פורסם על ידי: danielwinkler1 | 10/11/2016

כיצד לבנות כוכב-לכת שיכול לקיים עליו חיים

gud_ol_how2build_by_wallace_brocker

להזמנה מאתר אמזון

על המחבר:

פרופ' וולאס סמית ברוקר (Wallace Smith Broeker) הוא גיאולוג-אוקינוגרף במחלקה למדעי כדור הארץ והסביבה באוניברסיטת קולומביה, אשר במנהטן, ניו-יורק, אשר בארה"ב.

הוא נולד בשיקגו 29.11.1931 ואת התואר הראשון שלו הוא סיים בשנת 1953 (מאסטר סיים שנה אח"כ). את הדוקטורט קיבל בשנת 1958 (כולם באוניברסיטת קולומביה)

וולאס ברוקר כתב למעלה מ-450 מאמרים, וכן 10 ספרים, בינהם:

Chemical Oceanography (1974, Harcourt Brace Jovanovich press), Greenhouse Puzzles (1993, Lamont-Doherty Geological Observatory of Columbia University press), Fixing Climate: What Past Climate Changes Reveal About the Current -Threat and How to Counter It (2008,Three books publishing).

לוולאס ברוקר, 6 ילדים, 7 נכדים, ואפילו 7 בני-נכדים. אשתו, גרייס (הדר Grace) נפטרה בשנת 2007. הם חיו יחד במשך 53 שנים.

הספר הזה מוקדש לזכר:

פאול גאסט (Paul Werner Gast, 1930-1973) שהיה מורו של פרופ' וולאס ברוקר בלימודי התואר הראשון שלו באונ' קולומביה. פאול גאסט היה מנהל קבוצת המחקר הגיאו-כימית שעשתה אנליזות כימית לדוגמאות סלעי האנורטוזיט ( והבזלת שהובאו ארצה מהירח באחת ממשימות אפולו.

פאול גאסט היה חוקר חלוצי בתחום השימוש ביסודות קורט (יסודות שריכוזם בחומר נמוך מאוד ולכן קשה למדוד אותם) עבור מחקרים בתחום הגיאוכימיה של כוכבי לכת. פאול גאסט נפטר בשנת 1973 והיה חבר ועמית מחקר של וולאס ברוקר. לטענת וואלס, פאול הציל אותו מלפנות למקצוע הסטטיסטיקה של חברות ביטוח (אַקְטוּאָר actuary), מקצוע שבוודאי היה משעמם אותו נורא.. וולאס כותב לו בספרו באנגלית (1985): "He was my 'big brother'.. I owe much to him".

פרק 1: המפץ הגדול ויצירת הגלקסיות

כדור הארץ הוא כוכב לכת (planet) קטן בתוך מערכת כוכבי הלכת שסובבים כוכב (star) מפיץ אור-וחום לו אנחנו קוראים 'השמש' (אפשר גם בלשון נקבה: 'כוכב חמה'). השמש שלנו היא אחת מתוך 100 מיליארד 'שמשות' (stars, כוכבים) המרכיבות את הגלקסיה שלנו: גלקסיית שביל החלב (the milky way galaxy). חייזרים, אם קיימים כאלה, שנמצאים היכן שהוא בגלקסיות שסביבנו יזהו את צורתה הסלילני של הגלקסיה שלנו (spiral form). ישנם גם צורות רבות אחרות ומשונות: טבעות (ring galaxy), עדשות (lenticular galaxy), ועוד.. אך קודם נשאל: 'מהי גלקסיה?'..

'גלקסיה' זוהי היחידה הבסיסית המרכיבה קבוצה עצומה של כוכבים סמוכים (הכל יחסי..) שמרכיבים את היקום כולו. כל הגלקסיות מתרחקות אחת מהשנייה ומתפשטות כתוצאה מהתפוצצות אדירה שקרתה בראשית הולדת היקום. העובדה שהגלקסיות מתרחקות אחת מהשנייה ידועה לנו מהתבוננות בספקטרום-האור המגיע מגלקסיות רחוקות. ספקטרום האור עובר 'הסטה לאדום' (shift toward red), וממנו ניתן להסיק שישנה התרחקות בין הגופים. על כך עוד נדבר בהמשך.

