזרח אחת ליממה בגלל סיבוב כדור הארץ סביב צירו, ואחת ל-30 ימים בקירוב יחל חודש עברי חדש, מכיוון שבפרק זמן זה הירח משלים הקפה סביב כדור הארץ. התנועה המחזורית של גרמי השמיים יוצרת מחזורי זמן, ומשפיעה על האופן שבו אנו מתכננים את חיינו ברמת היום, החודש או השנה. 

אך מחזוריות אינה מאפיינת רק את חילופי היום והלילה ועונות השנה, אלא גם את תנועת החומר המרכיב את כדור הארץ. המים שבאוקיינוסים, באגמים ובנחלים, למשל, מתאדים אל האוויר, מתעבים, מחלחלים למעמקי האדמה ומתאדים שוב. המסלול המעגלי הזה נקרא "מחזור המים". גם אטומי פחמן וחנקן, מהיסודות העיקריים שמהם בנויים כל היצורים החיים, נעים במעגלים דומים בין פני השטח של כדור הארץ לאטמוספרה ובחזרה דרך צמחים, חיידקים ובעלי חיים. זאת ועוד: גם חייהם של צמחים, בעלי חיים ושאר היצורים מתאפיינים במחזוריות – היווצרות, התפתחות, העמדת צאצאים ומוות, כאשר הצאצאים מתחילים מחזור חיים חדש משלהם. התנועות המחזוריות ביקום יוצרות הרמוניה ומעניקות תקווה. אך מהם התהליכים המניעים את מחזורי הטבע? איך חנקן עובר מהאטמוספרה ל-DNA של כל חיידק ובן אנוש? איך פחמן פושט צורה ולובש צורה, במעבר בין עצי היער לבועות בפחית שתייה תוססת? וכיצד מעשי אנוש משפיעים על מחזורי הטבע?

המים נעים במחזוריות מהאטמוספרה אל פני כדור הארץ ובחזרה. מחזור המים | איור: Tim Brown/Science Photo Library

מים מים בששון

החיים עלי אדמות התחילו במים, וגם כיום כל יצור חי נושא עמו מים בכל אחד ואחד מתאי גופו. מנין הם מגיעים אלינו?

בעוד שכמות המים על כדור הארץ נותרת קבועה ומצייתת לחוק שימור החומר שניסח המדען הצרפתי בן המאה ה-19 אנטואן לבאוזיה, הרי שמיקום המים האלה ומצב הצבירה שלהם משתנים בלי הרף. המים נעים במחזוריות מהאטמוספרה אל פני כדור הארץ, ומפני כדור הארץ בחזרה אל האטמוספרה.

התנועה המחזורית של המים מונעת על ידי תהליכים פיזיקליים הגורמים לשינויים במצב הצבירה של המים. המים שעל פני כדור הארץ נמצאים במצב צבירה נוזלי (מים נוזליים) או מוצק (קרח או שלג). במצבי צבירה אלה, מולקולות המים צפופות מאוד ונעות לאט יחסית. המים שבאטמוספרה, לעומת זאת, הם אדים, כלומר נמצאים במצב צבירה גזי, שבו מולקולות המים צפופות פחות ונעות מהר יותר. 

מעבר מים מפני כדור הארץ לאטמוספרה מתרחש באמצעות אידוי, כלומר הפיכת מים נוזליים לאדים, ובאמצעות המראה – הפיכת שלג וקרח לאדי מים, מבלי שיהפכו תחילה למים נוזליים. המעבר בכיוון ההפוך מתרחש באמצעות עיבוי, כלומר הפיכת אדי מים לגשם או לטל, או באמצעות רִיבּוּץ – הפיכת אדי מים ישירות לקרח או לשלג. הטמפרטורה, הלחות, אנרגיית השמש ורוחות יכולות להשפיע על קצב האידוי, ההמראה, העיבוי והריבוץ של המים במקומות שונים.

איפה המים?

