מערכות רוח ענקיות ממחישות לנו, בכל פעם מחדש, את מורכבות הגורמים המשפיעים על מזג האוויר. אבל מה מקור האנרגיה של רוחות הענק? כיצד הן נוצרות? מדוע הן מתפתחות וגדלות? פרופ' גרגורי פלקוביץ, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, בוחן תיאוריות שונות במטרה להבין כיצד מתחוללות התופעות הענקיות האלה באטמוספירת כדור-הארץ. "האטמוספירה היא שכבה דקה מאוד ביחס לגודלו של כדור-הארץ", הוא אומר. "באופן טבעי, אנו מתעניינים בעיקר במה שקורה בגובה של עד 10 קילומטרים. זו שכבה, שביחס לעובי האטמוספירה כולה אפשר לראותה כדו-ממדית".

פרופ' פלקוביץ, כפיסיקאי תיאורטיקן, פיתח מודל תיאורטי של התהליכים אשר מתחוללים בשכבת אטמוספירה זו. כדי לבחון את המודל בתנאים מבוקרים, חבר לפיסיקאי הניסיונאי פרופ' מיכאל  שטס מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה, בקנברה, שבנה במעבדתו מערכת שולחנית המדמה את המערכת האטמוספירית הנמוכה (עד לגובה 10 ק"מ). במערכת זו, שבה מים ממלאים את תפקיד האוויר, הוא יצר תנודות - והמתין.

 

הבדלים בין מידת הבליעה של קרינת השמש בקרקע באזורים שונים, והבדלים בחימום הישיר של האוויר על-ידי השמש באזורים שונים, יוצרים הפרשי טמפרטורה ובהתאמה הפרשי לחצים. כתוצאה מכך מתחוללות תדיר באטמוספירה הן תנועות אוויר אנכיות והן זרימות (רוחות) אופקיות.

 

המדענים יצרו תופעות דומות במערכת המבוקרת במעבדה, וקיבלו תוצאות המתאימות לתחזיות המודל שפיתח פרופ' פלקוביץ. מתברר, שאם מתחוללת תנועה אנכית זעירה יחסית במערכת שבה מתחוללת כבר תנועה (רוח) אופקית חזקה, תתפתח בתוך זמן מערבולת אופקית גדולה מאוד. "מדובר במערבולות בקנה-מידה עולמי", אומר פרופ' פלקוביץ. "קוטרן יכול להגיע עד ל-1,000 ואפילו ל-5,000 קילומטרים. רק מדידות מלוויינים יכולות ללמד אותנו על היקפן המלא".

 

אבל היווצרות המערבולת היא רק השלב הראשון בתהליך. בשלב הבא, כעבור פרק זמן מסוים, מתחוללת תופעה מפתיעה. מתברר, שמערבולת הרוח האופקית, שיחסית אפשר לראותה כדו-ממדית, "מדכאת" את המערכת האנכית (שבמקור גרמה להיווצרותה), ו"שואבת" ממנה אנרגיה נוספת. כיוון שהסיבות לזרימה האופקית עדיין קיימות, נוצרת זרימה אופקית חדשה, ולמעשה גדולה יותר, שגם היא מעבירה את האנרגיה שלה למערבולת האופקית. כך נוצר מעין "מנוע צמיחה", המספק אנרגיה וגורם לגדילה הדרגתית של המערבולת האופקית.

 

מדענים, כמו ספורטאים, בוחנים את גבולות היכולת האנושית. כמה מהר יכול אדם לרוץ? כמה רחוק? כמה מאמץ הוא יכול לרכז בזמן קצר? ומנגד, עד לאיזו רמה אפשר לתעד ולהבין תהליכים מהירים מאוד? כאשר, למשל, "תולשים" אלקטרון ממולקולה, מתארגנים האלקטרונים הנותרים מחדש כדי לשמור על שיווי המשקל של המטענים החשמליים במולקולה. כיצד מתבצע הארגון מחדש? תוך כמה זמן הוא מתבצע? בעבר פטרו המדענים את השאלות האלה באמירה, כי לאחר "תלישת" אלקטרון ממולקולה יוצרים האלקטרונים הנותרים "מיד" שיווי משקל חדש. הביטוי "מיד" שיקף את העובדה, שמערכות המעקב אשר עמדו לרשות המדענים הראו היווצרות מיידית של מערך אלקטרונים חדש, ללא שלבי ביניים. אבל העובדה הזאת היא רק עוד דוגמא לדרך שבה מגבלות הטכנולוגיה מגבילות גם את המחקר המדעי.