ההתאמה הטובה (close correlation) בין מידת ה'הסטה לאדום' והמרחק בין הגלקסיות כיום, מלמד שלפני 15 מיליארד שנים (15,000,000,000שנים) כל הגלקסיות היו ככל הנראה בנקודה אחת. התהליך הקטסטרופי הזה, שהביא להתפוצצות והתפשטות החומר לכל הכיוונים השאיר טביעת אצבע בתור 'אור רקע' עמום שניתן לצפות בו כיום בטלסקופים. האור, 'זוהָר הרקע' ('dull glow') הזה, הוא שריד לאור בוהק מאוד שהבזיק כאשר החומר שנותר לאחר ההתפוצצות התקרר מתחת לטמפרטורה בה אלקטרונים יכולים להיתפס במסלולים סביב גרעיני אטומי מימן והליום (תזכורת: מימן והליום הם היסודות הקלים ביותר ביקום: למימן Hydrogen יש פרוטון אחד בלבד, בעוד שלהליום Helium ישנם 2 פרוטונים).      

הסביבה של כדור הארץ מתאימה בדיוק לדרישות הביולוגיות והסביבתיות לקיום חיים. התנאים בכדור הארץ אכן מיוחדים מאוד. היקום שסביבנו עצום ומכיל כמות עצומה ובלתי נתפסת של כוכבי לכת. אפשר להניח שהיכן שהוא, רחוק מאוד מאיתנו כנראה, מסתתר לו כוכב לכת דומה שמסוגל לקיים חיים עליו. הוא עדיין לא נמצא על כל פנים..

מבוא:

מדוע אנחנו חיים דווקא בכדור הארץ ולא בכוכב אחר? האם ניתן למצוא יצורים כמונו במקומות אחרים ביקום? אכן שאלות קשות!

כבר אלפי שנים חוקרים ומלומדים שואלים את עצמם את השאלות הללו, אך תשובה חד משמעית חיובית לגבי קיומם של יצורים בכוכבי לכת אחרים לא נמצאה עד כה. במהלך הזמן, תובנות חדשות שחשבנו שהצלחנו לגלות ולהסביר במלואם, נשללות לא פעם על ידי מחקרים חדשים, ושאלות חדשות צצות כל הזמן. כך פועל המדע.  אנחנו עדיין לא יודעים להגיד בבירור אם קיימים יצורים בכוכבי לכת אחרים ביקום. על השאלה כיצד אנחנו מסוגלים לחיות בתנאים הנוחים של כדור הארץ דווקא, אנחנו דווקא כן יכולים לענות ולהסביר את המנגנונים הסביבתיים והביולוגיים השונים שמאפשרים חיים על הכדור הכחול. 2 גישות לעניין קיום חיים על פני כוכב-לכת באות בחשבון: האחת היא גיאולוגית והשניה היא ביולוגית. ספר זה ייתמקד בהיבט הגיאולוגי-הסביבתי. כלומר: מהם התנאים הסביבתיים בכדור הארץ המאפשרים, דווקא עליו, קיום חיים.

בכדי להעריך מה הסיכוי לקיום של חיים על פני כוכבי לכת אחרים, אנחנו צריכים קודם כל לנסות ולהבין כמה כוכבי לכת או ירחים קיימים ביקום.עדיין קשה למדע לענות על שאלה זו. כוכבי לכת אינם זרחים ומאירים כמו הכוכבים (stars) בשמיים. בדומה לכדור הארץ, כוכבי הלכת סובבים סביב "שמשות" כמו השמש שלנו. כיוון שאינם מאירים, איננו מסוגלים כמעט ולהבחין בהם. אמנם המכשור האסטרונומי-המדעי עשה קפיצת מדרגה בעשרות השנים האחרנות – אך אף על פי כן, קשה עדיין למדע להעריך בכמה כוכבי לכת מדובר. היקום הוא עצום. היקום מתפשט. היקום הוא אינסופי.

