כדור הארץ ככדור שלג

האם אכן היתה תקופה שבה כוסה כדור-הארץ כולו, עד קו המשווה, במעטה קרח? ראיות גאולוגיות מורות שייתכן שכן

מאת: מיכאל בייט ודב אביגד, גלילאו

תיאוריית ה-Snowball Earth, ובעברית כדור-הארץ ככדור שלג, גורסת כי היה זמן שבו כוסה כדור-הארץ כולו במעטה קרח, שעוביו הגיע ל-1 ק”מ באוקיינוסים. אירוע זה התרחש בתקופה שבה היה עולם החי בשלבים ראשוניים של האבולוציה שלו. התיאוריה גובשה במתכונתה הנוכחית בסדרת מאמרים של החוקרים דניאל שרג (Schrag) ופול הופמן (Hoffman), ונועדה להסביר מכלול תופעות המצביעות על פעילות קרחונית שהתרחשה לפני 540 מיליון עד מיליארד שנה – תקופה הנקראת הניאופרוטרוזואיקון.
על פי תיאוריה זו, תקופת ה- Snowball Earthהיתה מורכבת משרשרת אירועים שכללה לפחות ארבע תקופות קרח, שכל אחת מהן נמשכה כנראה בין 5 ל-10 מיליוני שנים והיתה כרוכה בירידת הטמפרטורה הממוצעת ל-50 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. בסיום כל אחת מתקופות קרח אלו, במעבר חריף, החל אירוע קצר של התחממות, בסדר גודל של עשרות אלפי שנים, שבמהלכו עלתה טמפרטורת כדור-הארץ הממוצעת ל-50 מעלות מעל האפס .

בניגוד לרעידות אדמה, צונאמי ותופעות טבע אחרות שהתרחשו בעבר ומוסיפות להתרחש גם בהווה, תקופת ה- Snowball Earthהיתה אירוע ייחודי, שלא חזר על עצמו. ייחודיות זו הקשתה על הקהילה המדעית לקבל את התיאוריה. ואולם, בחינת התיאוריה הניבה עדויות מאששות, שהובילו להכרה גוברת בנכונותה. במאמר זה ברצוננו להביא בפני הקוראים את עיקרי התיאוריה, ולתאר את ביטויי האירוע באזורנו.

התפתחות הרעיון
האם ייתכן שכדור-הארץ, הנקרא גם כוכב-הלכת הכחול על שום צבעם הכחול של האוקיינוסים, הפך לכוכב לבן לאחר שכוסה כליל במעטה קרח עבה במשך מיליוני שנה? האם אירוע כזה, אם אכן התרחש, מצביע על גבולותיהם האפשריים של השינויים האקלימיים במהלך ההיסטוריה בת 4.5 מיליארדי השנים של כדור-הארץ?
תחילתה של תיאוריית ה- Snowball Earthהיא בתגליתו של בריאן הרלנד (Harland) ב-1964. הרלנד מצא, כי סלעים אשר הובלו והושקעו על-ידי קרחונים באוקיינוסים בתקופת הניאופרוטרוזואיקון מופיעים בכל היבשות. הרלנד התבסס על מדידות פָּלֵאוֹמגנטיות (ראו תיבה 2) כדי להוכיח כי סלעים אלה היו באותה תקופה באזורים הטרופיים, בסביבות קו המשווה.