 

כדי לעקוב אחר תהליכים מהירים במולקולות, כמו תגובה שבה מולקולה אחת נשברת ונחלקת לשתי מולקולות קטנות יותר, משתמשים המדענים בהבזקי לייזר מהירים, המשמשים להם כמעין "מצלמות" שמצלמות ו"מקפיאות" את התהליכים מולקולריים, כפי שמצלמותיהם של צלמי הספורט מקפיאות שחקני כדורסל מרחפים בדרכם ל"הטבעת" כדור בסל, או כפי שצלמים טכניים מתעדים פגיעה של כדור רובה בכוס זכוכית.

 

ככל שהתהליך הטבעי הנחקר מתחולל במהירות רבה יותר, "מצלמת" הלייזר הנדרשת לצורך "הקפאת" שלבי התהליך חייבת להפיק הבזקי לייזר קצרים ומהירים יותר. במשך מספר שנים היו הלייזרים המהירים ביותר שעמדו לרשות המדענים מסוגלים להפיק הבזקים שנמשכים מספר מיליוניות-מיליארדיות של שנייה ("פמטו שניות").
מדובר בהבזקים מהירים מאוד, שמאפשרים לחקור תגובות מולקולריות. אבל תנועה של אלקטרונים באטום או במולקולה מתחוללת בפרקי זמן קצרים עוד יותר. כדי לחקור ו"להקפיא" תנועה כזאת, נדרשו "מצלמות" מהירות יותר. וכאן, פחות או יותר, העסק נתקע למשך כמה שנים.

 

"גבול היכולת של הלייזרים נבע מחסם בסיסי", אומרת ד"ר נירית דודוביץ', שהצטרפה לפני כשנתיים למחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. "הבזק הלייזר הקצר ביותר שאפשר להפיק מוגבל על-ידי אורכו של מחזור אחד של גל האור. כאשר בוחנים את אורכם של גלי האור הנראים לעין, מתברר ששום שיכלול טכנולוגי לא יוכל ליצור באמצעותם הבזקים קצרים מפמטו-שנייה".

 

המפתח להתגברות על מגבלה זו נמצא במערכת יחסי הגומלין שבין אור הלייזר  לחומר. הניסוי מתחיל בהפעלת הבזקי לייזר רבי עוצמה שמשכם כמה פמטו-שניות.  קרינה כזאת, המשוגרת לעבר מולקולות מסוימות, עשויה "לתלוש" את אחד מהאלקטרונים הנעים במולקולה, דבר שיכול לאפשר לאלקטרון "לברוח" ולצאת ל"טיול קצר" - תופעה קוונטית הקרויה "מינהור". כפי שזה קורה במקרים רבים אחרים בחיים, ה"טיול הקצר" מוביל את האלקטרון בחזרה אל מולקולת האם שלו. כאשר האלקטרון שיצא ל"טיול" חוזר ונכנס למולקולה, הוא גורם בכך לפליטת פוטון (חלקיק אור) באורך גל קצר בהרבה מזה של האור הנראה. כל התהליך מתחולל במשך זמן הקצר יותר מאורך המחזור של גל האור. שיטה זו איפשרה את ייצורם של לייזרים ה"יורים" הבזקים באורך של עשרות "אטו-שניות" (אטו-שנייה היא מיליארדית-מיליארדית של שנייה).

 

לייזרים כאלה מסוגלים לצלם ו"להקפיא" את תנועת האלקטרונים באטומים או במולקולות, דבר שיצר שדה מחקר חדש שבו, באמצעות סדרה מהירה של תצלומים, אפשר לעקוב אחר שינויים במיקום האלקטרונים במערכות שונות. לדוגמא, תיעוד שלבים שונים בתנועותיהם של אלקטרונים בתהליך ההתפרקות מולקולה מסוימת.

 

אבל ד"ר דודוביץ לקחה את השאלה המחקרית שלה צעד אחד קדימה. "חשבתי", היא אומרת, "למה להשתמש בלייזר כדי לעקוב אחרי מולקולות אחרות, אם אני יכולה לחקור את התהליך של פליטת האור מהמולקולה שעליה מבוסס הלייזר עצמו". במילים אחרות, מדובר במעין צילום עצמי. המולקולה שפולטת את הפוטונים המהירים מצלמת את התהליך שבו האלקטרונים שלה עצמה פועלים ונעים במהלך תהליך הפליטה.

