החוקר שניקה את האוויר

“במקרים רבים הוא כל כך הקדים את זמנו, שבמשך שנים לא הבינו אותו ולא העריכו אותו, עד שעמיתיו סוף סוף הדביקו אותו והבינו שהוא צדק”, במילים אלה תיאר בשנות השמונים ברקלי קמב (Kamb), אז רקטור המכון הטכנולוגי של קליפורניה, קאל-טק, את עמיתו קלייר פטרסון (Patterson). כחוקר צעיר פטרסון קנה לעצמו שם עולמי כשהיה הראשון שחישב במדויק את גיל כדור הארץ. בשנים הבאות, מחקריו עמדו בבסיס אחת המהפכות הסביבתיות הגדולות, ששיפרה את הבריאות ואת איכות החיים של כולנו.

תוכנית הגרעין

קלייר קמרון פטרסון נולד ב-2 ביוני 1922 בעיירה קטנה במדינת איווה בארצות הברית. אביו היה דוור, ואת אמו הגדיר “חברה בוועדת החינוך המקומית”. מגיל צעיר הוא גילה סקרנות אינטלקטואלית, היה תלמיד מצטיין ובגיל 16 סיים תיכון והמשיך ללימודים במכללת גרינל באיווה. חוץ מתואר ראשון, הוא גם יצא משם גם עם בת זוג, לורנה מקלירי (McCleary), שלמדה איתו, ושניהם המשיכו יחד לתואר שני באוניברסיטת איווה. התואר השני של פטרסון היה בספקטרוסקופיה – המדע העוסק בספקטרום האלקטרומגנטי, ובעיקר באפיון הקרינה או האנרגיה שחומרים מסוימים פולטים ובולעים, כדי לזהות באילו חומרים מדובר. הוא סיים את התואר השני בתשעה חודשים בלבד, ומכיוון שהשנה היתה 1943, הוא נשלח מיד לאוניברסיטת שיקגו, שם התנהל חלק ניכר מהמחקר של פרויקט מנהטן – התוכנית האמריקאית לפתח נשק גרעיני. עבודתו שם הייתה לאפיין תוצרי פירוק של אורניום בתהליכים רדיואקטיביים.

בהמשך נשלחו בני הזוג לעבוד במפעל העשרת האורניום באוק רידג’ שבמדינת טנסי, שם התמחה פטרסון בספקטרומטריית מסות, שיטה שמאפשרת לשקלל את היחסים בין המטען החשמלי למסה של חלקיקים, ולזהות בדיוק רב את ההרכב של חומרים. השיטה הזו מאפשרת להפריד בין איזוטופים של חומרים, כלומר צורות של אותו יסוד הזהות מבחינה כימית ונבדלות זו מזו רק במספר הנייטרונים בגרעין, ולכן במסה האטומית. בהעשרת אורניום, למשל, אנו רוצים יותר מהאיזוטופ הבקיע, אורניום 235, שבגרעינו יש 92 פרוטונים ו-143 נייטרונים, ופחות מהאיזוטופ הנפוץ אורניום 238 (92 פרוטונים ו-146 נייטרונים). פטרסון היה אמון על פיתוח שיטות להבדיל בין שני האיזוטופים ולקבוע את היחסים הכמותיים ביניהם בדגימות.

את העבודה על הפצצה כינה פטרסון לימים “פשע נתעב”, ואמר כי פרופסורים שעזבו אוניברסיטאות כדי לעבוד על הפצצה אמרו לצעירים כמוהו שזה דבר הכרחי.

לאחר מלחמת העולם השנייה שבו בני הזוג לשיקגו, שם החל פטרסון בלימודי דוקטורט בהדרכתו של הריסון בראון (Brown), כימאי שעבד גם הוא בתוכנית מנהטן, והוביל את העבודה התיאורטית לייצור פלוטוניום. גם בראון, כמו חוקרים אחרים, ביקשו למנף ידע ושיטות שפותחו בפרויקט מנהטן לטובת מחקר בסיסי ואזרחי. הרעיון שלו היה לקבוע את גיל כדור הארץ באמצעות סלעים ומטאוריטים.

הגיל והתרגיל

השאלה בן כמה כדור הארץ העסיקה מדענים מאות שנים. המחלוקת הגיעה לשיאה בסוף המאה ה-19, על רקע ויכוחים סביב תיאוריית האבולוציה של דרווין. הרעיונות שלו על התפתחות מינים חדשים באמצעות ברירה טבעית של שינויים אקראיים הצביעו על תהליכים ארוכים בהרבה מהאומדן של כמה עשרות מיליון שנים לגיל כדור הארץ, שהיה נפוץ אז. בהמשך התברר שדרווין צדק, וכדור הארץ קשיש בהרבה. אבל באמצע המאה העשרים לאיש עדיין לא היה נתון מדויק, וההערכה הנפוצה הייתה בערך שלושה מיליארד שנים.