הגאופיזיקאי הרוסי מיכאיל בוידיקו (Budyko) חקר את התופעה ובדק מודלים אקלימיים תיאורטיים של מאזני אנרגיה, בניסיון להבין את עוצמת האירוע ואת המנגנון שגרם לו. הוא מצא כי הגדלת היחס בין האור המוחזר מפני כדור-הארץ לאור השמש הפוגע בו (יחס המכונה אַלבֶּדוֹ), בעקבות כיסוי בקרחונים, עשויה לחולל אי-יציבות באקלים כדור-הארץ. לשלג ולקרח הלבנים החזרה גבוהה (כ-0.8 מסך כל הקרינה, משמע כ-80%), ועל כן משטחי שלג/קרח גורמים להחזרת אור רבה מפני כדור-הארץ. לעומת זאת, למי הים החזרה נמוכה (כ-0.1), ועל כן האוקיינוסים הם גוף הקולט אנרגיה. יבשות שאינן מכוסות שלג/קרח מתאפיינות בהחזרה בינונית. ככל שהחזרת האור מפני כדור-הארץ גדולה יותר, כך יורדת הטמפרטורה הממוצעת על פני כדור-הארץ. בוידיקו הראה, כי ככל שהשטח המכוסה קרחונים מתקרב לקו המשווה, כך החזרת האור/האנרגיה מכדור-הארץ גדולה יותר, וזאת מכיוון שיחס השטחים בין קרח לבין אוקיינוס ויבשות שאינן מכוסות קרח בכל מעלת רוחב – גדל. כאשר הקרחונים ישתרעו עד לקו רוחב קריטי, הנמצא ב-30 מעלות בקירוב, החזרת האנרגיה תהיה כה רבה, שהטמפרטורות יצנחו. בתנאים אלה יכול מעטה קרח לכסות את כדור-הארץ כולו. חשוב לציין כי האוקיינוסים קופאים עד לעומק ממוצע של קילומטר אחד בלבד בגלל החום הנפלט מפנים כדור-הארץ, המונע את קפיאתם המוחלטת.
לטענתו של הפלאומגנטיסט ג'וזף קירשווינק (Kirschvink), שטבע ב-1992 את המונח Snowball Earth, תנועת הלוחות של כדור-הארץ היא שהביאה לריכוז היבשות בסביבות קו המשווה בניאופרוטרוזואיקון. תנועת הלוחות היתה כרוכה גם בפעילות וולקנית, שבמהלכה נפלטו לאטמוספרה גזים שונים, ובהם גז החממה העיקרי בכדור-הארץ – פחמן דו-חמצני. ההנחה היא, שעוצמת הקרינה של השמש לפני 600-700 מיליון שנה היתה נמוכה בשישה אחוזים מהיום. זאת מכיוון שצפיפות השמש עולה באופן לינארי כתוצאה מתהליכי היתוך ויצירת הליום, ולכן, ב-4 מיליארדי שנה, עלתה הטמפרטורה ב-25%. מכיוון שיש עדויות להפשרת שלגים בתקופות ההתחממות, הרי שריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה בתקופה זו צריך היה להיות גדול פי 350 מריכוזו באטמוספרה של ימינו, וזאת בכדי לבטל את השפעת האלבדו (החזרת הקרינה) הגבוה בתקופה זו.
חיזוק לטענה שהיבשות בתקופה זו התרכזו סביב קו המשווה התקבל ממחקרם של הופמן ושרג, שטענו כי התבקעות יבשת-העל רודיניה לפני כ-870 מיליון שנה יצרה כעשר יבשות קטנות יותר שהתמקמו בסביבות קו המשווה, בין קווי הרוחב 30 דרום ל-30 צפון.

ואולם, לא הכל מסכימים להסבר זה. ג'ורג' ויליאמס (Williams) ועמיתיו טענו (1997), כי הופעת הקרחונים בקו המשווה וירידת הטמפרטורות נבעו משינוי זווית הנטייה של ציר הסיבוב של כדור-הארץ ביחס למסלולו סביב השמש. משמעות השינוי היא שבהשוואה להיום, הקרינה בקטבים היתה חזקה יותר ובקווי הרוחב הנמוכים – חלשה יותר. על פי טיעון זה, קרחונים התקיימו רק בקו המשווה, ולא בקטבים. הסבר זה שולל, אם כן, את תופעת ה-Snowball Earth.
על בסיס גיל של משקעי קרחונים, ועל סמך מדידות פלאומגנטיות (תיבה 2) המעידות שמשקעי קרחונים אלה התרכזו בקווי רוחב נמוכים (0–10 מעלות), וכן שתפוצת מרבית משקעי הקרחונים מהניאופרוטרוזואיקון אינה עוברת צפונה ודרומה מקו רוחב 60, טוען דייוויד אוונס (Evans) שהיו ארבע תקופות קרח: 600-570 מיליוני שנה (מ”ש) לפני ההווה; 600-630 מ”ש לפני ההווה; 750-700 מ”ש לפני ההווה; ו-770-740 מ”ש לפני ההווה.
לתקופות אלו חשיבות גדולה מבחינת התפתחות החיים על פני כדור-הארץ. אחת משאלות המפתח המרתקות באבולוציה של החי היא הגורם למעבר המהיר והפתאומי, לכאורה, בין האצות והחד-תאים ששלטו בעולם החי במשך כשני מיליארדי שנה לכ-11 משפחות של חד-תאיים ורב-תאיים מפותחים יחסית (ראו איור 3). שינוי זה התרחש במעבר מתקופת הניאופרוטרוזואיקון לקמבריון. בריאן הרלנד ומרטין רודוויק (Rudwick) טענו (1964) שגם התפתחות זו קשורה בעקיפין לאירוע הקרחוני שבו אנו עוסקים, ועל כך בהמשך.

