מי התהום משפיעים על ההרכב הכימי של האוקיינוסים – ועל אקלים כדור-הארץ

כדי להבין את אקלים כדור-הארץ – ואת שינויי האקלים – חייבים לצלול אל מי האוקיינוס. ההרכב הכימי של מי הים ממלא תפקיד מפתח בוויסות האקלים, וכדי לעמוד על כך הרחיקו מדענים עד לקרקעית האוקיינוס ועד לפתחם של הרי הגעש התת-ימיים הפעילים בו. כעת מתברר כי נפקדו ממסע זה זרמים תת-קרקעיים שהיו כל העת ממש מתחת לכפות רגלינו. במחקר חדש המתפרסם בכתב-העת המדעי Nature Communications, מציגה ד"ר יעל קירו, גיאוכימאית מהמחלקה למדעי כדור-הארץ וכוכבי-הלכת של מכון ויצמן למדע, ממצאים מפתיעים על השפעת מי התהום באזורי החוף על הרכבם הכימי של מי הים, ומראה כי זוהי השפעה עוצמתית בסדר גודל הדומה לזה של זרימת נהרות אל הים והתפרצויות געשיות במעמקיו.

"במשך שנים תהיתי אם מישהו מדד את זרימת החומרים הכימיים ממאגרי מי תהום הסמוכים לחופים לאוקיינוסים ובכיוון ההפוך", אומרת ד"ר קירו. "הנחתי שמישהו כבר עשה זאת, אך לא מצאתי עדות מפורשת לכך. לקח לי שנים לאזור אומץ לחקור זאת בעצמי".

העניין של ד"ר קירו במי תהום החל בים המלח. בהיותה סטודנטית לדוקטורט בהידרולוגיה היא חקרה את התופעה הדרמטית של בולענים הנוצרים באזור עקב המסת שכבות המלח מתחת לפני הקרקע על-ידי זרמים של מי תהום.

""חשפנו מערכת אקלימית נסתרת שלא ידענו עליה. כדי להבין את השפעת מי הים על האקלים, חייבים להביא בחשבון את הרכיב החשוב הזה שהיה חסר עד כה"

בניגוד לדעה הרווחת, במחקר ההוא התגלה כי בנוסף למי התהום המתוקים, מי התהום המלוחים הרוויים במינרלים, עשויים לקדם תהליכים כימיים מתחת לפני האדמה. ד"ר קירו הבינה אז שמה שהתגלה בים המלח עשוי להיות רלוונטי בדרכים שונות למאגרי מי תהום ברחבי העולם. "יום אחד ארצה לחקור את השפעת מי התהום על מי הים, חשבתי לעצמי באותה עת", היא נזכרת.

הרכיב החסר בפאזל האקלים

ההשפעה הדרמטית של מי הים על האקלים מתבטאת בין היתר בכך שהאוקיינוס סופח אליו מהאוויר כמויות עצומות של CO₂ ועוזר לווסת את הטמפרטורה בכדור-הארץ. כמה פחמן הוא יכול לספוג ובאיזו מהירות? התשובה לכך תלויה בהרכב הכימי של המים.

"כשאנחנו מנסים להבין איך מגיבים האוקיינוסים לעלייה המתרחשת ברמות ה-CO₂ באטמוספרה כתוצאה משינויי האקלים, אנחנו חייבים להבין תחילה מה שולט במאזן הכימי של מי האוקיינוס", אומרת ד"ר קירו.

עד עתה התמקדו חוקרים בנהרות כמקור השפעה עיקרי על ההרכב הכימי של מי הים. מקור נוסף, שגם הוא נחקר רבות, נמצא בקרקעית הים: זרמי מים חמים מאוד ועשירים בכימיקלים הנוצרים עקב פעילות געשית. מאגרי מי תהום המכונים אקוויפרים חופיים כמעט שלא נחקרו בהקשר זה, ואיש לא ניסה לכמת את השפעתם על הכימיה של האוקיינוס.

כדי להבין את מידת ההשפעה של אותם אקוויפרים, העלתה ד"ר קירו רעיון יצירתי. היא החליטה להשוות בין שני סוגים של דגימות מי תהום שנאספו על-ידי חוקרים אחרים במקומות שונים בעולם: דגימות שנלקחו מאתרי קידוח עמוקים מתחת לאדמה, כמה מאות מטרים פנימה מקו החוף, ודגימות שנלקחו קרוב לחוף – ממש מתחת לקו המים.

