מדבריות ואזורים יבשתיים צחיחים מהווים חלק מרכזי בכדור הארץ, ולכן הם משמשים כארכיון בלעדי וייחודי של תהליכים אקלימיים וגיאולוגיים שהתרחשו ביבשה בעבר. יחד עם זאת, העובדה שלמעלה מ-20% מאזורים אלה מכוסים בחול מציבה בפני חוקרים ברחבי העולם אתגר משמעותי בניסיון לקבוע את הגיל שבו נוצר המדבר. מגבלות הנובעות מהתהליכים הטבעיים המתרחשים בהם, כגון מיחזור המשקעים בדיונות חול, וכן מהיבטים טכנולוגיים הכרוכים ביישום כלים לתיארוך גיאולוגי, מקשים על תיארוך המדבריות והבנת תהליכים ארוכי הטווח הקשורים אליהם. יחד עם זאת, המידע המצטבר במדבריות העולם יכול לתרום לאופן בו אנו מבינים תהליכים טבעיים כמו שינויים אקלימיים והתפתחות הנוף בסביבות יבשתיות צחיחות. לאור הצורך לתארך מדבריות, קיים קושי משמעותי בתיארוך של תצורות נוף מונעות רוח (aeolian landscapes) כגון שדות דיונות.
4 צפייה בגלריה
מדבר הקלהרי נמצא באגן יבשתי פנימי בחלקה הדרומי של אפריקה, ומכוסה בשמיכת החול הגדולה בעולם
(צילום: פרופ' ארי מטמון)
במסגרת מחקר שפורסם לאחרונה בעיתון המדעי "Earth Surface Processes and Landscapes", שילבו חוקרים למדעי כדור הארץ מהאוניברסיטה העברית ומאוניברסיטת לוזאן שבשוויץ, ד"ר יואב בן דור וד"ר שלומי ויינר, שיטות שונות המשמשות לתיארוך של משקעים וסלעי משקע בעולם, באמצעות מודל חדשני המדמה את תנועת הדיונות במדבר תחת מגוון רחב של תרחישים סביבתיים. ניתוח נתונים ממדבר קלהרי שבאפריקה וממדבר סימפסון שבאוסטרליה, באמצעות המודל, המחישו כי חולות המדבריות עתיקים ממה שהוצע בעבר, וכי גילם הוא לפחות כמה מיליוני שנים.
ד"ר ויינר החל לחקור את רצף המשקעים וסלעי המשקע שהצטברו באגן קלהרי במהלך מיליוני השנים האחרונות במסגרת מחקר לתואר דוקטור, שהשלים לפני כשנה באוניברסיטה העברית, בהנחייתם של פרופ' ארי מטמון ופרופ' יגאל אראל. "אגן הקלהרי הוא אגן יבשתי סגור ובו תופעות טבע ייחודיות", מספר ד"ר ויינר. "כשהגעתי לשם הבנתי שפענוח התהליכים המשתתפים בעיצוב הנוף באגן הוא אתגר מרכזי שישלב שימוש בכלים שונים ומגוונים שעומדים לרשותנו במכון למדעי כדור הארץ".
לאחר שהחל לקרוא את הספרות הקיימת ולנתח דגימות שהביא מאגן הקלהרי, זיהה ד"ר ויינר "סתירה" בין פרסומים הדנים בגיל המדבר והנתונים שנמדדו בדגימות שאסף. בפרט, הופתע ד"ר ויינר לגלות כי התיארוך הקיים של מדבר הקלהרי היה צעיר באופן משמעותי ממה שחישב באמצעות נתונים שמדד באמצעות מאיץ החלקיקים באקס-אן-פרובנאס שבצרפת. "החזון שלי היה לפתור את הסתירה שקיימת לכאורה בין תיארוך מבוסס לומינסנציה, שמסוגל להגיע לטווח של עד מאות אלפי שנים, ותיארוך באמצעות איזוטופים קוסמוגניים, שמצביע על כך שמדבר הקלהרי נוצר לכל הפחות לפני מיליון שנים לכל הפחות", הוא מתאר.
4 צפייה בגלריה
חולות נודדים במדבר הקלהרי שבדרום אפריקה. מדידות ריכוזי האיזוטופים הקוסמוגניים המצטברים בהם מאפשרים לתארך את הופעתם בנוף
(צילום: פרופ' ארי מטמון)
לדברי החוקרים, תיארוך באמצעות לומינסנציה אופטית, OSL (optically stimulated luminescence), הוא אחד הכלים הנפוצים ביותר לתיארוך של משקעים גיאולוגיים ומשמש לקביעת משך הזמן שחלף מאז חשיפתם של גרגרי קוורץ לקרינת השמש. גרגרי הקוורץ הם משקעים נפוצים מאוד המובלים על ידי רוח ומים, ולכן נמצאים כמעט בכל סביבה. ניתן למצוא אותם בחולות, בסלעים, בקרקעות, בחוף הים ובאתרים ארכאולוגיים. השיטה מאפשרת לתארך כמה זמן גרגרי הקוורץ קבורים מאז חשיפתם לאור שמש בפעם האחרונה. יחד עם זאת, הכמות המרבית של הקרינה שהגרגר יכול לצבור מכתיבה את הגיל המקסימלי שניתן לתארך בשיטה זו, עד לטווח זמן של כ-300 אלף שנים בדיונות חול.