כדי להבין יותר לעומק את מחזור המים, נבקש לברר: איפה המים? ובכן, בכדור הארץ כולו יש 1.386 מיליארד קילומטרים מעוקבים של מים (קילומטר מעוקב, או קמ"ק, הוא קובייה שאורך הצלע שלה הוא קילומטר). מתוך הכמות הזאת, כ-97 אחוזים נמצאים באוקיינוסים ו-3 אחוזים בלבד הם מים מתוקים. מתוך כלל המים המתוקים, כ-69 אחוזים נמצאים בקרחונים, 30 אחוזים במי תהום ורק אחוז בודד על פני השטח של כדור הארץ. כמות המים שנמצאת באטמוספרה בכל רגע נתון היא רק אלפית האחוז מכלל המים בכדור הארץ. וכמה מים נמצאים בתוך כלל היצורים החיים? רק 1/10,000 האחוז מכלל המים בכדור הארץ. ממש מעט.

אף שכמות המים באטמוספרה קטנה יחסית, זוהי ה"תחנה" שבה זמן ההמתנה הממוצע (המכונה גם "זמן חיים") הוא הקצר ביותר במחזור המים: בתוך 10-7 ימים בממוצע, מולקולת מים תעזוב את האטמוספרה ותחזור לכדור הארץ בתור טיפת גשם או פתית שלג. לעומת זאת, זמן החיים של מולקולת מים באוקיינוס הוא 3,500-3,000 שנה, ובמי תהום הוא מגיע ל-10,000 שנה.

במשך שנה אחת עוברים במחזור המים 502 אלף קמ"ק מים, שהם כ-3 מאיות האחוז מכלל המים בכדור הארץ. 87 אחוזים מהאידוי מתרחשים ממי האוקיינוס, והיתר ממקורות מים על פני היבשה (ובכלל זה אידוי מיצורים חיים, כגון צמחים ובעלי חיים). בכיוון ההפוך, כ-78 אחוזים מהמשקעים יורדים מעל האוקיינוסים, והשאר מעל היבשה. אם נביא בחשבון ש-9 אחוזים מהמשקעים שיורדים מעל היבשה זורמים לאוקיינוס, ניווכח שהמספרים מתאימים.

מתקן התפלת מים בישראל | צילום: Cecile Degremont/Look at Science/Science Photo Library

התפלה ומחזור המים

גידול באוכלוסיית האדם, שינויים בהרגלי הצריכה ושינויי אקלים גורמים לכך שבמקומות רבים בעולם יש מחסור במים מתוקים. במאמץ להתמודד עם מחסור זה, עולה בשנים האחרונות מספר מתקני ההתפלה ברחבי העולם, המונה כיום יותר מ-20 אלף מתקנים. האם התפלת מים יכולה להשפיע על מחזור המים? 

ראשית, נכון לשנת 2015, הותפלו בכל רחבי העולם כ-31 קמ"ק בשנה, המהווים כ-6 אלפיות האחוז ממחזור המים השנתי בעולם כולו. כלומר, כמות המים המותפלים קטנה ביחס לכלל המים במחזור וביחס לכלל המים המתוקים בכדור הארץ. נוסף על כך, אף שהתפלת מים יכולה לסלק מן המים חומרים המומסים בהם וכך להפוך אותם לראויים לשתייה, הרי שכמות המים שעוברת במחזור המים תישאר קבועה, בהתאם לחוק שימור החומר. 

בנקודה זו ראוי להציב שני סייגים: ראשית, ייתכן שלהתפלת מי ים יש השלכות סביבתיות בלתי רצויות. שנית, בני אדם גורמים לזיהום מים על ידי זיהום מי תהום בפסולת תעשייתית ופליטת גזים מזהמים לאטמוספרה. פעולות אלו אומנם אינן פוגעות במחזור המים בהגדרה הצרה שלו, אך בהחלט יכולות לפגוע בזמינותם של מים ראויים לשתייה.

