בחינת איזוטופים של חמצן שנכלאו בסלעי הגיר במערת שורק חשפה קשר אפשרי בין ציר הסיבוב של כדור הארץ, מונסונים, והתפשטות האדם הקדמון מחוץ לאפריקה

מה הקשר בין זווית ציר הסיבוב של כדור הארץ, סוגים שונים של אטומי חמצן וההיסטוריה של המין האנושי? מחקר בהשתתפות אבנר אילון ומירה בר-מטיוס מהמכון הגיאולוגי הישראלי, השתמש באיזוטופים של  חמצן בנטיפי גיר בהרי יהודה כדי לזהות באילו תקופות ירדו גשמי קיץ, ואת הקשר שלהם לשינויים בציר הסיבוב של עולמנו לאורך השנים.

המזרח התיכון היה הגשר היבשתי לנדידתם של בני האדם המודרניים אל מחוץ לאפריקה. דפוסי האקלים ששררו באזור בתקופות הקדומות היו לפיכך גורם מרכזי, ככל הנראה, בהתרחשותם של התהליכים האלה. זווית ציר הסיבוב של כדור הארץ משפיעה ישירות על עונות השנה. לכן חוקרים מארצות הברית ומישראל בדקו איך שינויים מחזוריים בנקיפת ציר כדור הארץ, כלומר שינויי הכיוון של ציר סיבוב כדור הארץ סביב עצמו, השפיעו על כמות המשקעים שירדו בעונות השנה השונות.

במחקר שהתפרסם בכתב העת PNAS הם השתמשו בשיטות מדידה מתקדמות, שמאפשרות למדוד את היחס המדויק בין האיזוטופים השונים של היסוד חמצן – אטומים בעלי תכונות שונות מעט של אותו יסוד – בחומר. מכך ניסו להגיע למסקנות על תהליכים אקלימיים משמעותיים.

סוגים שונים של חמצן

גרעין האטום מורכב מפרוטונים שמטענם החשמלי חיובי ומניטרונים חסרי מטען, וסביבו חגים אלקטרונים שמטענם שלילי. מספר הפרוטונים קובע את זהות היסוד – לדוגמה אטום עם שבעה פרוטונים יהיה תמיד חנקן, ואטום עם שמונה פרוטונים יהיה חמצן. אולם מספר הניטרונים באטומים שונים מאותו יסוד יכול להיות שונה, וההבדל עשוי להשפיע על תכונותיו הפיזיקליות. אטומים של יסוד מסוים שמספר הניטרונים בהם שונה נקראים איזוטופים.

שני האיזוטופים הנפוצים ביותר של חמצן בכדור הארץ הם חמצן 16, שמכיל שמונה פרוטונים ושמונה ניטרונים, וחמצן 18 שיש בגרעינו עשרה ניטרונים. מאחר שהמסה של חמצן 16 נמוכה יותר מהאיזוטופ השני, הוא מגיב מהר יותר בתהליכים כימיים לעומת חמצן 18. בעקבות זאת יש תהליכים שבהם קיימת העדפה לאחד האיזוטופים, והתוצר של התהליך יהיה עשיר יותר באיזוטופ הזה לעומת השני, ביחס שונה מההתפלגות הממוצעת שלהם בטבע.

דוגמה לתהליך כזה היא אידוי של מים, שהמולקולות שלהם מורכבות מאטום חמצן ושני אטומי מימן. מולקולות מים עם חמצן 16 יתאדו מהר יותר ממולקולות עם חמצן 18, כך שאדי המים מכילים בממוצע יותר אטומי חמצן 16 מאשר המים הנוזליים שמהם הם התאדו. ערך היחס בין האיזוטופים השונים נקרא חתימה איזוטופית. החתימה של עננים ושל המשקעים היורדים מהם, תהיה שונה מהחתימה האיזוטופית של מי ים. לכן החתימה האיזוטופית של חמצן בגופי מים שונים יכולה ללמד מאין הגיעו אליהם המים ומה התהליכים שעברו בדרך. למשל: האם המים באגם מסוים הגיעו אליו מעננים שהתאדו מפני האוקיינוס, או שהם שריד מלגונה שהייתה מחוברת פעם לים?