 

השאלה שעמדה לפני ד"ר דודוביץ' וחברי קבוצת המחקר שלה היא, כיצד אפשר לגרום לאלקטרונים ה"נתלשים" ש"יוצאים לטיול" לחזור ולפגוע במולקולה או באטום מכיוונים שונים (דבר השקול לצילומים מזוויות שונות המראים חתכים שונים של המולקולה)? התשובה, שאותה הם מתארים במאמר שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics, מתבססת על היכולת לשלוט במסלול האלקטרון לפני חזרתו לאטום. באמצעות שינוי קיטוב הקרינה ש"תולשת" את האלקטרון מהאטום הצליחו המדענים לשלוט בכיוונים שמהם חזרו האלקטרונים מ"טיוליהם", דבר שמשמעותו צילום של האטום שפולט את אור הלייזר מזוויות שונות, בזמן הפליטה עצמה. שיטה זו דומה במידה מסוימת לדרך הפעולה של מערכות דימות רפואיות שונות.

 

בדרך זו הצליחו ד"ר דודוביץ' וחברי קבוצתה לאפיין את התפלגות האלקטרונים באטום. "בעתיד", היא אומרת, "אנו שואפים למדוד גם את הזמן, ולשלב אותו עם מדידות מיקומם של האלקטרונים. כך, במקום תמונה מוקפאת, נקבל מעין סרט שמתעד את תנועת האלקטרונים בתהליכים שונים של תגובות כימיות שונות". 

 

 

 

 

 

חובבי מוסיקה קלאסית יודעים לזהות יצירות שונות ומלחינים שונים, הודות לשילוב הצלילים הייחודי המאפיין אותם. באופן דומה, מדענים יודעים לזהות קרינה שבוקעת מחומרים שונים, ולקבוע על-פיה את המבנה המדויק שלהם. כדי לגרום לחומר לפלוט את הקרינה האופיינית לו, משתמשים המדענים בתהודה מגנטית גרעינית - NMR, ובדימות בתהודה מגנטית - MRI. טכניקות אלה אינן פולשניות, הן צורכות מעט אנרגיה, ולפיכך הן משמשות לטווח רחב של בדיקות ובחינות, מהמבנה הכימי של תרופות, ועד למעקב אחר התפתחות מוח העובר. תכונת המגנטיות היא הבסיס לפעילותם של ה-NMR וה-MRI. כאשר גרעיני האטומים נחשפים לשדה המגנטי שבמכשירים אלה, הם מתעוררים לחיים ומתחילים להסתובב סביב עצמם - כמו מחטים של מצפן מיקרוסקופי. כתוצאה מכך הם פולטים גלים אלקטרו-מגנטיים. גרעינים של אטומים מסוגים שונים משדרים גלים שונים, וכך נוצר דפוס קרינה אופייני לכל חומר. המדענים מנתחים את דפוסי הקרינה, ועל-פיהם הם יוצרים תמונה רב-ממדית מלאה ומדויקת של המולקולות המרכיבות את החומר.

 

השיטה זכתה לפופולריות עצומה, ונעשה בה שימוש במיגוון רחב של תחומי מחקר כמו רפואה, ביולוגיה מבנית, כימיה תרופתית, פיסיקה של חומר מעובה, ומדעי כדור-הארץ. מכשירים המבוססים על תהודה מגנטית הוכיחו את עצמם כאמצעי מחקר רב-ערך, ובעל יישומים רבים מאוד: החל מתכנון סוגים חדשים של מוליכים למחצה, חומרים קטליטיים (זרזים כימיים) ותרופות יעילות, ועד למחקר בזמן אמת של פעילות מוח האדם, ואבחון מצב בריאותו של העובר.

 

"עם זאת, אותן התכונות שעושות את המכשירים האלו שימושיים כל-כך ברפואה ובמחקר, העובדה שהם אינם פולשניים ופולטים רק רמות נמוכות ביותר של אנרגיה, ולכן אינם מזיקים, אחראיות גם לחיסרון הגדול שלהם: רמת הרגישות הנמוכה של הבדיקה", מסביר פרופ' לוסיו פרידמן, מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע. "כדי לשפר את רמת הרגישות של המדידות נאלצים המדענים להשתמש בריכוזים גבוהים של דוגמאות נבדקות, שלעיתים קשה להשיגם. אפשרות אחרת היא לפתח מגנטים חזקים יותר, שהם יקרים מאוד ויכולתם מוגבלת, בסופו של דבר. למעשה, כדי לקבל תמונה רב-ממדית - דו-ממדית, תלת-ממדית ואף ארבע-ממדית - יש לבצע שורה של מדידות נפרדות ולשלב את הנתונים העולים מהן. התהליך כולו הוא איטי, ונדרשים שעות ואף ימים עד לקבלת התוצאות הסופיות".