כוכבי הלכת היחידים, עליהם יש לנו מדידות ברורות יחסית הם כוכבי-הלכת במערכת השמש שלנו. בואו ולא נלקח בחשבון את הכוכבים אשר קוטרם קטן מ-100ק"מ. אלו עצמים קטנים מידי ובוודאי שאינם מסוגלים לקיים חיים עליהם. יש לנו 8 כוכבי לכת במערכת השמש: כוכב חמה (mercury), נוגה (venus), כדור הארץ (עליו מתקיימים חיים כמובן..), מאדים (mars), צדק (jupiter), שבתאי (saturn), אורנוס (בעברית:אורון) ונפטון (בעברית:רהב). נוסיף להם את ה-40 הירחים (העצמים אשר המקיפים חלק מכוכבי הלכת). אם ניקח בחשבון את העובדה שהשמש שלנו מכילה כמות של 8 כוכבי לכת ו-40 ירחים, הרי שסביר להניח שגם הכוכבים בשמיים מכילים כוכבי לכת הסובבים סביבם. אם כך, כמות כוכבי הלכת היא עצומה בסביבות 10 בחזקת 20. 

חשבו על קבוצת כוכבים של 100 מיליארד כוכבים. עכשיו קחו את הקבוצה הזו וצרו ממנה מיליארד קבוצות. זהו כמובן מספר עצום של כוכבים.

לפני שאנחנו קופצים למסקנות, בואו נניח שקיים רק סיכוי קטן ביותר שאחד מכוכבי הלכת ביקום אכן דומה בצורה מפליאה לכדור הארץ. נניח שהסיכוי הוא רק אחד ל21^10 כוכבים. במקרה זה קיים רק סיכוי של 1/10 שכוכב לכת דומה לכדור הארץ קיים ברחבי היקום. בפרקים הבאים נראה כי קיומם של התנאים בכדור הארץ אינם כה בלתי סבירים עבור כוכב-לכת לקיים. קיימים בוודאי, ברחבי היקום, כוכבי לכת נוספים, להם אותם תנאים ודרישות-קדם לקיומם של חיים.          

תאוריית המפץ הגדול 'The Big Bang Theory'

אסטרונומים טוענים שהיקום החל לפני 15 מיליארד שנים עם התפוצצות המכונה "המפץ הגדול". כל החומר היה מרוכז בנקודה אחת, וכתוצאה מפיצוץ החומר החל להתפשט במרחב. החומר עודנו ממשיך להתפשט במרחב. היקום מתרחב.

המדע העוסק בחקר החלל נקרא: "קוסמולוגיה". מה קרה לפני המפץ הגדול? זוהי כבר שאלה לפילוסופים. אין לנו עדות מה היה לפני אירוע המפץ הגדול.

פרק 2: חומרי הגלם לבניית היקום: היצירה של היסודות בגלעיני השמשות

בראשית ההתפוצצות שהביאה ליצירת היקום שלנו, נוצרו רק 2 יסודות כימיים: מימן Hydrogen והליום Helium. תשעים  היסודות האחרים בטבלה המחזורית נוצרו בשלב מאוחר יותר, בתוך גלעיני כוכבים עצומי-מימדים להם אנחנו קוראים: 'ענקים אדומים' (red giants). כוכבים מסיביים אלה, בוערים ו"שורפים" במהירות את ה'דלק הגרעיני' שלהם ולאחר מכן מתפוצצים ומפזרים את היסודות הכבדים שנוצרו בהם בעת תהליך הבעירה הפנימי. כך הגיעו לרחבי היקום 90 היסודות האחרים. תהליך זה של התפוצצות ענקים אדומים: סופר-נובה super-nova ממשיך להתקיים גם כיום. התדירות שבה תהליך ההתפוצצות קורה, היא אחת לגלקסיה לכל מאה שנים.    