הרעיון של בראון היה לחשב את גיל כדור הארץ בעזרת השוואת מקורות של עופרת (Pb), שיכולה להיווצר בשתי דרכים: אחת, כמו הרבה מתכות כבדות, בתהליכים של פיצוצי כוכבים בחלל; השנייה היא היווצרות איטית בדעיכה רדיואקטיבית. חומרים רדיואקטיביים כמו אורניום (U) מתפרקים בהדרגה, ומספר הפרוטונים בגרעין שלהם משתנה בתהליכים רדיואקטיביים. לא מדובר בפירוק הגרעין לשני גרעינים גדולים, כמו בתהליך האלים של ביקוע גרעיני, אלא בתהליך איטי וממושך. בסדרה של 14 צעדים אטום אורניום הופך בסופו של דבר לאטום עופרת (דרך תוריום, רדיום, פולוניום ועוד), שהיא יסוד יציב ואינה מתפרקת רדיואקטיבית.

זירקון (Zircon) הוא מינרל שמכיל בעיקר את היסודות זירקוניום וצורן (סיליקון), ויוצר גבישים קטנים ועמידים מאוד לתהליכי בליה גיאולוגית. לגבישים האלה יש תכונה שימושית בקביעת גיל: כשהם נוצרים הם עשויים לקלוט אורניום מהסביבה, אבל לא עופרת. כך שאם יש עופרת בגביש זירקון, מקורה רק בהתפרקות אורניום. מכיוון שאנו יודעים את שלבי התהליך של דעיכת אורניום לעופרת, ואת משך הזמן הממוצע שלהם, לפי כמויות האורניום והעופרת בגביש מסוים, אפשר לחשב את גילו. הבעיה היא שזה דורש טכניקות מתקדמות ומיומנות גבוהה מאוד בהפרדת כמויות מזעריות של חומרים וזיהוי שלהם.

זאת התמונה הפשוטה. בפועל הדברים מסובכים הרבה יותר, כי יש שני איזוטופים נפוצים של אורניום, ועוד אחד של תוריום, והדעיכה של כל אחד מהם מניבה איזוטופ אחר של עופרת. חישוב היחסים ביניהם שימושי מאוד בקביעת גיל של סלעים, ומכונה “תיארוך אורניום-עופרת”. לצד שלושת האיזוטופים האלה של עופרת, יש איזוטופ נוסף שלא נוצר מדעיכת אורניום וכנראה כבר הגיע אלינו כעופרת בחומר שממנו נוצר כדור הארץ הצעיר. השוואת היחסים הכמותיים בין האיזוטופים האלה בסלעים בני ימינו ליחסים כמותיים ביניהם בתקופת היווצרו של כדור הארץ, תאפשר לנו לחשוב את גילו באמצעות סדרת משוואות שפיתחו חוקרים אחרים ב-1941.

איך יודעים מה היו היחסים הכמותיים בין האיזוטופים של עופרת בכדור הארץ הצעיר? כאן נכנסים לתמונה המטאוריטים: סלעים שהגיעו אלינו מהחלל. מטאוריטים מסוגים מסוימים משמרים בתוכם את הרכב החומר שממנו נוצרו כוכבי הלכת במערכת השמש. חלקם בעלי הרכב סלעי, נוצרו כנראה בחלקים החיצוניים של אותם גושים שיהפכו בעתיד לכוכבי לכת, והם מכילים זירקון עם אורניום. אחרים עשויים בעיקר ברזל, הגיעו מהליבות של אותם טרום-כוכבי לכת קדומים, ואינם מכילים אורניום כלל. כל העופרת בהם היא מהאיזוטופ 204, שלא נוצר מאורניום. מדידת יחסי האיזוטופים במטאוריטים האלה יכולה לתת את התשובה לגבי היחסים הכמותיים בכוכבי לכת קדומים, ובהנחה המקובלת שהם בערך באותו גיל של כדור הארץ – לגלות לנו בעזרת השוואה לממצאים מגבישי הזירקון בסלעים – בן כמה כוכב הלכת שלנו. השיטה הזו קיבלה את הכינוי “תיארוך עופרת-עופרת”.

