האינטראקציה של ברזל עם מאגרי הפחמן העצומים הכלואים בקרקעות הארקטיות, היא המפתח לאופן שבו נפלטים גזי חממה במהלך תהליכי הפשרה ויש לכלול אותה במודלים המשמשים לניבוי שינויי האקלים של כדור הארץ. כך מצאו מדעני המעבדה הלאומית באוק רידג' שבארצות הברית.
צוות החוקרים יצא לבחון את הנושא מקרוב ולספק מודל לכימיה המתרחשת בזמן שקרקעות הפרמפרוסט (קפאת-עד בעברית), מפשירות כפועל יוצא של ההתחממות הגלובלית. קרקעות פרמפרוסט צפוניות, מכילות כ-1.46 טריליון עד 1.6 טריליון טונות של פחמן אורגני - בערך פי שניים מאשר הכמות באטמוספירה. מקורו של הפחמן בשרידי צמחייה, זכר לערבות העשב שהיו באזורים אלו לפני שקפאו, כך על פי מינהל האוקיינוסים והאטמוספרה הלאומי (NOAA) - סוכנות מדעית בתוך מחלקת המסחר של ארצות הברית, המתמקדת במצב האוקיינוסים והאטמוספירה.
תהליכים כימיים בקרקע שולטים באופן שבו החומר האורגני מתפרק ונאגר במקום, והאם הוא הופך לפחמן דו חמצני או למתאן, שנחשב לגז החממה החזק מבין השניים, כאשר הוא משתחרר לאטמוספרה. קרקעות ארקטיות נחשבות בדרך כלל לעשירות בחומרים אורגניים, כשלעיתים קרובות יש להן תכולת ברזל גבוהה, הנראית לעתים קרובות כמשקעים חלודים בקרקעות מוצפות באזור. למרות זאת, המודלים הנוכחיים של מערכת כדור הארץ אינם לוקחים בחשבון את מחזור הברזל בעת חיזוי פוטנציאל התחממות האקלים בזמן הפשרת פרמפרוסט.
3 צפייה בגלריה
השטח באלסקה, בו בדקו החוקרים את ההשפעה שיש למחזור הברזל על פליטת גזי החממה מהקרקע בעת הפשרת פרמפרוסט
(צילום: David Graham/ORNL, U.S. Dept. of Energy)
לשם כך, מודל תגובה כימית חדש, שנוצר על ידי חוקרי המעבדה הלאומית באוק רידג', משלב ריכוזי ברזל, פחמן וחמצן וחומציות קרקע, ומצביע בכך שלמחזור הברזל יכולה להיות השפעה עמוקה על השאלה האם פחמן דו חמצני או מתאן מיוצרים בקרקעות ארקטיות שהוצפו שוב ושוב, כפי שמתואר בכתב העת Journal of Geophysical Research: Biogeosciences.
למעשה, ברזל יכול לשמש מיקרואורגניזמים בקרקע כתחליף לחמצן בסביבה מימית, המייצרים פחמן דו חמצני באמצעות אסטרטגיה שלרוב חושבים שהיא מתחרה עם ייצור מתאן. "החוכמה הקונבנציונלית אומרת שאם יש יותר ברזל באדמה, הדבר צריך להפחית את כמות המתאן המיוצרת", אמר בנג'מין סולמן, חוקר ראשי במעבדה הלאומית באוק רידג'. "אבל גילינו שזה לא בהכרח נכון. בתנאים הנכונים אנחנו רואים אינטראקציה סינרגטית שבה מחזורי הברזל שינו את החומציות של הקרקע באופן שגם הפך אותה ליצרנית כמות רבה של מתאן".
המדענים מצאו כי הצפה חוזרת וייבוש של קרקעות הפרמפרוסט, יכולים להיות מניע מרכזי בפליטת גזי חממה על ידי חידוש כמות הברזל באדמה. המודלים על פיהם פעלו, מבוססים על נתונים שנאספו מניסויי דגירה של קרקעות פרמפרוסט מאלסקה, כחלק מהדור הבא של ניסויי מערכת אקולוגית ארקטית (NGEE Arctic). התוצאות מניסויים אלה הדגישו את החשיבות של מחזור הברזל והובילו לעבודת המודלים, במה שמכונה פרדיגמת ModEx (או גישת מודל-ניסוי), שמשלבת תצפיות ומדידות מניסויים עם מודלים ממוחשבים של תהליכים דומים, זאת במטרה לשפר את המודלים כדי שישקפו את הממצאים העדכניים ביותר וכדי לתכנן ניסויים ומחקרי שטח עתידיים.
3 צפייה בגלריה
תכולת הברזל מעניקה גוון אדמדם לקרקע הארקטית
(צילום: David Graham/ORNL, U.S. Dept. of Energy)
"בדרך כלל, חקר הקרקעות הארקטיות התמקד בתנאים יבשים או רטובים, אבל לא בשניהם", אמרה אליזבת הרנדון מהמעבדה הלאומית באוק רידג', שמחקר דגימת הקרקע והמים שלה באזור הארקטי סיפק נתונים עבור הפרויקט הנוכחי. "המציאות היא שרוויית הקרקע יכולה להשתנות מאוד. ישנם אירועי גשם, וזה גורם לתנאים דלי חמצן שבהם מיקרואורגניזמים נושמים בעצם ברזל כדי להניע את חילוף החומרים שלהם. אבל כשהאדמה מתייבשת, החמצן מוחדר מחדש, ולכן רצינו לחקור כעת מה קורה כמתקיים מצב שבו יש תנאים סביבתיים משתנים באופן ניכר".
האתגר של הצוות מהמעבדה הלאומית באוק רידג' היה מעבר למודל המבוסס על יותר מאשר מחזור הפחמן המוכר ממחקרים אחרים. "מדובר על העלאת הרף, כדי לוודא שהמודל נותן תחזיות שימושיות. לכן ביצוע המדידות מדגירות מעבדה של קרקעות ארקטיות היה חשוב לשם הפקת הנתונים על האופן שבו מחזור הברזל וחומציות הקרקע משתנים לאורך זמן", הסביר סולמן. "מנקודת מבט ניסיונית, דיונים עם מעצבי מודלים והחלטה כיצד לכמת תהליכים מסוימים, עוזרים לי לחשוב איך ניתן לבנות את הניסויים שלנו כצוות, כדי לקבל את המידע שאנחנו צריכים", הוסיפה הרנדון, שהדגישה בדבריה את החשיבות של ייצוג תהליכים ספציפיים בסימולציה, כולל נוכחות של מינרלי תחמוצת ברזל ותנודות סביבתיות שיכולות לעורר שינויים כימיים במערכת האקולוגית ולשנות בכך את פליטת פחמן. "מה שמצאנו עד כה יכול לעזור לנו לחזות כיצד פליטות הפחמן הדו חמצני והמתאן ישתנו לאורך זמן, במיוחד בהינתן דפוסים הידרולוגיים. הידע המפורט הזה על כימיית קרקעות הפרמפרוסט, משפר את יכולתנו לחזות את השפעת ההתחממות הגלובלית", אמר סולמן.
החוקרים מצפים להשתמש בגישה דומה גם במערכות אקולוגיות דינמיות אחרות שהמעבדה הלאומית באוק רידג' חוקרת, כמו למשל אדמות ביצות חוף, זאת במטרה לנסות ולהבין טוב יותר את מחזור הפחמן באותם אזורים.