פרופ' פרידמן, והמדען דמיר בלזינה העובד בחברת Oxford Instruments Molecular Biotools, אשר מפתחת מיכשור ביולוגי-מולקולרי, פיתחו, במחקר משותף, שיטה המשפרת במידה ניכרת את רגישות המדידה של מכשירי התהודה המגנטית, ומאפשרת ליצור במהירות גדולה תמונה רב-ממדית של החומר, על בסיס נתוני NMR. השיטה שפיתחו משלבת שתי  טכניקות: NMR רב-ממדי אולטרה-מהיר, והיפר-קיטוב גרעיני דינמי (DNP היפר-מקוטב). השיטה תוארה באחרונה בכתב העת המדעי Nature Physics.

היפר-קיטוב היא שיטה שפותחה בעשורים האחרונים על-ידי מספר קבוצות מחקר, במטרה להתגבר על מגבלת הרגישות של מכשירי ה-NMR. הרעיון הוא "להטיל משמעת" על גרעיני האטומים המסתובבים ללא סדר. במכשירי NMR ו-MRI רגילים, מחטי המצפן של גרעיני האטומים "מאבדות את הצפון", ומצביעות באקראיות לכיוונים שונים. רק אחוז זעיר מכלל הגרעינים (אחד מכל 50,000) פועל באופן  מסודר הנדרש כדי שאפשר יהיה לקרוא אותו במכשיר NMR. תהליך ההיפר-קיטוב מסדר את מחטי  המצפן כך ש"יצביעו צפונה". ככל שיש יותר מחטים ממושמעות ומסודרות, כך עולה רגישות הקריאה ב-NMR. באמצעות שימוש בטכניקות שונות, כמו קירור של הדוגמא מטמפרטורת החדר עד קרוב לאפס המוחלט (273- מעלות צלזיוס), מאפשר ההיפר-קיטוב לסדר כ-20% מגרעיני האטומים (גרעין אחד מכל חמישה) - שיפור פי 10,000 של השיטה הנהוגה עד היום. בכך נמצא פתרון לבעיית הרגישות, אך נוצרות שתי בעיות חדשות: הטמפרטורה הנמוכה אינה מאפשרת לבדוק דוגמאות במצב נוזלי, שהוא מצב הצבירה האופייני לדוגמאות ביולוגיות. כדי להתגבר על הבעיה הזאת הפעילו המדענים את תהליך ההיפר-קיטוב על הדוגמה הקפואה, ולאחר מכן הפשירו אותה למצב נוזלי. כך התקבל חומר נוזלי ומסודר, שאיפשר רמת רגישות גבוהה של בדיקת NMR. אולם, תהליך זה הציב את החוקרים מול בעיה אחרת: את החומר המופשר לא ניתן להקפיא שנית, ולכן לא ניתן לבצע את אוסף הבדיקות החוזרות, שנדרש לשם קבלת תמונה רב-ממדית של החומר.

בנקודה זו נכנסו לתמונה פרופ' פרידמן וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה. הם פיתחו גירסה משופרת של טכניקת NMR, הקרויה "NMR רב-ממדי אולטרה-מהיר". שיטה זו מבוססת על "פריסה לפרוסות" של הדוגמה הנבדקת, המבטלת את הצורך לאסוף מספר גדול של סריקות. כך יכולים המדענים לקבל בסריקה בודדת, תוך שבריר שנייה, מערך נתונים של המבנה הרב-ממדי של החומר.

 

"שתי שיטות יעילות במידה יוצאת דופן נמצאות בהישג ידנו. אחת מגבירה את הרגישות, והשנייה מגבירה את המהירות. מה יקרה אם ננקוט את הגישה החדשה, ונאחד את שתי השיטות, במקום להמשיך בתהליך המתסכל והאיטי של שיפור המיכשור והתהליכים הקיימים?" שאל את עצמו פרופ' פרידמן. מיזוג שתי השיטות אכן הוביל לסימפוניה מוצלחת והרמונית: הנתונים שהתקבלו באמצעות השיטה של פרופ' פרידמן איפשרו להעלות את רמת הרגישות של המדידות במספר סדרי גודל, וכן ליצור תמונה רב-ממדית מדויקת בתוך פרק הזמן שנדרש בדרך כלל לסריקת NMR בודדת.

 

שיטה משולבת זו פותחת אפשרויות חדשות לפיענוח המבנה המולקולרי של חומרים רבים, והיא עשויה לסייע גם בחקר תופעות דינמיות המתחוללות בפרקי  זמן קצרים (עד כה אי-אפשר היה למדוד תופעות כאלה). בנוסף לכך, באמצעותה אפשר יהיה לחשוף תופעות חדשות שנותרו עלומות עד כה.