העדות שתומכת בתצפית זו  טבועה בנפיצות היחסית (relative abundance) של היסודות המרכיבים את הגלקסיה שלנו. לדוגמא: הריכוז הגבוה של ברזל (Iron. מסומל Fe בטבלה המחזורית) לעומת היסודות שקרובים לו בטבלה המחזורית (היינו: עם מספר פרטונים דומה אחד לשני). הברזל הוא תוצר הקצה (ultimate product) של התכה גרעינית בליבם של כוכבים גדולים. היסודות שזה עתה נוצרו מופיעים בתצורי ההתפוצצות של סופר-נובה (supernova debris). על כך יכולים להעיד הקווים הספקטרליים של היסוד טכניום (Technetium) באור המגיע מנבולות (nebula) שנוצרות עקב התפוצצות זו. כיוון שכל האיזוטופים של טכניום הינם רדיואקטיביים, הרי שטכניום יכול להימצא רק ב"חומר טרי" (fresh matter) בתוך ה"תנור הגרעיני" (nuclear furnace) הזה.

כבר בשנת 1054, אסטרונומים סיניים הצליחו להבחין בהתפוצצות סופר-נובה. ענק האבק (debris cloud) של התפוצצות זו ידוע בכינויו: Crab Nebula ('נבולת הסרטן'). במהלך ההיסטוריה של הגלקסיה שלנו, קצב היצירה והפירוק (demise) של כ-100 מיליון (!) ענקים אדומים תרמו לכך שכ1% מהמימן (hydrogen) וההליום (helium) הפכו בעקבות תהליך ההתכה שצוין לעיל, ליסודות כבדים יותר. מתוך 1% זה, נכללים גם המרכיבים הדרושים לבניית כוכבי-לכת כמו זה של כדור הארץ שלנו.

מבוא:

על פי סטנדרטים קוסמיים, כדור הארץ שלנו וכוכבי הלכת דומי-ארץ (אלו שקרובים יותר לשמש: כוכב חמה, נוגה, כדור הארץ ומאדים) הם 'חיה תועה' מבחינה כימית (chemical maverick). הם מורכבים בעקרון מ-4 יסודות עיקריים: ברזל, מגנזיום, סיליקון וחמצן. יחד עם זאת, ישנם גם כוכבים אשר מורכבים רק הליום ומימן (השמש sun למשל). כאשר מסתכלים על ההרכב הכימי הכולל של היקום, רובו מורכב ממימן ומהליום. שאר היסודות מרכיבים פחות מ-1% ממנו.

אחד מדרישות הקדם לכך שכוכב-לכת יוכל לקיים חיים עליו הוא שיהיו לו פני שטח מוצקים (solid surface). כוכבים אשר מורכבים ממימן והליום לא יכולים למלא אחר דרישת קדם זו. אנחנו צריכים להבין, לפיכך, כיצד נוצרו יסודות הכבדים יותר ממימן והליום וגם להבין כיצד יסודות אלו הופרדו מעננת הגז הכוללת (bulk gas) והגיעו לכובי הלכת הסלעיים (כוכבי הלכת הארציים). בפרק זה אנו נתמקד בהיבט הראשון משאלות אלו. בפרק הבא נעסוק בשאלה השנייה.

ההרכב הכימי של השמש

כל הכוכבים (stars) נוצרים על ידי קריסה של עננות-גז בעקבות כוחות המשיכה בינהם (gravitational collapse).  ההרכב הכימי של הכוכב מייצג נאמנה את ההרכב של 'עננת האם' (parent cloud). לכן, אם נוכל למצוא מה הרכבה הכימי של השמש שלנו, הרי שנוכל לדעת מה היה ההרכב הכימי של החומר הגלקטני (galactic matter) ממנו היא נוצרה.