מחזור הפחמן

פחמן הוא היסוד הרביעי בשכיחותו ברחבי היקום. הוא נמצא באטמוספרה, בצמחים, בבעלי חיים, בסלעים, במעמקי האוקיינוס ובבטן האדמה. אבני היסוד של כל יצור חי – חלבונים, סוכרים, שומנים, DNA ו-RNA – הן שרשרות ארוכות של אטומי פחמן הקשורים בעיקר לאטומי מימן, חמצן וחנקן. בדומה למים, גם הפחמן מחליף צורה ומצבי צבירה כאשר הוא עובר בין המאגרים השונים שבהם הוא נמצא על כדור הארץ. אך בעוד שמחזור המים מתאר רק שינויים במצבי הצבירה (הכמויות הקטנות יחסית של מים שעוברות תגובה כימית והופכות לחומר אחר יוצאות כתוצאה מכך ממחזור המים), הרי שפחמן עובר בין מאגרים באמצעות פירוק ויצירה של קשרים כימיים בשני מחזורים שונים: מחזור הפחמן המהיר ומחזור הפחמן האיטי.

הפחמן עובר בין מאגרים שונים בכדור הארץ באמצעות פירוק ויצירה של קשרים כימיים. מחזור הפחמן | איור: Mikkel Juul Jensen/Science Photo Library

מחזור הפחמן המהיר

במחזור הפחמן המהיר מככבים הצמחים, ושותפים בו גם בעלי חיים ויצורים חיים אחרים והאטמוספרה. הצמחים "לוקחים" פחמן דו-חמצני (CO₂) מהאטמוספרה, מים (H₂O) ואנרגיה מהשמש, וממירים אותם לסוכר גלוקוז (C₆H₁₂O₆) ולחמצן (O₂) בתהליך שנקרא פוטוסינתזה. את החמצן הצמחים פולטים בחזרה לאטמוספרה, ובסוכר הם משתמשים כדי לייצר את החלבונים, השומנים וה-DNA הנחוצים להם. הפחמן הפך כעת למרכיב של רקמות צמח, והמולקולות הפחמניות השונות יכולות לשמש להפקת אנרגיה בצמחים עצמם, או לחלופין, בתהליכי הנשימה של בעלי חיים שאכלו את הצמחים. לאחר שהמולקולות שהפחמן הגיע אליהן ישמשו להפקת אנרגיה, ישוב וימצא את דרכו לאטמוספרה כפחמן דו-חמצני. 

תהליכים אלו מתרחשים בדרך כלל בסקאלות זמן של כמה ימים או חודשים, ועוברים בהם כמאתיים מיליארד טונות של פחמן מדי שנה. מכיוון שעצי היערות הטרופיים נמנים עם ה"שחקנים" המרכזיים במשפחת הצמחים היבשתיים, והם ממחזרים כ-2.4 מיליארד טון פחמן בשנה, הרי שבירוא ושרפה של יערות טרופיים בהיקפים גדולים, כמו השריפה שמשתוללת בחודשים האחרונים ביערות האמזונס, פוגעים באופן משמעותי בכמות הפחמן הדו-חמצני שהצמחים מקבעים מהאטמוספרה. 

מחזור הפחמן האיטי

כאשר צמחים מתים מבלי שנאכלו או נשרפו, הם עשויים להפוך בסופו של דבר לסלע, לנפט או לגז (תלוי בתנאי הסביבה) בתהליך הנמשך מיליוני שנים. הפיכת צמחים לסלע או לדלק היא אחת הדרכים שבהן פחמן עובר בין מאגרים שונים במחזור הפחמן האיטי. קצב התחלופה של פחמן במחזור האיטי הוא 200-100 מיליון שנה, ועוברים בו 100-10 מיליון טונות של פחמן כל שנה. 

בעוד ש-20 אחוז ממעבר הפחמן מהאטמוספרה לסלעים במחזור הפחמן האיטי מתבסס על קיבוע פחמן דו-חמצני בפוטוסינתזה ולאחר מכן על שקיעת שרידי צמחים ובעלי חיים והפיכתם לסלעי משקע, הרי ש-80 האחוזים הנותרים מתרחשים באוקיינוס. איך זה עובד? פחמן דו-חמצני הנמצא באטמוספרה מומס בטיפות מים זעירות באוויר, ומגיב עם המים ליצירת חומצה פחמתית (H₂CO₃). גשם המכיל חומצה פחמתית גורם להמסת סלעים, ולפיכך, בסופו של דבר, לשחרור יוני סידן ויונים אחרים לאוקיינוס. באוקיינוס מחכים אלמוגים ויצורים אחרים, שיודעים להפוך את הסידן ואת הפחמן הדו-חמצני שנמצאים במים לסידן פחמתי, המינרל שממנו מורכבים בין השאר סלעי גיר.