מאפיינים המייחדים את תקופת הניאופרוטרוזואיקון

ביכולתנו למנות כמה תופעות ייחודיות לתקופת הניאופרוטרוזואיקון, הקשורות ל-Snowball Earth. ראשית, ביקוע יבשת-העל רודיניה ופיזור כעשר היבשות שנוצרו בקווי רוחב נמוכים, ומיקומן בסמוך לקו המשווה. מיקום זה של היבשות היה תנאי קריטי להתפתחות תקופות הקרח, כפי שניווכח בהמשך. שנית, שינויים חדים בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה: פחמן דו-חמצני הוא גז המשתחרר לאטמוספרה במהלך פעילות וולקנית. גז זה הוא גם העיקרי שבגזי החממה בכדור-הארץ. עם עליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, יורדת פליטת האנרגיה מכדור-הארץ, והטמפרטורה הממוצעת עולה. אלמלא תהליכים מאזנים – קיבוע CO2 מהאטמוספרה בתהליך הפוטוסינתזה ושקיעת קרבונטים, בעיקר גיר ודולומיט – הרי שבכדור-הארץ היו שוררות טמפרטורות גבוהות מאוד, בדומה לכוכב-הלכת נוגה. בתקופת קרח, שבה הגשמים מעטים, מצטמצמים תהליכי הבלייה הכימית ובעקבותיהם – שקיעת הקרבונטים. לפיכך מתרחשת עלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, המביאה לעליית הטמפרטורות ולהפשרת קרחונים. ואכן, במעבר מכל אחת מתקופות הקרח לתקופת ההתחממות (התקופה הבין-קרחונית) שבאה בעקבותיה, התרחשה עלייה בריכוז ה- CO2 באטמוספרה, עד לריכוזים גבוהים פי 350 מריכוזו כיום.
סלעים המייצגים את תקופת הקרחונים (המונח “תקופת קרחונים” מציין את כלל תקופות הקרח) בניאופרוטרוזואיקון תוארו בעיקר מנמיביה, מערב ארצות-הברית, אוסטרליה ומאוריטניה, והם נחלקים לשני טיפוסים עיקריים: סלעי משקע קרחוניים, המייצגים את התקופות הקרחוניות, וסלעי כיסוי קרבונטיים, המייצגים את תקופות ההתחממות. האחרונים נחשפים במעבר חד מעל לסלעים הקרחוניים. סלעי המשקע הקרחוניים הם קונגלומרטים אשר הרכב חלוקיהם מגוון, והם נוצרים בבסיס הסחיפה הקרחוני ביבשה או בקרבתה, או כתוצאה מגלישות משקעי הקרחון המופשר על גבי מדרונות. קונגלומרטים נוצרים גם כאשר הקרחון מופשר באוקיינוס, ושברי הסלעים הנסחפים בבסיס הקרחון שוקעים בתווך חרסיתי. שברי סלעים ה”נגררים” בבסיס הקרחון מאופיינים בחריצה, שנוצרה בשל שחיקת החלוק כנגד תשתית הסלעים שמתחת לקרחון. סלעי הכיסוי הקרבונטיים כוללים דולומיטים משוכבים-היטב או גירים המכילים סטרומטוליטים. (סטרומטוליטים הם אצות מאובנות, שבעת גידולן יוצרות מבנה משוכב דק.) עובי השכבות בסלעי המשקע הקרחוני הוא בדרך-כלל מטרים בודדים, ואולם, הסלעים מייצגים תקופות של עד עשרה מיליוני שנה. לעומת זאת, עובי סלעי הכיסוי הקרבונטיים עשוי להגיע לעשרות מטרים, אף שהם מייצגים תקופות קצרות יחסית של התחממות, של עשרות אלפי שנים בלבד.

מרבצי ברזל משוכבים
סלעי משקע מועשרים בברזל ומשוכבים מופיעים בעיקר בתקופות קדומות יותר מתקופת הניאופרוטרוזואיקון – בארכאיקון, לפני כ-3.5 עד 2 מיליארדי שנים. ההסבר המקובל להעשרה בברזל הוא, שבתקופה קדומה זו הכילו האוקיינוסים והאטמוספרה חמצן מועט בלבד, והברזל הופיע כיוני ברזל דו-ערכי (ברזל מחוזר) מומסים במי האוקיינוסים. עם חלוף הזמן, כתוצאה מפעילות ביולוגית, עלה ריכוז החמצן באטמוספרה ובמי האוקיינוסים. הברזל הדו-ערכי התחמצן, ושקע בקרקעית האוקיינוסים כשכבות עשירות בברזל תלת-ערכי. מרבצי ברזל משוכבים כאלה נמצאו גם בניאופרוטרוזואיקון, והם מופיעים בעיקר בנמיביה, במערב ארצות-הברית, באוסטרליה ובמאוריטניה.