לפני כ-50 אלף שנה פגע מטאוריט גדול באזור שכיום הוא צפון מדינת אריזונה, והותיר שם אתר תיירות פופולרי בצורת מכתש פגיעה בקוטר של יותר מקילומטר. שרידי המטאוריט עצמו התפזרו על פני שטח עצום, ובראון השיג כמה מהם כדי שפטרסון יוכל למדוד את כמויות העופרת המזעריות בתוכם, ולזהות את האיזוטופים. ב-1955 פירסם פטרסון מאמר בכתב העת Science שבו הוא מסביר את שיטת החישוב והמדידה, ונוקב בגיל כדור הארץ שעלה מהתוצאות שלו: 4.55 מיליארד שנים. בשנה שלאחר מכן הוא פירסם מאמר מפורט יותר בכתב עת מקצועי, ווקב שוב בגיל הזה, פלוס מינוס 70 מיליון שנה.

המהפכה שלא הייתה

היה אפשר לצפות שמדידות כה מדויקות, הקובעות כי כדור הארץ שלנו מבוגר בכ-50 אחוז מההערכות הקודמות, יחוללו מהפכה בגיאולוגיה. ואולם, הפרסומים התקבלו בשקט יחסי. “הקהילה הגיאולוגית לא הבינה בכלל איך עשינו את זה, ומה המשמעות והחשיבות של הממצאים”, סיפר פטרסון לימים בראיון לאתר המכון הטכנולוגי של קליפורניה. “חלפו תריסר שנים לפני שהמספר נכנס לספרי לימוד בגיאולוגיה. לפני זה היה רק נתון מעורפל של כמה מיליארדי שנים. כשהמספרים הנכונים החלו להופיע בספרי הלימוד, לא כתבו איך הגיעו אליו, רק שזה היה בעזרת מדידות גיאוכרונולוגיות של אורניום ועופרת”.

לקהילה הגיאולוגית לקח שנים רבות לאמץ שיטות כמו אלה שפטרסון הכניס, והעבודה שלו אחראית למהפך שחל בגיאולוגיה, שהפכה בזכות שיטות מחקר חדשניות לתחום מדעי הרבה יותר. על אף השכלולים וההתפתחויות מאז, הממצא הראשוני שלו התברר כמדויק, ושבעים שנה מאוחר יותר זה עדיין הנתון המקובל.

כשפרסם את הממצאים על גיל כדור הארץ פטרסון כבר לא לימד באוניברסיטת שיקגו, אלא במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Cal Tech). הוא עבר לשם ב-1952 בעקבות בראון, שקיבל הצעה מפתה, והצליח לכלול בה הקמת מעבדה לתלמידו לשעבר – שכבר היה חוקר עצמאי אחרי פוסט דוקטורט – עם ספקטרומטר מסות משוכלל. 

סביבה מלוכלכת, חדר נקי

הסיבה שהמדידות של ריכוזי האיזוטופים של עופרת נמשכו שנים, הייתה שפטרסון גילה בהדרגה שהסביבה שלו מזהמת בעופרת. “קיבלנו כל הזמן תוצאות שגויות של ריכוזי העופרת בזירקון. ידענו מה הכמות הצפויה של עופרת, כי ידענו את גיל הסלע שהגבישים נלקחו ממנו ואת ריכוז האורניום, כך שיכלנו לחשב כמה עופרת צריכה להיות ומה ההרכב האיזוטופי שלה, וקיבלנו מספרים לא נכונים” סיפר באותו ראיון של קאל טק. 

פטרסון הבין שזיהום העופרת מגיע ממקור חיצוני. הוא החל לבדוק מקורות אפשריים ומצא למשל שהמים במעבדה מכילים עופרת, כנראה מהצנרת, והיה צריך לעבור למים שזוקקו כמה פעמים. בהמשך גילה כי צבע שהתקלף מקירות המעבדה הכיל עופרת, אבל גם לאחר שצבעו אותה מחדש, עדיין היה זיהום בדגימות. הוא גילה שריתוכים של רגלי השולחן והכסאות במעבדה מכילים עופרת, והחליף את הריהוט. אחר כך נפל החשד על אבק במעבדה. ניקיון יסודי הוריד מעט את רמות העופרת, אבל לא מספיק. כשהבחין ששפתון של עובדת מעבדה נגע באחת המבחנות, הוא בדק את האיפור ומצא גם בו עופרת. כששערה שלו נפלה לדגימה, הוא בחן אותה וגילה שהשיער שלו מכיל עופרת, וגם העור. פטרסון נקט עוד ועוד צעדים להבטיח ניקיון של המעבדה: חליפות מיוחדות מעל הבגדים, כובעי פלסטיק לשיער, כיסוי נעליים, מערכת אוורור מיוחדת שמסננת אוויר ומזרימה אותו החוצה כל הזמן. למעשה זאת הייתה הגרסה הראשונה של מה שמכונה היום “חדר נקי” בתעשיות רגישות כמו מיקרואלקטרוניקה או לוויינים.