את ההרכב הכימי של הכוכבים, כמו זה של השמש שלנו, המדענים מגלים בעזרת תבנית "קווים שחורים". על ידי ניתוב האור המגיע מכוכבים רחוקים, דרך מנסרה המפרידה את האור לספקטרום רחב של צבעים ניתן לזהות את תבניתו האופיינית של כל כוכב וכובב, והיא זו המעידה על ההרכב הכימי שלו. את התבנית המתקבלת מכוכבים רחוקים צריכים להשוות לספקטרום המתקבל מדגימות סטנדרטיות במעבדה, שיש לנו כמובן שליטה עליהם.  על ידי מעבר אור דרך תערובות-גזים שונות שמהדענים מכינים במעבדה ובדיקת ובחינת הקווים הספקטרליים המקבלים מהם, ניתן להסיק, איפוא, את ההרכב הכימי של כוכבים רחוקים. ההרכב הכימי המתקבל הוא בתמונה של נפיצות יחסית (relative abundance). היינו: כמות אטומים לכמות אטומים השמשים בתור קו-ייחוס (reference point). לרוב האטום בו משתמשים המדענים בתור סטנדרט הוא אטום הסיליקון (מסומל Si בטבלה המחזורית. בעברית שמו: צורן). השכיחות היחסית מבוטאת בתור כמות אטומים לכל מיליון אטומי סיליקון. השכיחות היחסית לרוב מוצגת בגרף כנגד מספר אטומי עולה (הציר האופקי). מספר אטומי (atomic number) הוא כאמור מספר הפרוטונים בכל יסוד ויסוד, והוא זה שקובע את שמו ואת אופיו. הגרף (שאותו ניתן לראות בספר) מוצג בסקלה של חזקת עשר. כלומר, הציר האנכי (השכיחות היחסית) הוא בקפיצות של סדרי גודל (orders of magnitude). לדוגמא: הליום Helium נפיצותו 9^10. בעוד שביסמוט Bismute, אשר מספרו אטומי 83 (כלומר 83 פרוטונים בגרעין האטום) נפיצותו היא 0^10 (כלומר:1). במילים אחרות: יש מיליארד יותר אטומי הליום, מאשר ביסמוט.

מתוך גרף 2-1 (אשר מופיע בספר) ניתן לראות בבירור כי ישנה ירידה הדרגתית בשכיחות היחסית ככל שהמספר האטומי עולה (כלומר: ככל שיסוד נעשה כבד יותר. ישנם 2 אנומליות (anomalies) ברורות: האחד הוא שברזל (מספר אטומי 26), שכיחותו היחסית הייתה אמורה להיות נמוכה יותר, אם היינו מצפים למצוא קו ישר-חלק (אנחנו קוראים לזה: "אנומליה חיובית"). האנומליה השנייה נוגעת ליסודות: בריליום Beryllium ליתיום Lithium ובורון Boron. אותם היינו מצפים למצוא בשכיחות גבוהה יותר, אם היינו מצפים למצוא קו ישר ("אנומליה שלילית").

האנומליה של הברזל (Iron באנגלית או Ferrum בלטינית. לכן מסומל Fe  בטבלה מחזורית) מציבה אותו בשכיחות יחסית גבוהה פי 1000 יותר ממה שהיינו מצפים למצוא על קו ישר חלק (כלומר 3^10, שלושה סדר גודל יותר).

מעבר לשתי האנומליות שצוינו לעיל (זו של הברזל ואלו של הבריליום-ליתיום-בורון), ישנה גם תופעה נוספת: 'שיני מסור' (sawtoothed appearance). יסודות בעלי מספר אי-זוגי של פרוטונים הם לרוב פחות נפוצים מאשר שכניהם הזוגיים, דבר היוצר לנו צורת זיג-זג (ראה גרף 2-1). כפי שנראה בהמשך, 3 'תופעות' אלו בגרף יכולות אולי לרמוז לנו על מקור היסודות שכבדים יותר ממימן Hydrogen ומהליום Helium.