Snowball Earth כהסבר לתופעות אלו

כיצד משתלבות התופעות הללו בהסבר כולל, התומך בתיאוריה שבתקופת הניאופרוטרוזואיקון היה כדור-הארץ כולו מכוסה במעטה קרח? כוחה של התיאוריה של כדור-הארץ ככדור שלג הוא בכך, שהיא מציעה הסברים למרבית המאפיינים הגאולוגיים הייחודיים של אותה תקופה.
כפי שציין אוונס, וכן שרג והופמן, היבשות בתקופה זו היו מרוכזות סביב קו המשווה. מכאן שבאותה תקופה שרר ברוב שטח היבשות אקלים טרופי, המאופיין בין היתר בכמות גדולה של משקעים. כמויות המשקעים הגדולות גרמו לתהליכי בלייה מהירים, שבמהלכן נצרך הפחמן הדו-חמצני וריכוזו באטמוספרה ירד. כאמור, פחמן דו-חמצני הוא גז החממה העיקרי באטמוספרת כדור-הארץ, וירידת ריכוזו באטמוספרה הגדילה, לפיכך, את האלבדו, הביאה להחזרה רבה של אנרגיה מפני כדור-הארץ וגרמה להתקררות ולתחילת ההתקרחנות.
בתקופות הקרח, כאשר האוקיינוסים קפאו למשך מיליוני שנים והופרדו, למעשה, מהאטמוספרה, נוצרו באוקיינוסים תנאים מחזרים, והברזל הומס. ואולם, עם המעבר לתקופת התחממות, שבה התאפשר ערבוב של מי האוקיינוסים ומעבר לתנאים מחמצנים, התחמצן הברזל המומס ושקע כשכבות עשירות בברזל. תהליך זה מסביר את הימצאותם של סלעי משקע משוכבים עשירים בברזל בניאופרוטרוזואיקון.

המעבר החד בין סלעי המשקע הקרחוניים לבין סלעי הכיסוי הקרבונטיים מייצג את המעבר המהיר מתקופת קרח לתקופת התחממות. חתך עבה של סלעים קרבונטיים, המייצג תקופה קצרה יחסית, פירושו התפתחות מהירה של אצות וחיידקים באוקיינוסים והספקה מהירה של תוצרי בלייה. עלייה זו מקורה בריכוז גבוה של CO2 באטמוספרה, אשר גרם לגשם חומצי (פחמן דו-חמצני במים יוצר חומצה קרבונית), שהאיץ את תהליכי הבלייה הכימית. הערבוב של מי האוקיינוסים והבלייה המהירה העלו את ריכוז הנוטריינטים (חומרי ההזנה) במי הים, וגרמו לעלייה בפוריות המים ולפעילות מוגברת של אצות וחיידקים, אשר כמעט נעלמו בתקופות הקרח.
עדות נוספת למה שאירע בתקופות אלו מספק לנו הרכב האיזוטופים של חמצן ופחמן בסלעים שמעל לסלעי המשקע הקרחוניים ומתחתיהם (ראו תיבה 2). חתך הסלעים הקרבונטיים מתחת לסלעים הקרחוניים מאופיינים בהעשרה של 1.5% של פחמן-13 בהשוואה לסלעים הוולקניים. עובדה זו מלמדת, כי כמחצית מהפחמן נגרעה מהאוקיינוסים כחומר אורגני שלא הספיק להתחמצן ולהתפרק, משום שנקבר באופן מהיר על-ידי תוצרי הבלייה. בסלעים הקרבונטיים, הנמצאים מעל לסלעי המשקע הקרחוניים, היחסים משתנים עם העלייה בחתך, כלומר מגיל עתיק יותר לצעיר יותר, מגירעון בפחמן-13 (5 עד 6 אלפיות (פרומילים) שליליות) להעשרה של פחמן-13 ביחס לפחמן-12 (בסביבות 5 אלפיות חיוביות), וזאת כתוצאה משחרור מהיר של חומר אורגני קבור ומחידוש הפעילות הביולוגית. אף ששינויים מעין אלה ביחסי פחמן-13 לפחמן-12 אינם ייחודיים לאירוע של התקרחנות, הרי שעוצמת השינויים והמעבר המהיר הם יוצאי דופן, ותיאוריית ה-Snowball Earth מסבירה אותם היטב.
כיצד עשויה היתה תקופת ה-Snowball Earth להשפיע על הפריחה במגוון המינים של הרב-תאיים בסוף הניאופרוטרוזואיקון והקמבריום, בין 600 ל-500 מיליוני שנה לפני זמננו? בתקופות הקרח פסקה, למעשה, פעילות החיים על פני כדור-הארץ, למעט באזורים חמים באוקיינוסים, הסמוכים למוקדי פעילות וולקנית. פעילות חיים אפשרית באזורים שהטמפרטורות בהם גבוהות ביותר, עד 400 מעלות צלזיוס, כפי שנמצא במושבות בנות ימינו שנתגלו במעשנות בקרקעית הים מערבית לקליפורניה. תנאי החיים הקשים האופייניים לבתי-גידול אלה, כמו גם בידודם זה מזה, חוללו לחצי ברירה חזקים, שהביאו מצדם להגברת השונות ולעלייה במגוון המינים. לאחר תקופות הקרח, בין 575-555 מיליון שנה לפני זמננו, הופיעו לראשונה מינים רב-תאיים מפותחים יותר בתפוצה עולמית, וביניהם ספוגים, רכיכות, פרוקי-רגליים ועוד (ראו איור 3).
כוחה של התיאוריה של כדור-הארץ ככדור שלג הוא בכך, שהיא מציעה הסברים למרבית המאפיינים הגאולוגיים הייחודיים של אותה תקופה.
6.6.2006