רק אחרי שנים של עבודה סיזיפית בהפחתת זיהום העופרת במעבדה, הצליח פטרסון להגיע לרמת ניקיון שאיפשרה לו לבחון את דגימות המטאוריטים ולקבוע את גיל כדור הארץ.

משוגע לדבר

בהמשך עבודתו הוא ביקש לחקור את ההיסטוריה הגיאולוגית של כדור הארץ בעזרת מדידות הרכב האיזוטופים של עופרת. במשך שנים הוא השיג בעזרת בראון מימון למחקרים מהוועדה לאנרגיה אטומית של ארצות הברית, שקיוותה כי הקשר הקלוש של עבודתו לאורניום יניב מידע שימושי עבורה. כשהופסק המימון הזה עזר לו בראון לגייס מימון מתעשיית הנפט, בנימוק שתיארוך הגיל של סלעי המשקע שפטרסון חקר, עשוי לסייע בזיהוי שכבות שמכילות מרבצי נפט.

הוא הצטרף לפרויקט מחקר לאומי שבו אוניות קידוח נטלו דגימות ממי האוקיינוס השקט בעומקים שונים, ומתוך סלעי משקע בקרקעית הים, עד לעומק של קילומטרים מתחת לקרקעית. מהקידוחים האלה הוא חישב מה היו רמות העופרת בסביבה הימית לפני מיליוני שנים, כשהפלנקטון ויצורים אחרים מתו, שקעו לקרקעית ויצרו בהדרגה את סלעי המשקע. כשהוא השווה את הנתונים האלה לדגימות של מים ומשקעי קרקעית מנהרות, הוא גילה כי ריכוזי העופרת במים שזורמים לאוקיינוסים גבוהים פי מאה (!) מריכוזם בעבר הרחוק.

הוא גילה באמצעות דגימות שלג כי גם האוויר מזוהם בעופרת, והצביע על תעשיות הדלק כאשמות, אף על פי שהן מימנו את המחקר שלו. ב-1963 פרסם פטרסון מאמר ראשון על זיהום העופרת באוויר ובמים ומקורותיו. למעשה הוא החל לנהל מסע הסברה נגד העופרת, אך לא רק שהממצאים שלו לא אומצו, הם נתקלו בהתנגדות עזה של חוקרים שעבדו בשירות התעשייה הכימית, וטענו כי הממצאים מופרזים. הוא כמובן לא קיבל עוד תקציבים מחברות הדלק, אבל נשללו ממנו גם תקציבי מחקר מגופים שאמורים להיות אובייקטיביים, כמו שירות הבריאות הלאומי של ארצות הברית. חברות הדלק, שהיו גם בין התורמים של קאל טק, ניסו לשכנע את הנהלת המכון להשתיק אותו, אך בלי הצלחה. יום אחד התייצבו במשרדו ארבעה בכירים בחברות דלק, והציעו לו תקציבים נדיבים למימון מחקר שיניב תוצאות חיוביות מבחינתם. הוא דחה את ההצעה, והושיב את האורחים להרצאה ארוכה שבה הסביר שהם פוגעים בסביבה ובבריאות האדם, וכיצד מדענים יוכלו להוכיח זאת בעתיד.

במקום להתעמת עם הנתונים והממצאים, העדיפו חברות הדלק להציג את פטרסון כמשוגע. הוא גם שיחק לידיהן לא פעם, כשאכן התנהג באופן מוזר, וסירב ללכת בתלם: בניגוד לקוד הלבוש של פרופסורים באקדמיה הוא היה לובש חולצות טי ומכנסי עבודה, הוא סירב לקבל קביעות, הסתובב לעיתים בקמפוס עוטה מסכת גז ועוד.

המתכת שהפילה אימפריות

העופרת מסוכנת לבריאות מכיוון שהיא מחליפה בקלות מתכות חשובות בגוף האדם. אנזימים רבים בגופנו מכילים יוני מתכת כמו ברזל, נחושת ומנגן, החיוניים לתפקודם התקין. עופרת נקשרת לאנזימים האלה בקלות רבה יותר, על חשבון המתכות החיוניות, ומשבשת את פעילות האנזימים. היא גם מחליפה סידן ולכן מצטברת בעצמות, ומאותה סיבה עלולה לשבש קשות את תפקוד מערכת העצבים.