לצד השימוש בשיטות מבוססות לומינסנציה (כגון OSL), פותחו שיטות תיארוך אחרות המבוססות על מדידה של ריכוזי איזוטופים קוסמוגניים (cosmogenic isotopes) הנוצרים בסלעים ובמשקעים, דוגמת גרגרי קוורץ. האיזוטופים הקוסמוגניים, שבהם עשו החוקרים שימוש, נוצרים כאשר קרינה קוסמית פוגעת בגרגרי הקוורץ, ובכך מביאה ליצירה של יסוד אחר בתוך הגביש. באופן הזה הופכים אטומים של חמצן בגביש הקוורץ לאיזוטופים של בריליום 10 (10Be), ואילו אטומים של סיליקון הופכים לאיזוטופים של אלומיניום 26 (26Al). הריכוז של איזוטופים אלו בגרגרי הקוורץ קטן ביותר, ולכן ריכוזם נמדד באמצעות מאיץ חלקיקים לאחר תהליך מורכב של ניקוי והכנה של הדגימות. מכיוון ששני האיזוטופים האלו הם גם רדיואקטיביים, ודועכים באופן פעיל, הרי שריכוזם בגרגרי הקוורץ תלוי באופן ישיר בקצב היצירה ובקצב הדעיכה שלהם. בתנאים בהם הגרגרים נמצאים בפני השטח, קצב היצירה גדול, ולכן ריכוזם עולה, ואילו כאשר הם נקברים קצב היצירה שלהם בגרגרי הקוורץ דועך וריכוזם קטן. לכן, ריכוז האיזוטופים בגרגרי הקוורץ מאפשר לחוקרים לחשב גיל קבורה מדומה של המשקעים המתוארכים.
4 צפייה בגלריה
משקעי חול במדבר הקלהרי שבנמיביה. מטרת המחקר הייתה לתארך את הופעתם הראשונית בנוף כדי להבין את התזמון של תהליכי יצירת המדבר
(צילום: ד"ר שלומי ויינר)
למה לא להשתמש בשתי השיטות יחד? "קיים קושי מסוים בהמחשת האינטגרציה שבין מדידות מעולם הלומיניסנציה (OSL) ואיזוטופים קוסמוגניים", מספר ד"ר בן דור, "שתי השיטות מבוססות על תהליכים פיזיקליים מוגדרים ומובנים היטב, המתוארים באמצעות משוואות, ולא מצאנו שום פרסום בו הוצג שילוב שלהן לתוך מודל אחוד". כמו כן, לא ניתן לפתור בצורה ישירה את האופן שבו משפיעה נדידת החולות על תהליך ההצטברות של האיזוטופים הקוסמוגניים בגרגרי הקוורץ שבדיונה.
בעקבות כך פיתחו החוקרים מודל ממוחשב שמדמה את תנועת הגרגרים בדיונות חול. במודל, הגרגרים נעים במשך עשרות מיליוני שנים בדיונה נודדת, בקצבים שחושבו באמצעות התפלגות גילי לומינסנציה שמאפיינים דיונות חול. במקביל, מחשבים עבורם את ריכוזי האיזוטופים הקוסמוגניים וגיל הלומיניסנציה תחת מעטפת רחבה של תרחישים סביבתיים כגון קצבי בליה שונים, קצבי תנועה שונים ודיונות בעומקים שונים. לאחר השלמת הסימולציות (כמיליון הרצות לכל דגימה), השתמשו החוקרים בתוצאות הסימולציות בהן ריכוזי האיזוטופים הקוסמוגניים המחושבים תאמו את אלו שנמדדו בדגימה באמצעות מאיץ החלקיקים לצורך קביעת פרק הזמן שחלף מתחילת נדידתו של החול, וכך מגיעים לגיל חולות המדבר.
בסופו של דבר הצליחו החוקרים לפתח תוכנה שעושה שימוש בחישוב מקבילי לצורך הרצת סימולציות רבות, ומאפשרת למשתמש לנתח את התוצאות בצורה יעילה. "את התוכנה, המכונה בשם Cosmolian, מתוך שילוב המילים cosmogenic ו-aeolian, אנו שולחים לחוקרים שפונים אלינו", מוסיף ד"ר בן דור, "הן המאמר והן התכנה נגישים לכולם ללא עלות כדי לאפשר להם לנתח את תוצאות המדידות שלהם בצורה דומה".
"אנחנו רוצים לבנות מאגר נתונים עולמי של סימולציות לצורך ניתוח הדינמיקה של דיונות חול", ממשיך ד"ר ויינר. "כך נוכל לזהות דפוסים בתהליך ההיווצרות והנדידה של מדבריות חול הנגזרים מתנאים סביבתיים מסוימים, וזה ילמד אותנו כיצד הנוף הגיב ויגיב לשינויים אקלימיים".
החוקרים הוסיפו כי במחקרים שנערכו באמצעות מדידות של חולות ממדבר הקלהרי שבאפריקה וממדבר הסימפסון באוסטרליה באמצעות המודל החדש, החוקרים אכן זיהו כי החולות נוצרו בזמנים שבהם מתועדים שינויים אקלימיים משמעותיים במרחב. מהתוצאות עולה כי חול החל להצטבר בדרום יבשת אפריקה בפרק הזמן שבין כ-2.5 מיליון ועד למיליון שנים לפני זמננו, בעוד שמדבר החול שבאוסטרליה החל להתפתח כבר לפני כ-3.5 מיליון שנים. החוקרים מציעים כי ניתן לעשות שימוש בשיטה חדשנית זו לצורך תיארוך של מדבריות עתיקים ולמידת דפוסי הנדידה של חולות ויצירתם. להבנות אלו השלכות מעמיקות ומרחיקות לכת על האופן שבו ניתן לחזות את התגובה של תצורות נוף לשינויים בתנאים האקלימיים והסביבתיים.
