מה הקשר בין גוש עננים רך ואוורירי לבין עדר צבאים? נוסחה מתמטית שמתארת את הדינמיקה של אוכלוסיות בעלי חיים - כמו צבאים וחיות הטרף הניזונות מהם - הוסבה באחרונה למודל המתאר יחסי גומלין בין מערכות עננים, גשם וחלקיקים צפים באטמוספירה, הקרויים אירוסולים. מודל זה עשוי לסייע, בין היתר, להבין כיצד משפיעים אירוסולים מעשי ידי אדם על דפוסי הגשם.

 

ענני הגשם הנמוכים, הידועים בשם "סטרטו-קומולוס ימי", נוצרים לעיתים קרובות בסמוך לחופים המערביים של היבשות ברצועות האקלימיות התת-טרופיות, והם משתרעים מעל לאוקיינוסים על פני שטחים של עד אלפי קילומטרים רבועים. העננים האלה יוצרים מערכות מאורגנות להפליא. תמונות לוויין שלהן מגלות דפוס מרתק: משבצות כמעט מושלמות של תאי ענן משושים, סגורים, מעין כוורות לבנות, רכות. אזורים אחרים מכילים תאים פתוחים, שבהם העננים מתרכזים מסביב לגבולות התא. מערכות עננים כאלה עשויות להתקיים במשך שעות.

מדענים ממכון ויצמן למדע, יחד עם שותפיהם למחקר ממינהל האטמוספירה והאוקיינוסים של ארה"ב, NOAA, מאוניברסיטת בייג'ינג וממעבדות PNNL בוושינגטון, שפכו אור חדש על תעלומת היווצרותם של תאי העננים האלה, וחשפו כמה מהעקרונות הבסיסיים ששולטים בהם. הממצאים העולים מהמחקר הזה עשויים לספק תובנות חדשות על תהליכים אקלימיים שונים. מתברר, שהכיסוי הלבן הבוהק של העננים בתאים הסגורים מחזיר את קרינת השמש אל החלל, ובכך תורם להתקררות האקלים בכדור-הארץ. לעומת זאת, התאים הפתוחים מחזירים הרבה פחות קרינה.

 

"תהליך ההיווצרות של תאי העננים דומה במידה מסוימת לרתיחת מים", אומר ד"ר אילן קורן, מהמחלקה למדעי הסביבה וחקר האנרגיה שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע. "ההפרש הגדול בטמפרטורה, בין בסיס הקומקום המחומם לבין פני השטח הקרירים יחסית של המים, גורם לתנועה מתמדת - מעין עירבול אנכי של עמודות מים. מים חמים עולים אל פני השטח, מתקררים, יורדים לתחתית, מתחממים שוב, וחוזר חלילה, בתהליך הקרוי הסעת רייליי-בנארד. תהליך דומה גורם להיווצרות תאי העננים".

 

ד"ר קורן וד"ר גרהם פיינגולד, ממעבדת NOAA בקולורדו, חקרו את תפקיד הגשם במערכות ימיות פתוחות של ענני סטרטו-קומולוס. הם בדקו, באמצעות תצלומי לוויין, כיצד המערכות האלה מתקדמות ומתפתחות במשך שעות וימים. בהמשך יצרו מודלים מתמטיים שאיפשרו להם לחשוף את עקרונות הארגון של מערכות העננים. כך עלה בידם לגלות מנגנון משוב - שהגשם מממלא בו תפקיד מרכזי - אשר גורם לתאים להתנדנד בין מצבים פתוחים.

 

המודל מתחיל במצב שבו עננים נוצרים בגבולות (ה"קירות") של התאים הפתוחים, כתוצאה מאדי מי הים שעולים באטמוספירה. לאחר זמן קצר יחסית, המים האלה הופכים לגשם, דבר שיוצר דינמיקה הפוכה מזו שיצרה את העננים בהתחלה. בשלבים הראשוניים של ייצור עננים, מגבירה האנרגיה שמשוחררת כאשר האדים העולים מתעבים את זרימת האוויר כלפי מעלה. אבל אחר כך, כשהגשם מתחיל לרדת ולהתאדות מתחת לבסיס העננים, השפעת הקירור מתגברת. הקירור גורם לשקיעת האוויר - דבר שמביא לזרימה של ה"ענן ההורה" כלפי מטה (downdraft). האוויר היורד מאלץ את האוויר סביבו לעלות, וכך נוצר הדור הבא של עננים, באתר שבו היה קודם לכן המרכז הריק של תא הענן ה"הורה".