כבר בשנת 1924 דיווח העיתון ניו יורק טיימס על מותו של עובד בחברת דלק ועוד ארבעה עובדים שאיבדו את שפיותם כשעסקו בייצור תוסף העופרת לדלקים של החברה. אירועים דומים נרשמו במפעלים אחרים בארצות הברית. אבל לא צריך לעבוד ישירות עם תוספי העופרת כדי לסבול מהתוצאות המזיקות שלה: החשיפה הגבוהה לעופרת באוויר, במים ובמזון עלולה להשפיע ישירות על בריאות הציבור. מחקרים הראו כי ילדים רגישים במיוחד לזיהום עופרת, שעלול לפגוע בהתפתחות השכלית. מחקרים אחרים מייחסים רמות גבוהות של פשיעה לזיהומי עופרת, וספר שראה אור השנה אף מצביע על האפשרות שזיהום העופרת, שהגיע לשיאו בשנות ה-60 של המאה העשרים, הוא האחראי להתנהגותם של כמה מהרוצחים הסדרתיים הנתעבים והמפורסמים ביותר.

פטרסון ניצל קידוחים בקרח בגרינלנד כדי להתחקות אחר תעשיית העופרת בעת העתיקה, ואימת ממצאים בדבר שימוש בעופרת ביוון, ובעיקר ברומא. הרומאים לא רק השתמשו בצינורות עופרת להובלת מים, אלא אף הוסיפו מטילי עופרת קטנים ליין, משום שהם סייעו לשמר אותו. הוא הראה כי בתקופות יוון ורומא זיהום העופרת באוויר זינק לרמות של עד 15 אחוז מהשיאים של המאה העשרים. הממצאים האלה אומתו במחקרים נוספים, וחיזקו את ההשערה כי הרעלות עופרת נרחבות היו בין הגורמים לנפילת האימפריה הרומית.

מבט של ילד

בשנות ה-60 של המאה העשרים החלה להתעורר בארצות הברית התנועה הסביבתית, בין השאר בזכות “האביב הדומם“, ספרה פורץ הדרך של רייצ’ל קרסון (Carson). אט אט החלו גם טענותיו של פטרסון ליפול על אוזניים קשובות, והרשויות החלו לבחון ברצינות את ההשפעות של העופרת בדלק.

בסוף 1963 אושר בארצות הברית “חוק האוויר הנקי”, שפעל לצמצם את זיהום האוויר. מ-1975 החלו חוקים ותקנות לאסור בהדרגה על שימוש בדלקים עם עופרת, ואת תפקידה של העופרת בשמירה על תפקוד המנוע החליפו חומרים אחרים וטכנולוגיות חדשות. עד תחילת שנות ה-2000 כבר הוצא הדלק עם העופרת משימוש ברוב מדינות העולם. השפעות המהלך היו חסרות תקדים. בין 1976 ל-2020 נרשמה ירידה של 96 אחוז ברמות העופרת בדם של ילדים בארצות הברית.

בערוב ימיו שינה פטרסון את כיוון המחקר שלו, וניסה יחד עם חוקרי מוח לפענח את סוד החשיבה האנושית וקבלת ההחלטות, לאור ממצאיו על העופרת. הוא ביקש להבין מה גרם לבני אדם להרעיל את האוויר שהם נושמים בעופרת במשך יותר מ-2,000 שנה, ואיך האנושות לא הבינה את השפעות הרעל במשך תקופה כה ארוכה.

פטרסון גם המשיך במנהגיו המוזרים, ואף הקצין עם השנים. בין השאר הוא נהג לאסוף הפרשות של עופות ברחבי הקמפוס, לערבב אותן עם דבק, ולעטר בהן את דפנות ספטקרומטר המסות שלו, כסוג של אמנות. כמו במקרה של קביעת גיל כדור הארץ, גם החשיבות העצומה של עבודתו למען הסביבה זכתה להכרה מעטה ומאוחרת. ב-1995 הוענק לו פרס טיילר היוקרתי לאיכות הסביבה, חודשים אחדים לפני מותו בגיל 73, ובלי שזכה לראות את ההשפעה המלאה של תוצאות עבודתו על הפחתת זיהום העופרת. פטרסון, כדרכו, התרעם על הפרס והוסיף שהוא חש אפס גאווה על קבלתו. “אני לא אדם מבריק או חכם, אני ילד קטן”, הוא אמר. “מדענים טובים הם כמו ילדים, ויש להם שכל לראות את הדברים מבעד להעמדות הפנים ולשטויות טפשיות. אין סיבה להעניק לי כבוד, הכל היה מקרי”, אמר המדען שהתעקשותו וקפדנותו הובילו להצלת חייהם של מיליוני בני אדם.