פיסיקאים משערים כי בראשית היקום, בשלב הראשוני של "הפיצוץ הראשוני" (המפץ הגדול. The big bang) הלחצים והטמפרטורות היו כל כך גבוהות ומרוכזות בנקודה אחת כך שנויטרונים ופרוטונים יציבים לא יכלו עדיין להתקיים בה. שניות לאחר מכן, נויטרונים ופרוטונים וקומבינציות בינהם (היינו: היסודות והאיזוטופים השונים שלהם) יכלו כבר להתקיים, וכך אכן קרה. בעבר מדענים חשבו שהיסודות שאנחנו רואים בשמש נוצרו במהלך השעה הראשונה לקיום היקום. אולם, עבודות מחקר נוספות גילו שרק מימן והליום הם אלו שנוצרו בשלב ראשוני של היקום (ובכמויות גדולות כפי שגרף 2-1 מציג). היסודות האחרים, הכבדים יותר (כ-90 במספר), נוצרו מאוחר הרבה יותר (מיליארדי שנים אחר-כך), בליבם של ענקים אדומים (red giants).

המימן וההליום הגזיים שנוצרו במהלך ה"פיצוץ הראשוני" (המפץ הגדול. The big bang) הצטברו (עברו agglomeration) לכדי "עננים ענקיים" (megaclouds). אותם 'עננים ענקיים' הסתדרו, עם הזמן, ויצרו את הצורות הספירליות והאליפטיות שאנחנו רואים בגלקסיות רחוקות. חלק מהגז של הגלקסיות הראשוניות התחלק ל"עננים" קטנים יותר (subclouds)  אשר קרסו עקב כוחות המשיכה שבין החלקיקים לכדי יצירת כוכבים (stars), כמו השמש שלנו.

בעזרת טלסקופים, אסטרונומים מצליחים להבחין בחלל בכמות עצומה של גלקסיות (host of galaxies), כל אחת מהן, כוללת מיליארדים כוכבים זוהרים (twinkling stars). היקום לא סטטי: אסטרונומים מצליחים להבחין, גם כיום, בהולדתם של כוכבים חדשים ובמותם של אלו שהגיע זמנם. על ידי התבוננות ביקום, בכוכבים בספקטרום רחב של גדלים ובשלבים שונים של קיום חיהם, המדעינים הצליחו להסיק וללמוד את ההיסטוריה של 'חייו של כוכב'.

יכול לקום אחד מכם ולהגיד: "כן.. הכל טוב ויפה.. אבל כיצד באמת מדענים כל כך בטוחים בעצמם ויודעים להגיד שאכן יסודות כבדים יותר מהליום Helium נוצרים בליבותיהם של כוכבים?.. הרי אף אחד לא באמת היה שם?". ובכן. זוהי שאלה נכונה. אולם בהמשך הפרק נלמד את מנגנון ההווצרות של יסודות כבדים יותר ממימן ומהליום, מה שהמדענים מכנים: "the stellar synthesis". בדומה לתאוריית המפץ-הגדול (the big band theory), גם תאורית סינתיזת היסודות במרכזם של כוכבים קבילה בבית משפט. 9 מתוך 10 שופטים יסכימו לקבל את ההנחות שידובר עליהם בהמשך הפרק. ננסה לשכנע גם אתכם.

בכדי להבין את אופי כדור הארץ, הכוכב שלנו, אנחנו צריכים להתמקד בעיקר ב-4 יסודות עיקריים: ברזל Fe, מגנזיום Mg, סיליקון Si (הידוע בעברית:צורן), וכן חמצן O. על כך, בין השאר, נעסוק בפרק הקרוב. נתחיל מהבסיס: ללמוד על העקרונות הבסיסיים של האטום ומרכיביו.