כך התגלה הבדל מפתיע: מי התהום בדגימות הקרובות לחוף הושפעו באופן מועט יחסית ממי הים שחדרו לאקוויפר על ידי גאות וגלים – תהליך קצר-טווח הנמשך לא יותר מכמה חודשים, לעומת זאת, בדגימות העמוקות יותר ניכרה חתימה כימית חזקה של מי הים, שפעפעו לתוך האקוויפר עקב הפרשי צפיפות בין מי ים לבין מים מתוקים בתהליך ארוך-טווח של עשרות ואפילו מאות שנים. ד"ר קירו הסיקה מכך שמגע איטי ומתמשך של מי התהום עם מי הים ועם משקעים שינה לאורך זמן את הרכב המים במעמקי האקוויפר.

בשלב הבא חישבה ד"ר קירו את כמות היסודות הכימיים כגון סידן, מגנזיום, נתרן ואשלגן המוחלפים בין האקוויפרים החופיים לבין האוקיינוס. היא חישבה גם את הריכוזים של כימיקלים אלה באזורים שונים, וגזרה מכך את היקף התופעה בסקלה עולמית. כך נגלה לעיניה דפוס חד-משמעי: יסודות מסוימים זרמו באופן קבוע לאוקיינוס, בעוד יסודות אחרים העשירו את האקוויפרים.

אחד מהחומרים שזרמו למי הים בשפע הוא סידן – יסוד המשחק תפקיד עקיף אך מכריע במחזור הפחמן על כדור-הארץ. כאשר CO₂ מתפרק במי האוקיינוס, אחד מתוצרי הפירוק הוא פחמה (קרבונט) הנקשרת לסידן בסדרת תגובות ביוכימיות וגיאוכימיות ויוצרת סידן פחמתי – המינרל שממנו בנויים השלדים החיצוניים של יצורים ימיים. כשיצורים אלה מתים, שלדיהם נקברים בקרקעית הים וכך נטמן הפחמן באדמה לאלפי ואף למיליוני שנה. במלים אחרות, הסידן משפיע על יכולתו של האוקיינוס ללכוד CO₂ מהאטמוספרה בצורה יציבה ובת קיימא ומשמש בכך אחד ממנגנוני הבקרה הטבעיים על האקלים של כדור-הארץ.

החישובים של ד"ר קירו הראו כי אקוויפרים חופיים תורמים למי האוקיינוס כ 5 טרה-מול של סידן בשנה. לשם השוואה, נהרות תורמים 13 טרה-מול, בעוד נביעות געשיות תת-ימיות – 1.6 טרה-מול. במלים אחרות, המחקר חשף כי מי התהום תורמים חלק ניכר מהסידן הזורם לאוקיינוס ולכן יש להם השפעה אמיתית – שעד כה לא הייתה ידועה – על מחזור הפחמן הגלובלי בכוכב הלכת שלנו.

בעוד סידן זורם אל האוקיינוס ממי התהום, יסודות אחרים, כגון נתרן ואשלגן, זורמים מהאוקיינוס אל מי התהום – ונשארים שם. תהליכים אלה, שלא תועדו עד כה, מוסיפים נדבך חדש לגמרי להבנת הכימיה של האוקיינוס – נדבך בעל משמעות יוצאת דופן בעידן של שינויי אקלים.

כאשר עולה מפלס הים כתוצאה מהתחממות האקלים והמסת הקרחונים, יותר מי ים נדחפים לאקוויפרים החופיים, והדבר משפיע על זרימת הכימיקלים לתוך האוקיינוס וממנו בצורה שעשויה להגביר את ספיגת הפחמן על-ידי האוקיינוס. אלה הן החדשות הטובות. אך ישנם גם חדשות פחות טובות: עלייה במפלס הים עלולה לזהם במלח את המים המתוקים של האקוויפר ולסכן בכך את עתודות מי השתייה שלנו.

"המלחת האקוויפרים עלולה לקרות מהר יותר מכפי שהמודלים הנוכחיים מנבאים, ואת זה חייבים להביא בחשבון בניהול מאגרים של מי תהום", אומרת ד"ר קירו.

החופים בכדור-הארץ משתרעים על פני מאות אלפי קילומטרים, כך שלממצאים החדשים יש השלכות גלובליות מרחיקות לכת. "חשפנו מערכת אקלימית נסתרת שלא ידענו עליה", מסכמת ד"ר קירו. "כדי להבין את הכימיה של האוקיינוס ואת התפקיד של האוקיינוסים במחזור הפחמן לטווח ארוך, חייבים להביא בחשבון את הרכיב החשוב הזה שהיה חסר עד כה".