ובאזורנו – האורוגן המזרח אפריקני

באזורנו מיוצג הניאופרוטרוזואיקון בסלעי האורוגן המזרח אפריקני. אורוגן (Orogen) הוא שרשרת הרים המתפתחת באזורי הפחתה (כלומר, אזורים שבהם לוח טקטוני אחד נבלע מתחת ללוח אחר). כאשר התבקעה יבשת-העל רודיניה לכמה יבשות, לפני כמיליארד שנה, נוצר באזורנו בקע שבו התפתח האוקיינוס המוזמביקי, שגודלו היה דומה לגודל האוקיינוס השקט כיום. האוקיינוס המוזמביקי התקיים בערך מ-850 עד 630 מיליון שנה לפני ההווה, ובשוליו התפתח אזור ההפחתה של האורוגן המזרח אפריקני. אורוגן זה היה בסדר גודל של המערכת האלפינית או הקורדילירה, וההרים שבו התנשאו לגבהים דומים לאלה של הרי ההימלאיה.
בחלקו הצפוני של האורוגן המזרח אפריקני נמצא אזור המורכב מסלעים ניאופרוטרוזואיים, והמכונה המסיב (הגוש) הערבי-נובי (איור 4). מסיב זה כולל את ערב, ירדן, דרום ישראל, סיני ואזורים במצרים, בסודן, באתיופיה ובאריתראה. המסיב מורכב כולו מקרום ראשוני, שנוצר ממגמה שהגיעה ישירות מפנים כדור-הארץ. קצהו הצפוני, החשוף, הוא הסלעים הניאופרוטרוזואיים של אילת ותמנע.

האורוגן המזרח אפריקני תרם תרומה חשובה ביותר ליצירת הקרום היבשתי על פני כדור-הארץ. אורוגן זה השתרע מישראל בצפון עד לדרום-אפריקה ומוזמביק, וכנראה עד למדגסקר, הודו ואנטארקטיקה. צפון האורוגן שונה מדרומו בעיקר במבנה הקרום הראשוני של המסיב הערבי-נובי.
הבנת ההתפתחות ולוח הזמנים של האורוגן המזרח אפריקני היא תנאי הכרחי לשילוב בין האלמנטים העשויים להצביע על קיום הקרחון העולמי באזורנו. מרבית האזורים שבהם נלמדה תיאוריית ה- Snowball Earthעד כה היו יבשות שלא התרחשה בהן פעילות אורוגנית של יצירת שרשרות הרים בתקופת הניאופרוטרוזואיקון; לעומת זאת, באזורנו מדובר באורוגן, אזור של קימוט, שבו קשה יותר לתעד הוכחות גאולוגיות. חוקרים ישראלים ועמיתיהם ערכו בשנים האחרונות מחקרים רבים בדרום ישראל, בסיני, באריתראה ובאתיופיה, אשר תרמו לעידון הסכימה הכללית של התפתחות האורוגן שהציע רוברט שטרן (Stern) בשנת 1994. כך, למשל, נקבע גיל הקרום האוקייני המוזמביקי ל-810 מיליון שנה, וסיום תהליך הקימוט של האורוגן נקבע ל-630 מיליון שנה לפני ההווה. קביעת תקופות ההסרה (ארוזיה, בלייה פיזית) בסוף האורוגן היא חשובה ביותר, כיוון שייתכן שפעילות קרחונים היא האחראית לארוזיה. נקבעו שתי תקופות ארוזיה עיקריות: הראשונה והעיקרית לפני 600 מיליון שנה, ומיוצגת על-ידי קונגלומרטים ואבני חול; והשנייה, לפני 532 מיליון שנה, שיצרה את משטח ההסרה (פנה-פליין, Peneplain) בגג הסלעים הניאופרוטרוזואיים.

ה-Snowball Earth והאורוגן המזרח אפריקני
אם תקופות הקרח בסוף הניאופרוטרוזואיקון אכן היו תופעה כלל-עולמית, יש למצוא סימוכין לכך גם באורוגן המזרח אפריקני.
בסוף שנות השישים ובתחילת שנות השבעים ערך בייט (1972) מיפוי גאולוגי בטיגרה שבצפון אתיופיה. סלעי המסד מהניאופרוטרוזואיקון חולקו לשתי חבורות: התחתונה, שגילה כ-800 מיליון שנה, מורכבת מסלעים וולקניים מותמרים1 בעובי של אלפי מטרים, ומציינת את אזור ההפחתה של שולי האוקיינוס המוזמביקי. החבורה העליונה מורכבת מיחידות של סלעי משקע מותמרים, דולומיטים משוכבים וגירים סטרומטוליטיים, שהושקעו באוקיינוס המוזמביקי וקומטו במהלך התפתחות האורוגן (איורים 5, 6, 7). בגג החבורה העליונה, מעל לדולומיטים, נמצאו קונגלומרטים שהם משקעי קרחונים.

1סלעים מותמרים הם סלעים שהמבנה שלהם השתנה בעקבות חום, לחץ או שניהם גם יחד.