המעבר של פחמן בכיוון ההפוך, מהסלעים לאטמוספרה, מתבצע באופן טבעי בעיקר על ידי התפרצויות של הרי געש. כיום הרי געש משחררים 380-130 מיליון טונות פחמן דו-חמצני בשנה. לשם השוואה, פליטות פחמן עקב פעילויות של האדם משחררות לאטמוספרה למעלה מ-30 מיליארד טונות פחמן דו-חמצני בשנה – פי 300-100 מהרי געש.

מה אנחנו מתערבים?

אם מחזורי הפחמן השונים נמצאים באיזון, כמות הפחמן בכל "מאגר" אמורה להישאר פחות או יותר קבועה, למעט שינויים התלויים בעונות השנה, שכן הפוטוסינתזה באביב ובקיץ הרבה יותר גבוהה מאשר בחודשי הסתיו והחורף. ואולם, התערבות אנושית משנה את המצב.

בני אדם כורתים ושורפים יערות, ובכך מקטינים את "כוח העבודה" העיקרי הקולט פחמן מהאטמוספרה. שינויים בשימושי הקרקע, כלומר כריתת יערות והפיכתם לשטחים חקלאיים, מובילים באופן עקיף לפליטה של כמעט מיליארד טון פחמן בשנה. נוסף על כך, בני אדם שורפים כמויות גדולות של דלקים, וכך מגדילים מאוד את ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה.

בשנת 2018, הובילה שריפת דלקים לפליטה של 37.1 מיליארד טונות פחמן, עלייה של 2.7 אחוזים ביחס לשנת 2017 ויותר מפי שלושה מפליטת הפחמן עקב שריפת דלקים בשנת 1960, שעמדה על קצת פחות מ-10 מיליארד טונות בשנה. הקפיצה הזאת בפליטת פחמן דו-חמצני עקב פעילויות האדם גורמת שתי בעיות. ראשית, אנחנו לוקחים פחמן שנמצא במחזור האיטי ומעבירים אותו למחזור המהיר. הטבע אינו מחזיר פחמן מהמחזור המהיר לאיטי בקצב שבו אנחנו מעבירים אותו בכיוון ההפוך. נוסף על כך, שריפת דלקים מובילה לעלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, העלולה להוביל לעלייה בטמפרטורות בכל רחבי כדור הארץ. התחממות כדור הארץ אינה הנושא של כתבה זו, אך ברור שיש לה השלכות סביבתיות חמורות וכי בני אדם תורמים תרומה לא-מבוטלת להתחממות, בעיקר עקב פליטה מוגברת של גזי חממה, ובראשם פחמן דו-חמצני. לאור אתגרים אלו, נעשים מאמצים רבים להגביר את קצב קיבוע הפחמן הדו-חמצני בעזרת מפעלים להפיכת פחמן מהאטמוספרה לדלק ובעזרת נטיעת יערות.

שריפת גז במפעל כימיקלים | צילום: Jim West/Science Photo Library

חנקן: חיידקים, חלבונים ופריץ הבר

חנקן מהווה כ-78 אחוזים מהאטמוספרה. לכאורה, זה נתון פתיחה מעולה לכל היצורים החיים שצריכים חנקן כדי לייצר חלבונים ו-DNA. הבעיה היא שהחנקן שבאטמוספרה נמצא במצב צבירה גזי (N₂), שרוב רובם של הצמחים ושל שאר היצורים החיים אינם מסוגלים להשתמש בו, משום ששני אטומי החנקן קשורים זה לזה בקשר כימי חזק מאוד. מי שכן יודעים להפוך חנקן גזי לתרכובות אחרות המכילות חנקן, כמו למשל אמוניה (NH₃) או תחמוצות חנקן כמו ניטריט (^-NO₂) וניטראט (^-NO₃) שצמחים ובעלי חיים יכולים לנצל לצורכיהם, הם חיידקים המתמחים בכך. תהליך זה נקרא קיבוע חנקן. 