ציר כדור הארץ מצייר קו דמיוני (בצהוב) אל הכוכבים, המצביע כיום אל כוכב הצפון (פולאריס) | איור: talk, ויקיפדיה
נקיפת ציר הסיבוב. ציר כדור הארץ מצייר קו דמיוני (בצהוב), המצביע כיום אל כוכב הצפון (פולאריס) | איור: talk, ויקיפדיה

המונסון הישראלי

החוקרים בנו מודל חישובי שמנבא את כמות המשקעים היורדים בחודשי השנה השונים, ואת החתימה האיזוטופית של החמצן בתוכם, והתחשבו במודל גם בנקיפת ציר כדור הארץ, המשלימה סיבוב כל 26 אלף שנים לערך, והשפעתה על עוצמתה של קרינת השמש הפוגעת בפני השטח. הם הזינו למודל את נקיפת הציר שהייתה לפני 125 אלף שנה, אז חצי הכדור הצפוני היה בנטייה הגבוהה ביותר כלפי השמש בחודשי הקיץ, ואת נקיפתו לפני 105 אלף שנה, אז נטיית הציר כלפי השמש הייתה הנמוכה ביותר.

מהמודל עולה כי לפני 125 אלף שנה, חגורת גשמי המוֹנסוּן הטרופיים היורדים בקיץ בדרום אסיה ובאפריקה הגיעה צפונה עד ישראל, והחתימה האיזוטופית הממוצעת של הגשמים שירדו בארץ התאפיינה בהעשרה רבה במיוחד של חמצן 16 לעומת חמצן 18. בתקופה המאוחרת יותר המודל הצביע על אקלים דומה מאוד לזה שקיים באזורנו כיום, עם קיץ שחון, וגשמים שנתיים מועשרים בחמצן 18.

מערת האיזוטופים

כדי לבחון אם המודל החישובי אכן נאמן למציאות, פנו החוקרים אל אחד ממאגרי המידע המקיפים ביותר על כמות המשקעים שירדו בישראל במאתיים אלף השנים האחרונות והרכבם הכימי: נטיפי הגיר של מערת שורק ליד בית שמש.

נטיפים מתפתחים במשך אלפי שנים כשמים עשירים ביוני סידן וביונים פחמתיים (CO3-2), שמקורם בסלעי גיר מומסים, ניגרים מתוך שכבות סלע ומטפטפים לתוך חללים תת-קרקעיים. כשהמים האלה, שמקורם בגשמים, נחשפים לאוויר בחלל המערה, המשקעים שבהם מתגבשים שוב לקרום דקיק של אבן גיר – סידן פחמתי – המצפה את פני הנטיף. במהלך ההמסה וההתגבשות מחדש של אבן הגיר, חלק מאטומי החמצן שהיו במים נלכדים באבן הטרייה, והחתימה האיזוטופית שלהם נשמרת בה.

באמצעות מכשירי מדידה מדויקים, שמסוגלים להפריד בין שכבות בעובי של מאית המילימטר, הצליחו החוקרים למדוד את החתימה האיזוטופית של החמצן שהיה במים שחלחלו למערה בכל עונות השנה, 125-100 אלף שנה לפני זמננו. מהחתימות האיזוטופיות הם גזרו את כמות המשקעים המשוערת שירדה באזור בתקופה ההיא. הערכים שהתקבלו מהנטיפים התיישבו היטב עם תוצאות המודל החישובי, והעידו על חודשי קיץ גשומים לפני 125 אלף שנה ושחונים לפני 105 אלף שנה, כשנקיפת ציר כדור הארץ הייתה חדה יותר.

הקשר האנושי

מעבר לתרומתו של המחקר להבנת הקשר בין השינויים המחזוריים בציר הסיבוב של כדור הארץ לשינויים באקלים האזורי, החוקרים מעלים קשר אפשרי נוסף, בין נקיפת ציר כדור הארץ לתולדות המין האנושי.

הראיה המוקדמת ביותר להופעתו של האדם המודרני מחוץ לאפריקה מתוארכת ל-185 אלף שנה בערך לפני זמננו. היא מגיעה ממערת מיסליה שבכרמל, שכן ארץ ישראל היא הגשר היבשתי היחיד בין אפריקה לאירופה ולאסיה. בתקופה ההיא נקיפת ציר כדור הארץ הייתה דומה לזו שהתקיימה לפני כ-125 אלף שנה, וסביר להניח שגם בה הקיץ התאפיין בגשמי מונסון שגרתיים. לדעת החוקרים, ייתכן שגשמי הקיץ היו הגורם שאִפשר לבני האדם לצלוח את המדבריות הנרחבים שממזרח לנילוס, בדרכם לכבוש את העולם.