בעבודות ראשוניות שביצעו נתן מילר (Miller) ועמיתיו (2003) ובייט ועמיתיו (2003) נמצא, כי קיימת סבירות רבה כי הממצאים מלמדים על התרחשותו של אירוע קרחוני אחד או יותר. הסלעים הקרבונטיים מכילים את המבנים האופייניים לסלעי הכיסוי הקרבונטיים, ומתאפיינים גם ביחס המתאים בין פחמן-13 לפחמן-12. חרף המאפיינים של סלעי הכיסוי הקרבונטיים עד כה, לא נמצאו עד כה עדויות מובהקות, כי יש מתחתיהם סלעי משקע ממקור קרחוני. נכון להיום, אנו ניצבים בפני יותר שאלות מתשובות, אך באזור מופיעים טיפוסי הסלע האופייניים לתקופת הקרחונים או, לפי התיאוריה הנדונה כאן, תקופת כדור-הארץ ככדור שלג, ואלה מצדיקים המשך המחקר באזור.
בנתור (Bentor) וגרפונקל (Garfunkel) כבר העלו את האפשרות, כי קונגלומרטים ייחודיים מתקופה זו, המשתרעים מדרום ישראל עד לתוככי חצי האי ערב והפנה-פליין (משטח מיושר, המשתרע על פני מרחקים של אלפי ק”מ, מישראל ועד אתיופיה בדרום ואלג'יר במערב), נוצרו בתהליכי בלייה הקשורים לקרחונים. נמצאו גם ראיות לבלייה כימית של החלק העליון של המשטח בשל גשם חומצי ששטף את האזור בתקופות ההתחממות הבין-קרחונית.

מחקרים עכשווייםעל מנת להמשיך להעמיק את התובנות באשר לתיאוריית ה-Snowball Earth, חברו כמה חוקרים מהמכון הגאולוגי הישראלי ומהאוניברסיטה העברית למדענים מאוניברסיטת טקסס בדאלאס ולגאולוגים אתיופיים מטיגרה. הניסיון והידע הרב שרכשו החוקרים הקנו להם את הכלים הנחוצים לבחינת תיאוריית ה-Snowball Earth בצפון אתיופיה.
התוצאות הראשוניות מראות, כי באזור העבודה בטיגרה שבאתיופיה קיימים סלעי גרניט שחדרו לרצפים של סלעי משקע מותמרים (איור 6), וכי גיל סלעי הגרניט הוא כ-610 מיליון שנה. נמצא גם, כי גיל משקעי הקרחונים והחולות במזרח ובמערב טיגרה עתיק מ-700 מיליון שנה. הדבר מרמז על האפשרות, כי האירוע הקרחוני בטיגרה שייך לאירוע הראשון ואולי השני מתוך ארבעת האירועים שמנינו.
הן בסלעי הדולומיט והן בסלעי הגיר שבאתר נמצאו סטרומטוליטים (מרבדי אצות מאובנות, איור 7) מהניאופרוטרוזואיקון. בגיר הסטרומטוליטי התחתון נמצאו ערכים שליליים ביחסי פחמן-13 לפחמן-12 (-4 עד -1 אלפיות) וערכים חיוביים (+7 עד +4 אלפיות) בגיר השחור העליון. ההבדל ביחסי הכמויות בין האיזוטופים בחלק התחתון והעליון של החתך הקרבונטי מאפיינים סלעי כיסוי קרבונטיים הנמצאים מעל משקעי קרחונים.
לסיכום, תיאוריית כדור-הארץ ככדור שלג עודנה שנויה במחלוקת בין המדענים, אך אין חולקים על כך שבתקופה הנדונה היו כמה אירועי התקרחנות, שבמהלכם נוצרה יריעת קרח שהשתרעה על פני שטחים נרחבים ובקווי רוחב נמוכים. השאלה המרכזית שנותרה פתוחה היא, האם הקרח כיסה את כל פני כדור-הארץ והאוקיינוסים קפאו עד לעומק של כקילומטר בממוצע לתקופות של מיליוני שנים, או שבמהלך תקופות אלו נותרו אזורים בלא כיסוי קרח. עדויות מרצף הסלעים בדרום ישראל ובאתיופיה, המייצגות את התקופה הנדונה, עשויות לתרום לבירור שאלה זו.

תודותאנו מודים לקרן הדו-לאומית ישראל-ארצות-הברית על מימון המחקר. שותפינו האמריקנים במחקר זה הם פרופ' רוברט שטרן וד”ר נתן מילר מאוניברסיטת טקסס בדאלאס. כמו כן אנו מודים לד”ר יהודית הרלבן ולפרופ' רות בייט-מרום, אשר השקיעו מאמץ רב בעריכת המאמר.