חלק מהחיידקים חיים בצמוד לשורשים של צמחים, ומקבעים חנקן סמוך לתחנת היעד שלו. אך יש גם חיידקים שמקבעים חנקן לאו דווקא בצמוד לשורשי הצמחים. בעלי חיים צורכים חנקן כאשר הם אוכלים צמחים או בעלי חיים אחרים, והחנקן שהם אינם זקוקים לו מופרש בשתן כחומר שנקרא שתנן. החנקן שאינו מופרש במהלך חייהם של בעלי חיים או צמחים חוזר לאדמה כאשר הם מסיימים את חייהם ונרקבים באדמה. שם ממתינים להם חיידקים אחרים, שיודעים להפוך את תרכובות החנקן בחזרה לאמוניה הזמינה לשימוש חוזר לצמחים, או לחנקן גזי החוזר לאטמוספרה. התהליכים שתיארנו כאן מתרחשים ביבשה, אך תהליך דומה מאוד מתרחש גם באוקיינוסים, בעזרת חיידקים המותאמים לסביבה מימית.

לכאורה, מחזור החנקן של הטבע פועל בסנכרון מופלא בין השחקנים השונים שלוקחים בו חלק. אך הגידול העצום באוכלוסיית העולם, והמהפכה התעשייתית שהתרחשה בשלהי המאה ה-19 ובראשית המאה ה-20, יצרו צורך בהול במציאת מקורות נוספים לחנקן שישמש כדשן לגידולים חקלאיים. בשנת 1910 פיתח הכימאי היהודי-גרמני פריץ הבר שיטה לייצור סינתטי של אמוניה, וכמה שנים מאוחר יותר יצר הכימאי קרל בוש גרסה של התהליך המתאימה לייצור תעשייתי, הידועה כיום בשם תהליך הבר-בוש. נכון לשנת 2014, יוצרו בתהליך הבר-בוש כ-180 מיליון טונות אמוניה בשנה, קצב המתקרב מאוד לקצב קיבוע החנקן בתהליכים טבעיים (כ-200 מיליון טונות אמוניה בשנה). 

תהליך הבר-בוש לייצור אמוניה בצורה מלאכותית הציל ללא ספק את אוכלוסיית האדם בעולם מרעב, עד כדי כך שכיום, בממוצע, כ-80 אחוזים מכלל החנקן בגוף האדם מקורו בתהליך הבר-בוש. אך להתערבות האנושית המסיבית במעגל החנקן יש גם מחירים. השימוש בדשנים מבוססי חנקן רחוק מלהיות יעיל במאה אחוז, ולכן כחצי מכמות הדשנים מוצאת את דרכה למקורות מים ולא לצמחים. ריכוז גבוה מדי של חנקן עלול לגרום לפגיעה בבתי גידול של בעלי חיים וצמחים מסוימים, ולצמצם את המגוון הביולוגי. ולבסוף, שריפת דלקים מובילה לפליטה של תרכובות גזים המכילות חנקן, ותרכובות אלו עלולות להגביר את אפקט החממה וליצור בעיות נוספות, כמו ירידת גשם חומצי.

מקור הנתונים שבטבלה: נתוני הפחמן מקורם בסוכנות החלל האמריקאית נאס"א. נתוני החנקן מבוססים על נתונים שפרסם בשנת 2012 בס וורד (Ward) מהמחלקה למדעים גיאולוגיים באוניברסיטת פרינסטון, ונתוני המים מבוססים על סקר גיאולוגי בארה"ב (USGS).

מחזורי המים, הפחמן והחנקן מאפשרים קיום חיים על פני כדור הארץ. תעשייה מפותחת הכרוכה בשרפת דלקים, בהתפלת מים ובייצור דשנים מלאכותיים אומנם אפשרה עלייה דרסטית בגודל אוכלוסיית האדם, באיכות החיים ובתוחלת החיים, אך בד בבד, היא גם פוגעת במחזורים האלה בטבע. האם נשכיל לפתח טכנולוגיות חדשות ולהטמיען בשימוש נרחב, כך שנצליח לשמור על האיזון העדין בין ההתפתחות האנושית לבין שמירה על ההרמוניה והמחזוריות של הטבע?