מעגל הגופרית: לא מה שחשבתם

במאמר שפורסם בכתב העת סיינס ביקשו ד”ר איתי הלוי מהמחלקה למדעי הסביבה וחקר האנרגיה שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן, יחד עם ד”ר שנן פיטרס מאוניברסיטת ויסקונסין וד”ר ודוורד פישר מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה, להבין את מעגל הגופרית העולמי במשך 550 מיליוני השנים האחרונות

מעגל הגופרית בטבע נע דרך האטמוספרה, הימים והיבשות של כדור-הארץ. תוך כדי תנועה, הגופרית עוברת שינויים כימיים, ואלה קשורים לעתים לכימיה של יסודות אחרים, כמו פחמן וחמצן. כך, לדוגמה, יצורים חד-תאיים מסוימים משתמשים בתרכובות גופרית כדי לעכל את האוכל שלהם, בדומה לאופן בו יצורים אחרים משתמשים בחמצן. פעילות זו משפיעה אמנם על ריכוז החמצן החופשי באוויר, אבל הגופרית נחשבת בדרך כלל לגורם משני בתהליך בקרת רמות החמצן באטמוספרה, בעוד שהפחמן נחשב תמיד ל”שחקן המרכזי”. ממצאים חדשים שהתפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science רומזים שהתפקיד של הגופרית גדול ממה שחשבנו.

ד”ר איתי הלוי מהמחלקה למדעי הסביבה וחקר האנרגיה שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן, יחד עם ד”ר שנן פיטרס מאוניברסיטת ויסקונסין וד”ר ודוורד פישר מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה, ביקשו להבין את מעגל הגופרית העולמי במשך 550 מיליוני השנים האחרונות – במהלכן רמות החמצן באטמוספרה היו קרובות לאלה המצויות בה היום – כ-20%. לשם כך הם השתמשו במאגר מידע הקרוי “מקרוסטראט” (Macrostrat), שפיתח ד”ר פיטרס. המאגר מכיל מידע מפורט על הגיאומטריה, הגיל והתכונות המינרלוגיות של אלפי יחידות מסלע בצפון אמריקה ומחוצה לה.

החוקרים השתמשו במאגר המידע כדי להתחקות אחר אחת הדרכים בהן גופרית המומסת במי האוקיינוסים יוצרת משקעים בקרקעיתם וכך יוצאת מהאוקיינוסים: באמצעות יצור של מינרלים הקרויים אוופוריטים גופריתיים. מינרלים נושאי גופרית אלה, כמו, לדוגמה, גבס טבעי, שוקעים בקרקעית של ימים רדודים כתוצאה מהתאיידות מי הים. הצוות מצא שקצבי הייצור והשיקוע של אוופוריטים גופריתיים השתנו בתדירות גבוהה יחסית במהלך 550 מיליוני השנים האחרונות. השינויים האלה קשורים לשינויים בשטח הימים הרדודים, לקווי הרוחב הגיאוגרפי בהם נמצאו היבשות הקדומות, ולגובה פני הים. אך התגלית שהפתיעה את ד”ר הלוי ואת עמיתיו הייתה שרק אחוז קטן, יחסית, של הגופרית שמגיעה למי האוקיינוסים יוצאת מהם בדרך זו. הממצאים שלהם הצביעו על דרך חשובה הרבה יותר לשיקוע גופרית – באמצעות מינרל אחר, הקרוי פיריט (pyrite).

הפיריט (הידוע גם בשם “זהב שוטים”) הוא תרכובת של ברזל וגופרית, אשר נוצרת כאשר יצורים חד-תאיים השוכנים במשקעים בתחתית הים משתמשים בגופרית מומסת במי הים, כדי לעכל חומר אורגני. יצורים אלה קולטים גופרית בצורת סולפט (כלומר, קשורה לארבעה אטומי חמצן) ומשחררים אותה כסולפיד (ללא חמצן). תוך כדי התהליך משתחררים ארבעה אטומי החמצן, ולכן הוא נחשב כמקור לחמצן באוויר. עם זאת, חלק זה של מעגל הגופרית נחשב תמיד למשני – ביחס להשקעת אוופוריטים גופריתיים (שאינה כרוכה בשחרור חמצן), ולכן השפעתו על רמות החמצן באוויר נחשב לזניח.

בבדיקת מודלים תיאורטיים של מעגלי גופרית שונים מול המידע שבמאגר הבין הצוות, כי הייצור והשיקוע של הפיריט הוא למעשה משמעותי הרבה יותר משמקובל היה לחשוב: למעלה מ-80% מהגופרית המומסת במי האוקיאנוסים יוצאת מהם בדרך זו (לעומת אומדנים קודמים של 30-40%(. לעומת השונות הגבוהה בשיקוע אוופוריטים לאורך התקופה, שיקוע הפיריט שמר על יציבות יחסית. הניתוח הראה גם שמקור מרבית הגופרית הנכנסת לים הוא בבלייה של פיריט מהיבשה. במילים אחרות, התגלה כי קיים איזון בין ייצור הפיריט ושיקועו – בתהליך המשחרר חמצן, לבין בליית הפיריט מהיבשה, תוך צריכת חמצן. הממצאים מצביעים על החשיבות הגדולה של מעגל הגופרית בבקרת ריכוז החמצן באטמוספרה.

ד”ר פישר: ” התוצאה המפתיעה ביותר היא העובדה שהבלייה והשיקוע של הפיריט היו, ככל הנראה, תהליכים חשובים מאוד, לאורך כל ההיסטוריה של כדור הארץ. מעגל הפחמן ידוע כשחקן מרכזי, אשר שולט בכימיה של החמצן. עם זאת, על-פי הממצאים שלנו, מספר דומה של אלקטרונים נע דרך מעגל הגופרית”.

ד”ר הלוי: הממצאים האלה לא רק שופכים אור חדש על תפקיד הגופרית בבקרת רמות החמצן באטמוספרה, אלא מהווים צעד חשוב בפיתוח הבנה כמותית של התהליכים השולטים במעגל הגופרית הגלובלי”.

למאמר המדעי