מדע הגאולוגיה והשינויים האקלימיים
ההיסטוריה של התפתחות כדור-הארץ, מאז היווצרותו כחלק ממערכת השמש ועד היום, היא מדע הגאולוגיה – תורת כדור-הארץ. הגאולוגיה מתבססת על לימוד רצף הסלעים (סטרטיגרפיה) ותכונות הסלעים (פטרוגרפיה). היא נעזרת בשיטות כימיות (גאוכימיה), פיזיקליות (גאופיזיקה) וביולוגיות (הפלאונטולוגיה – עולם החי כפי שהתאבן והשתמר בסלעים).
כדור-הארץ, בניגוד למרבית כוכבי-הלכת המוכרים, הוא כוכב-לכת פעיל. שני מקורות אנרגיה עיקריים מניעים את התהליכים המתחוללים בו. האחד הוא התפרקות גרעינית המתרחשת בפנים כדור-הארץ, בקרום ובמעטפת, ויוצרת אנרגיה תרמית גבוהה. אנרגיה זו היא האחראית לפעילות המגמטית-הגעשית וליצירת קרום חדש ברכסים המרכז-אוקייניים, והיא גם המנוע לתנועת הלוחות ולנדידת היבשות. קרום כדור-הארץ בנוי “לוחות” הנודדים, כלומר, משנים את מיקומם, במשך ההיסטוריה של כדור-הארץ.
מקור האנרגיה השני הוא השמש, המפעילה תהליכים המתחוללים בפני כדור-הארץ: חימום דיפרנציאלי של האוקיינוסים, האטמוספרה והיבשות.
קיימות עדויות רבות לשינויים אקלימיים שחלו במהלך התפתחותו של כדור-הארץ ב-700 מיליון השנים האחרונות, ובעיקר בתקופות הצעירות מ-20,000 שנה. משך תקופות הקרח לא עלה על יותר מעשרות אלפי שנים כל אחת, ובמהלכן חלו ירידות של עד 150 מטרים במפלסי האוקיינוסים. עדויות לירידות מפלסים בסדרי גודל אלה קיימות גם בחופי ישראל. ואולם, העובדה המעניינת ביותר היא כי במרבית ההיסטוריה הגאולוגית המוכרת של כדור-הארץ, לא כיסה קרח את הקטבים, ומפלסי הימים היו גבוהים מאשר היום. לדוגמה, לפני כ-100 מיליון שנה כיסה ים חם ורדוד חלקים נרחבים מהיבשות, כפי שמעידים סלעי הגיר והדולומיט, הנפוצים גם בארצנו. בתקופה זו הושפע מפלס האוקיינוס ביחס ליבשות מתוספת המים שמקורה בהפשרת קרחונים, מצד אחד, ומהתרוממות היבשות עקב שחרור עומס הקרחונים, מצד אחר.
מה הקשר בין נדידת היבשות לשינויים אקלימיים? מצב הלוחות והיבשות קובע את משטר הזרמים באוקיינוסים, ואלה משפיעים על אקלים כדור-הארץ. במשטר של זרם משווני, כזה ששלט בכדור-הארץ לפני כ-100 מיליוני שנה, בתקופת הקרטיקון, כאשר אוקיינוס הטתיס הקיף את הכדור באזור קו המשווה, כדור-הארץ היה חם יותר, הטמפרטורות על פניו היו אחידות יחסית, והיבשות היו גשומות יותר. לעומת זאת, במשטר של אוקיינוסים עם זרמים סביב הקטבים, כמו לפני 25 מיליוני שנה, כאשר אוקיינוס הטתיס נסגר והקטבים בודדו, כדור-הארץ היה קר, מפל הטמפרטורות מהקטבים לקו המשווה היה גדול, והחלו להופיע קרחונים בקטבים.
תנועת הלוחות היא, אם כך, הגורם העיקרי לשינויים האקלימיים ארוכי-הטווח במהלך ההיסטוריה של כדור-הארץ. מכלול של גורמים משפיעים על השינויים קצרי-הטווח, ובהם העלייה בריכוז גזי החממה, כגון פחמן דו-חמצני, מֶתאן ואדי מים באטמוספרה; התפרצויות געשיות בקנה מידה גדול, הגורמות ל”חורף גרעיני”; התנגשות אסטרואידים בכדור-הארץ, כמו באירוע הכחדת הדינוזאורים; או שינויים קלים בזווית ציר כדור-הארץ ביחס לשמש, הגורמים לשינויים אקלימיים מחזוריים. חוקר האקלים מילוטין מילנקוביץ' (Milankovic) הוא שהציע, כי שינויים קלים ומחזוריים במסלול כדור-הארץ סביב השמש גורמים למחזורים של תקופות קרח: מחזורים “ארוכים” הנמשכים כ-100,000 שנה, ומחזורים “קצרים” שאורכם 20,000–40,000 שנה.