 

לכן, כל התאים מחוברים אחד לשני, ולמעשה, כל התנודות של התאים אף הן מתוזמנות. תא בודד לא יכול לפעול לבד: הוא חייב לתפקד כחלק מ"רשת". במובנים מסוימים הוא תלוי בשיתוף הפעולה של שכניו. ד"ר קורן: "כמו הקול שמשמיעות הרבה זוגות ידיים המוחאות כפיים בקצב, או ההבזקים המתוזמנים של גחליליות בליל קיץ, התקשורת הזאת מביאה לייצור מערכת בעלת סידור עצמי שמתנודד באופן עקבי". אף על פי שהתאים הבודדים מתבהרים או מתמלאים בעננים לסירוגין, המערכת כולה נשארת ימים שלמים, ולכן המדענים מדברים על "יציבות דינמית" בכיסוי העננים.

 

במחקר קודם חקר ד"ר קורן את התפקיד של חלקיקים זעירים - טבעיים ומלאכותיים - באטמוספירה, בייצור עננים ומשקעים. מכיוון שחלקיקים אלה, הקרויים אירוסולים, משפיעים על גודל טיפות המים הנוצרות בענן (דבר שמשפיע על ירידת גשמים), הוא סבור שגם הדינמיקה של מערכות סטרטו-קומולוס ימיות עשויה להיות מושפעת מפעילות אנושית. אם יש אמת בתפיסה הזאת, כי אז ייתכן שהשפעתנו על מאזן האנרגיה של המערכת האקלימית גדולה ממה שמעריכים כיום.

 

 

 

 

הנוסחה שלמדנו בשנים האחרונות: "יערות סופגים פחמן דו-חמצני ('גז חממה') מהאטמוספירה ובכך הם מתפקדים כ'מקררים' ומאיטים את התחממות כדור-הארץ", אינה כה חד-משמעית, בסופו של דבר. מתברר שיערות מסוגלים לקלוט חום באופן ישיר ולאחסן אותו. התופעה הזאת עשויה לקזז חלק ניכר מההשפעה המקררת של בליעת הפחמן הדו-חמצני. בשורה התחתונה, יש לבדוק את המאזן בין שתי התופעות הסותרות האלה, שגורם לכך שהיער, בתנאים מסוימים, עשוי לתרום גם להתחממות האקלים. מסקנה זו עולה ממחקר שביצעו פרופ' דן יקיר וד"ר אייל רוטנברג, מהמחלקה למדעי הסביבה ולחקר האנרגיה שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע. ממצאי המחקר התפרסמו באחרונה בכתב העת המדעי Science.

 

בעשור האחרון, מפעיל מכון ויצמן למדע תחנת מחקר ביער יתיר, יער אורנים הנמצא על גבול המדבר, בצפון-מזרח הנגב. תחנה זו היא חלק מרשת עולמית של כ-600 תחנות מחקר הקרויה פלקסנט (Fluxnet), שנועדה לחקור את יחסי הגומלין בין היערות, האטמוספירה והאקלים. תחנת המחקר ביער יתיר היא מתחנות המחקר הבודדות הממוקמות באיזור יבש, על גבול המדבר.

 

יערות פועלים נגד "תופעת החממה" בכך שהם קולטים פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה, שם הוא לוכד ומשמר חום. חברי קבוצת המחקר של פרופ' יקיר מדדו במשך שנים את "ביצועיו" של יער יתיר בתחום זה. הם גילו שהיער קולט כמויות נאות של גז החממה, בשיעור הדומה לממוצע העולמי ובדומה ליערות סבוכים באירופה.

 

אבל יערות לא רק קולטים פחמן דו-חמצני, ופרופ' יקיר וד"ר רוטנברג החליטו לבדוק את התמונה הגדולה - לחשב את "מאזן האנרגיה הכולל" של היער הצחיח. הרמז הראשון באשר לאפשרות שתהליכים מסוימים עלולים לקזז את הקירור הנובע מקליטת הפחמן הדו-חמצני הגיע, כשהישוו בין האלבדו של היער - כמות אור השמש המוחזרת מפני השטח של היער בחזרה לאטמוספירה - לבין האלבדו של השטח הפתוח, הסמוך, שבו גדלים שיחים נמוכים. המדענים מצאו, שצמרת היער הכהה היא בעלת אלבדו נמוך בהרבה מזה של השטחים הסמוכים, הבהירים, ומחזירי האור. בסביבה חסרת עננים, החשופה לרמות גבוהות של קרינת שמש, האופיינית לאזורנו, שיעור האלבדו הוא גורם מרכזי בהתחממות השטח.

