תעלומת גרגירי האבק הענקיים

גרגירי אבק ענקיים מפוזרים באטמוספרה של כדור הארץ, ואיש לא יודע מה מחזיק אותם שם ואיך בדיוק הם משפיעים על האקלים בעולמנו. נכון לעכשיו אין מודל פיזיקלי שמצליח להסביר את קיומם או לשלב אותם במודלים האקלימיים הקיימים, כך שלא ברור לנו עדיין איך בדיוק הם משפיעים על אפקט החממה ועל ירידת משקעים.

האבק הנישא באוויר, שמלכלך לנו את המכונית ומקשה על הנשימה בימי אובך, הוא תופעת אקלים רחבת היקף ומובנת למדי. מעבר למטרד שהוא יוצר, האבק האטמוספרי משתתף  בדרכים שונות בעיצוב האקלים של כדור הארץ. שינויים קלים בריכוזו הממוצע באוויר משפיעים על כמות המשקעים היורדת ברחבי העולם ועל הטמפרטורה באוויר ובאוקיינוסים, עקב יכולתם של חלקיקי האבק לספוג קרינה תת-אדומה בדומה לגזי חממה.

רוב האבק באטמוספרה מורכב מחלקיקים בגודל ממוצע של 1-0.5 מאיות המילימטר. הוא מתרומם לאוויר מאזורים מדבריים, שם תנועת גרגרי החול הנודדים שוחקת אותם ויוצרת חלקיקים מיקרוסקופיים רבים. גם משטחי ההצפה רחבי הידיים האופייניים לאזורים יבשים חושפים כמויות גדולות של חלקיקי חרסית קטנטנים, שמתרוממים בקלות ברוח. צפון אפריקה הצחיחה, הכוללת את מדבר סהרה, היא המקור לכמחצית מכלל חלקיקי האבק המצויים באטמוספרה.

מחקר שפרסמו לאחרונה חוקרים מהולנד, גרמניה ובריטניה בכתב העת Science מפנה את הזרקור אל תופעה עלומה שהקהילה המדעית כמעט ולא התייחסה אליה עד כה. מלבד החלקיקים המיקרוסקופיים מרחפים באטמוספרה גם גרגרי אבק "ענקיים", חלקם מגיעים לקוטר של כמעט חצי מילימטר. המחקר החדש מראה שהם מסוגלים לנדוד ברוחות למרחק של מ-3,500 קילומטר מנקודת המוצא שלהם במדבר סהרה. כדי להוסיף מסתורין לתופעה, עד כה לא נמצא הסבר פיזיקלי לשאלה איך החלקיקים הכבדים הללו נשארים באוויר כל כך הרבה זמן ומגיעים כה רחוק.

הדמיה מורכבת

מודלים אקלימיים ממוחשבים הפכו לאחד מהכלים העיקריים לחקר מערכות אקלימיות ולחיזוי תופעות אקלימיות ושינויי אקלים עתידיים. הם מבוססים על הדמיה מדויקת ככל הניתן של יחסי הגומלין בין גורמי האקלים השונים, כגון האטמוספרה, האוקיינוסים, פני היבשה ופעילות האדם. רבים מהם משלבים בתוכם את נוכחות האבק האטמוספרי, ולוקחים בחשבון את השפעת ריכוזו באוויר ופיזורו המרחבי על משתנים כמו החזר הקרינה הנפלטת מפני השטח וכמות המשקעים הצפויים לרדת.

אולם המודלים האלה מתבססים על ההנחה שגודלם של חלקיקי האבק אינו עולה על מאית המילימטר. הסיבה להנחה טמונה בחוקים הפיזיקליים שעליהם מבוססים המודלים, שאינם מסוגלים להתמודד עם התכונות האווירודינמיות של חלקיקים גדולים יותר.

ככל שחלקיקי האבק גדולים יותר, כך הם סופגים קרינה רבה יותר הנפלטת מפני כדור הארץ, ותורמים יותר להתחממות האטמוספרה. בנוסף, לחלקיקי האבק תפקיד ביצירת גרעיני התעבות בעננים, ועליה בגודלם עשויה להוביל למשקעים רבים יותר. אם חלקיקי אבק הגדולים משמעותית ממאית המילימטר יילקחו בחשבון במודלים אקלימיים, ההשפעה שלהם על התוצאות עשויה להיות עצומה. ייתכן גם שחלק מההנחות והתחזיות המקובלות בנוגע לאקלים כיום יתגלו כמוטעות.

לחלקיקי האבק הגדולים עשויה להיות גם השפעה ישירה גם על מחזור הפחמן העולמי: ייתכן שבמהלך שקיעתם באוקיינוסים הם מתלכדים עם צברים של חומר אורגני ומאיצים את ההובלה שלו אל שכבות האוקיינוס העמוקות. אך כדי לדעת זאת, אנחנו צריכים לחקור אותם יותר, וקודם כל להבין מה מאפשר את קיומם.

אחד ההסברים האפשריים שמציעים החוקרים ליכולת של החלקיקים הגדולים לרחף זמן כה רב באוויר טמון בשדה החשמלי הקבוע באטמוספרה. השדה הזה מתקיים בעקבות הפרשי המתחים בין יונים (אטומים ומולקולות נושאי מטען חשמלי) חיוביים הנמצאים באטמוספרה לבין המטען השלילי של פני כדור הארץ. מחקרים רבים הראו כי כוחות חשמליים באוויר יכולים לפצות על משקלם של חלקיקים, ולהשאירם באוויר למרות הכבידה הפועלת עליהם. כדי שזה יקרה חלקיקי האבק צריכים להיות טעונים בעצמם במטען שלילי, שעשוי להיווצר כשהאבק מתחכך בפני הקרקע טרם התרוממותו לאוויר.

התופעה הזאת מסבירה היטב ריחוף של חלקיקים קטנים למשך זמן קצר. כדי להסביר את הרלוונטיות שלה גם לחלקיקים הגדולים שהתגלו, החוקרים מתארים מצב שבו האבק שהתרומם מפני הקרקע עולה על גבי הרוח אל שכבה ספציפית וסוערת באטמוספרה, שבה צפיפות החלקיקים הגבוהה, משולבת במערבולות חזקות, גורמת לחלקיקי האבק להתנגש ולהתחכך אלה באלה. החיכוך שומר את המטען שלהם וכך מאפשר להם להיוותר זמן רב יותר במרומי האטמוספרה. שכבות אוויר כאלה באטמוספרה מתפתחות למשל במהלך סופות הוריקן.

הבנה מדויקת יותר של התהליכים המשפיעים על גודל החלקיקים ועל תנועתם באטמוספירה, ושילובם בתוך מודלים אקלימיים עדכניים, עשויה לקדם כיווני מחקר שונים באופן משמעותי. דוגמה לתחום כזה הוא הערכת כמות האנרגיה הכוללת המסוגלת להיאגר באטמוספירה, נתון העומד בבסיסן של תחזיות אקלימיות רבות.