עדויות “עקיפות” לשינויים אקלימיים
מעבר לעדויות ה”ישירות” לשינויים אקלימיים לאורך ההיסטוריה הגאולוגית – חתך הסלעים – קיימות גם עדויות “עקיפות”, אשר חשיבותן עולה ככל שאירוע השינוי קדום יותר. קל יותר לעקוב אחר ההתפתחות והנסיגה של הקרחונים מאז 20,000 שנה לפני זמננו ועד ההווה, מאשר אחרי הקרחונים בתקופת הקרבון (כ-300 מיליון שנה לפני זמננו) והאורדוביק (כ-400 מיליון שנה לפני זמננו); וקשה עוד יותר לעקוב אחר תקופות הקרח של סוף הפרקמבריום-הניאופרוטרוזואיקון (כמיליארד שנה לפני זמננו).
עלינו להיעזר, לפיכך, בשיטות עקיפות, גאוכימיות, המסתמכות על יחסי הכמויות בין איזוטופים יציבים, ובעיקר על יחסי הכמויות בין האיזוטופ חמצן-18 הכבד לחמצן-16 הקל. האיזוטופ הקל מתאדה בקלות רבה יותר מאשר האיזוטופ הכבד, ולכן מי הגשם מועשרים בחמצן הקל. בתקופות בין-קרחוניות, מרבית מי הגשם חוזרים כמי נגר לאוקיינוסים, והיחס האיזוטופי באוקיינוסים נשאר קבוע. לעומת זאת, בתקופות הקרח חלק ממשקעים אלה נכלא בקרחונים, והאוקיינוסים הופכים מועשרים באיזוטופ הכבד. לכל ירידה במפלס של 10 מטרים, הנובעת מגריעת מים מהאוקיינוסים וכליאתם בקרחונים, האיזוטופ הכבד חמצן-18 מועשר ב-0.1 אלפיות (פרומילים) ביחס לקל. יחסי הכמויות בין שני האיזוטופים של החמצן מאפשרים לנו, אם כן, לעקוב אחר המעבר בין תקופות קרחוניות לתקופות בין-קרחוניות.
יחסי פחמן-13 לפחמן-12 מלמדים על קבורת חומר אורגני, ובעקיפין על ירידת ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה. צמחים המייצרים חומר אורגני בפוטוסינתזה נוטים להשתמש בפחמן הקל. לפיכך, היחס של פחמן-13 לפחמן-12 ביצורים חיים נמוך מאשר בפחמן הדו-חמצני הראשוני, שהוא תוצר הפעילות הוולקנית. היחס הראשוני הוא 1% פחמן-13 ו-99% פחמן-12. אם החומר האורגני נקבר, מי האוקיינוסים הולכים ונעשים “כבדים”, וכך גם הקרבונטים השוקעים ממים אלה. לעומת זאת, אם החומר האורגני מחומצן, המים שומרים על הערך הראשוני. במקרה של חמצון כמות גדולה של חומר אורגני קבור, היחס יכול לרדת לערכים שליליים (“שלילי” פירושו העשרה באיזוטופ הקל ו”חיובי” – העשרה באיזוטופ הכבד). חמצון של כמות גדולה של חומר אורגני קבור כרוכה בירידה בריכוז החמצן באטמוספרה.
על מנת לנתח את מהות השינוי האקלימי, חשוב לבחון את המיקום הגאוגרפי של הלוחות, ובתוכם היבשות, בזמן האירוע. המיקום נקבע בשיטה הפלאומגנטית: כאשר מינרל מגנטי מתקרר מתחת לנקודת קירי (500 מעלות צלזיוס), הכיוונים המגנטיים שלו “מוקפאים” בהתאם לשדה המגנטי באותה עת. מאחר שכיוון השדה המגנטי של כדור-הארץ משתנה עם הזמן, ומאחר שאנו יודעים מה היה כיוון זה בנקודות זמן שונות, הרי שכיוון השדה המגנטי, כפי שהשתמר בסלעים שהתמצקו בנקודת זמן מסוימת, מאפשר לנו לקבוע מה היה מיקום הלוח הטקטוני באותה עת.

לקריאה נוספת:
www-eps.harvard.edu
Beyth, M., 1972, The Geology of Central-Western Tigre: University of Bonn, 159 pp.
Beyth, M., Avigad, D., Wetzel, H.U., Matthews., A. and Berhe. S.M., 2003, Crustal Exhumation and Indications for Snowball Earth in the East African Orogen: North Ethiopia and East Eritrea: Precambrian Research 123:187-201.
Evans, D. A. D., 2000, Stratigraphic, geochronological, and paleomagnetic constraints upon the Neoproterozoic climatic paradox: American Journal of Science 300;347-433.
Harland, W. B. and Rudwick, M. J. S., 1964, The great Infra-Cambrian ice age: Sci. Am., 211:28-36.
Hoffman, P. F. and Schrag, D. P., 2000, Snowball Earth: Scientific America, pp. 50-57.
Stern, R. J., 1994, Arc assembly and continental collision in the Neoproterozoic East African Orogen: Implications for the consolidation of Gondwanaland: Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 22: 319-351.
.

<<ביוגרפיות>>
ד”ר מיכאל בייט הוא חוקר במכון הגאולוגי לישראל.
דב אביגד הוא פרופסור במכון למדעי כדור-הארץ, האוניברסיטה העברית בירושלים.