מה אפשר ללמוד מפחמן “עתיק”?

המהפכה התעשייתית הייתה אחד מהתהליכים ההיסטוריים החשובים ביותר בעת המודרנית, שהובילה להתפתחויות בתחומים כמו טכנולוגיה, תעבורה וחקלאות. בתקופה זו פותחו מנועים שמפיקים אנרגיה משריפת דלקי מחצבים. שריפת דלקי מחצבים פולטת פחמן דו-חמצני, שהוא אחד הגזים שמרכיבים באופן טבעי את האטמוספרה של כדור הארץ. ישנה הסכמה נרחבת בקהילה המדעית על כך שהעלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה מובילה להתחממותה – שתי תופעות שאינן תלויות זו בזו – כיוון שהוא גז חממה. אבל אולי עליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה היא תוצאה של תהליך טבעי? וגם אם מניחים שפעילות אנושית מעלה את ריכוז הגז באטמוספרה, איך אפשר לדעת שמקור העלייה הוא שריפת דלקי מחצבים, ולא, למשל, שריפת יערות? שיטת התיארוך באמצעות פחמן 14, שמתמקדת באטומי הפחמן עצמם, מאפשרת מענה על השאלה הזאת.

לא כל האטומים נולדו שווים

כל היסודות ביקום מורכבים מאטומים. אטומים גם הם מורכבים מחלקיקים קטנים יותר: גרעין, שכולל פרוטונים ונייטרונים, ואלקטרונים המקיפים אותו. מספר הפרוטונים מגדיר את סוג היסוד: שישה פרוטונים, למשל, משמעם שמדובר באטום פחמן. בניגוד למספר הפרוטונים, שהוא קבוע, מספר הנייטרונים בגרעין יכול להשתנות בין אטומים של אותו היסוד. כך נוצרים איזוטופים – אטומים שזהים במספר הפרוטונים שלהם, אך נבדלים זה מזה במספר הנייטרונים. 

איזוטופ הפחמן הנפוץ ביותר בטבע הוא פחמן 12 – אטום פחמן שגרעינו כולל שישה פרוטונים ושישה נייטרונים. האיזוטופ השני בשכיחותו הוא פחמן 13, וקיים גם פחמן 14, שבו שישה פרוטונים ושמונה נייטרונים, והוא מופיע באטמוספרה בריכוז נמוך מאוד. כיוון שהשכיחות של כל איזוטופ בטבע שונה – 98.9 אחוזים, למשל, מכלל אטומי הפחמן הם פחמן 12 – אפשר למדוד את היחס האיזוטופי של יסודות, ביניהם יחס האיזוטופים של פחמן, ובמילים אחרות, כמה מהכמות הכוללת של החומר מקורה באיזה איזוטופ.

יציב או לא יציב?

פחמן 12 ופחמן 13 הם איזוטופים יציבים של פחמן: מספר הפרוטונים שלהם לא יכול להשתנות, והם יישארו אטומי פחמן כל עוד לא תופעל עליהם אנרגיה חיצונית שתהפוך אותם לאטום אחר. פחמן 14, לעומת זאת, הוא איזוטופ בלתי יציב, שהופך עם הזמן לאטום חנקן בתהליך שנקרא דעיכה. את קצב הדעיכה אפשר למדוד, ונהוג לכמת אותו באמצעות זמן מחצית חיים – פרק הזמן שאחריו חצי מהחומר יתפרק, ורק מחצית מהכמות ההתחלתית תישאר. לאחר תקופת זמן ארוכה, שמשתנה בין האיזוטופים ואורכה תלוי בזמן מחצית החיים ובתהליכים נוספים שקשורים לדעיכה, נשארת כמות כמעט אפסית, שאי אפשר למדוד עוד.

כל היצורים החיים מורכבים מפחמן, צורכים אותו, או שניהם. במהלך חייהם הרכב הפחמן בגוף שלהם תואם את ריכוז האיזוטופים באטמוספרה, שכן כל עוד היצור חי, הוא ממשיך להחליף פחמן עם הסביבה. לאחר המוות התחלופה פוסקת, ואטומי הפחמן 14 מתחילים לדעוך. כמות האיזוטופ דועכת החל מרגע המוות, עד שלאחר כעשר פעמים זמן מחצית החיים – כמעט לא נותר פחמן 14 בשרידי היצור. זמן מחצית החיים של פחמן 14 הוא כ-5700 שנים, ולכן חומר שמורכב מפחמן ואינו מכיל אטומים של פחמן 14, אחרי שכולם התפרקו, מכונה “פחמן עתיק” וגילו 57 אלף שנים לפחות.

כמה עתיק הפחמן העתיק?

דלקי המחצבים שנשרפים כדי להפעיל מנועים ולהפיק חשמל נוצרו בתהליך טבעי: בעלי חיים, צמחים ויצורים חיים עתיקים נוספים בעבר הרחוק נקברו תחת שכבות סלע והפכו לנפט, לפחם או לגז בתהליך שאורכו מיליוני שנים. מדובר בהרבה יותר זמן מ-57 אלף שנים; כיוון שאחד היסודות בדלק הוא פחמן, דלקי מחצבים מכילים “פחמן עתיק”. לכן, שריפת דלקי מחצבים, שמובילה לפליטת פחמן דו-חמצני אל האטמוספרה, משנה את היחס בין האיזוטופים של פחמן באטמוספרה, כך שריכוז הפחמן 14 בה יורד, והוא נמוך מכפי שהיה לפני המהפכה התעשייתית. בשריפת עצים, שהייתה אחת הדרכים העיקריות להפיק אנרגיה לפני המהפכה, נשרפים חומרים שמורכבים מפחמן צעיר בהרבה מהפחמן העתיק בדלקי מחצבים. מכאן שגם שריפת יערות מודרנית אינה פולטת פחמן עתיק לאטמוספרה, והיא לא צפויה להוריד את ריכוז הפחמן 14 באטמוספרה.

ואכן, מאז המהפכה התעשייתית, ובפרט החל מאמצע המאה ה-19, היחס בין האיזוטופים של פחמן במולקולות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה החל להשתנות, במקביל להאצה בשריפת דלקי המחצבים. שיעור מולקולות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה שמורכבות מאיזוטופים של פחמן 12 ו-13 עלה, ואילו שיעור הפחמן 14 – ירד. כיוון שכמות דלקי המאובנים הנשרפים עולה בהדרגה מאז תחילת המהפכה התעשייתית, וידוע לנו ההרכב האיזוטופי שלהם, מדידות הפחמן האטמוספרי סיפקו הוכחה לקשר בין פעילות השריפה האנושית ועליית הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה. כך הצליחו מדענים לקשר בין שינוי יחס האיזוטופים לעלייה בריכוז גזי החממה, וכך להבין טוב יותר את  השלכות המהפכה התעשייתית בכל הנוגע להתחממות כדור הארץ ולשינויי האקלים, שכבר נחווים היום וצפויים להתגבר בעתיד.