 

המדענים בחנו גם את מנגנוני "מיזוג האוויר" ביער עצמו. כדי להתקרר, העצים בחלקים הרטובים יותר של העולם משתמשים במערכות שמבוססות על מים: הם פותחים חורים בעלים שלהם, ופשוט נותנים לחלק מהמים שבתוכם להתאייד, דבר שמשחרר חום מהעלים. אבל יער האורנים הצחיח, שמשאבי המים שלו מוגבלים, אינו בנוי לאידוי. במקום זאת הוא משתמש במערכת חלופית שמתבססת על אוויר: היות שיערות צחיחים הם פחות צפופים מהיערות הצפוניים, האוויר בחלל הפתוח שבין העצים בא במגע עם פני שטח נרחבים יותר, כך שהחום עובר ביעילות ובקלות מהעלים אל האוויר הזורם ביניהם. מערכת קירור זו מקררת את צמרת היער, דבר שמביא, בסופו של דבר, לירידה בשיעור הקרינה האינפרא-אדומה הנפלטת אל החלל. במילים אחרות, מצד אחד היער הצחיח קולט מהאטמוספירה פחמן דו-חמצני - ותורם בכך להתקררות; אבל מצד שני הוא קולט יותר אנרגיה מקרינת השמש (כתוצאה משיעור האלבדו הנמוך יחסית שלו), ומאחסן בתוכו חלקים ניכרים ממנה (כתוצאה מהשיעור הנמוך יחסית של הקרינה האינפרא-אדומה). ביחד, שני גורמי ההתחממות האלה הפתיעו את המדענים בעוצמתם. "על אף העובדה שעוצמת התהליכים האלה אינה קבועה, אנחנו מבינים עכשיו שיידרשו עשרות שנים של גידול היער עד שהשפעת הקליטה של הפחמן הדו-חמצני (הגורם המקרר) תאזן את השפעת התהליכים המנוגדים, התורמים להתחממות".

 

בשלב הזה שאלו המדענים שאלה נוספת: אם נטיעת יערות באזורים יבשים יחסית אכן מובילה בשלבים הראשונים להתחממות, מה קורה כאשר מתחוללת מגמה הפוכה, כלומר מידבור? מניתוח הנתונים החדשים והקיימים על אזורים שהפכו למדבר, הם מצאו שהמידבור אכן יכול למתן את התחממות האקלים - לפחות בטווח הקצר. באמצעות החזר אור השמש ושחרור קרינה אינפרא-אדומה, המידבור שהתחולל באזורים שונים במשך 35 השנים האחרונות הפחית את השפעתה של "תופעת החממה" בכ-20% בהשוואה לתחזיות שהתבססו רק על עליית שיעור הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה. פרופ' יקיר: "היערות הם בעלי חשיבות עצומה לייצוב האקלים - וגם, כמובן, להיבטים אקולוגיים רבים נוספים. עם זאת, כדי לחזות את שינויי האקלים, עלינו להביא בחשבון תופעות נוספות, כמו המאזן שבין קליטת הפחמן הדו-חמצני על-ידי היערות לבין שיעור אור השמש המוחזר מהם".  

 

  

לפני עשר שנים החליטו מדעני המחלקה למדעי הסביבה וחקר האנרגיה שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע להקים תחנת מחקר ביער יתיר. תחנה זו היא חלק מרשת בין-לאומית של תחנות מחקר דומות - הקרויה Fluxnet- אשר אוספות מידע על מאזן הקליטה והפליטה של מים, פחמן דו-חמצני ואנרגיה ביערות ברחבי העולם.

 

"לצורך הקמת תחנת המחקר", אומר פרופ' דן יקיר, "היה עלינו להקים מגדל בגובה 20 מטר, בתקציב זעום. הלכנו למגרש גרוטאות בתל-אביב, מצאנו כמה מסגרות מתכת ישנות, והעמסנו אותן על משאית. משם ירדנו לים המלח, שם מסרנו אותן לרתך שיישר וצבע אותן - לפני שהותקנו ביער יתיר. למרות ההקמה המאולתרת, המגדל שלנו וכל מערכות המדידה שהותקנו עליו עמדו בכל התקנים האירופיים. כיום, עשר שנים לאחר הקמתו, הוא עדיין ניצב על עומדו ומתפקד היטב".

 

תחנת המחקר ביער יתיר היא התחנה הוותיקה ביותר האוספת מידע על הנעשה ביערות באזורים צחיחים למחצה. כ-100 חישנים המותקנים עליו מבצעים מדידות בקצב של 10 בשנייה, 24 שעות ביממה. על בסיס הנתונים שנאספו בתחנה נכתבו עד היום שש עבודות דוקטורט, בוצעו שבעה מחקרים בתר-דוקטוריאליים, ו-27 מאמרים פורסמו בעיתונות המדעית. בקרוב תרחיב התחנה את טווח פעילותה - וגם תשפר את אמצעי המחקר - באמצעות מעבדה ניידת חדשה.