הפיסיקה של הגרעין

כל אטום מורכב מגרעין (nucleous) המכיל פרוטונים (protons)  ונויטרונים (neutrons). הפרוטונים הם חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי, בעוד הנויטרונים חסרי מטען חשמלי (הם נייטרליים ומכאן שמם). הפרוטונים והנויטרונים מרכיבים את עיקר המסה של האטום. לתרומתם של האלקטרונים (electrons), החלקיקים בעלי המטען החשמלי השלילי הנעים במסלולים שונים סביב הגרעין, יש השפעה זניחה עד מאוד על המסה הכוללת את האטום.

הגודל (הקוטר) של גרעין האטום הוא 13-^10 סנטימטר בלבד (עשר בחזקת מינוס 13). בתוך גרעין האטום שוכנים להם כאמור הפרוטונים p והנויטרונים n בצפיפות ובסמיכות זה לזה. האלקטרונים e, אשר נעים כאמור במסלולים שונים סביב הגרעין, תופסים יחד היקף כולל של 10-8סנטימטר. זה אומר שהאלקטונים נעים במרחק שהוא 5 סדרי גודל (פי 100,000 יותר) יותר רחוקים מאשר הגרעין. במילים האחרות: גרעין האטום הוא קטן ומרוכז בנקודה אחת זעירה, בעוד שהאלקטונים יוצרים "עננה" גדולה סביבו.

הריאקציות (תגובות) הכימיות הנוגעות לעבודתו של הכימאי עוסקות בשיתוף של אלקטרונים בין 2 או יותר אטומים. כאשר שיתוף אלקטרונים מתבצע בין 2 אטומים או יותר, נוצרים לנו מרכיבים כימיים (chemical compounds), היינו: מולקולות. כאשר אטום מוסר אלטרון לשכנו הוא הופך ליון חיובי (cation קטיון), וכאשר אטום מקבל אלקטרון הוא הופך ליון שלילי (anion אניון). קטיונים ואניונים יוצרים קשרים להם אנחנו קוראים: קשרים יוניים (ionic bonding), כמו לדוגמה יצירת מלח בישול (המינרל הליט Halite), המורכב מקטיון הנתרן +Na ואניון הכלור Cl, אשר יחד יוצרים את התרכובת NaCl. הקשר היוני חלש יותר מקשר קוולנטי (covalent bonding). קשר קוולנטי הוא קשר של שיתוף אלקטרון מסוים בין 2 אטומים. לדוגמא:  המולקולה מתאן CH4 בה הפחמן (Carbon) קשור בקשר קוולנטי ל-4 המימנים (Hydrogen) השכנים שלו. במצב זה הפחמן (הכולל 4 אלקטונים) מקבל 4 אלקטרונים מכל מימן שסביבו ומגיע ל-8 אלקטונים (רמה מלאה). כך גם כל מימן בנפרד: לכל מימן יש אלקטון אחד ובשיתוף עם אלקטרון מסוים בפחמן הוא מגיע ל-2 אלקטונים (רמה מלאה עבור המימן). 2 הצדדים מרוויחים מכך (חשוב לציין שגם בקשר יוני ionic bonding יש רווח ל-2 הצדדים. אם ניקח את הדוגמא של מלח-הבישול NaCl בדוגמא שלעיל,  ונביט בטבלה המחזורית, ניווכח בכך במו עיננו: הנתרן Na, אשר תורם אלקטרון הופך לקטיון +Na [רמה מלאה בדומה לניאון Ne אשר לפניו בטבלה המחזורית ומכיל רמה אלקטרונית מלאה , בעוד שהכלור Cl לוקח את האלקטרון שנתן לו חברו הנתרן, הופך לCl וכך הוא ממלא רמת אקלטרונית מלאה (8 אלקטרונים), בדומה לארגון Ar, השכן שלו בטבלה המחזורית.

ישנם גם קשרים חלשים יותר כמו קשרי ואן-דר-ואלס (van der Waals bonding) וקשרי מימן (hydrogen bond) והם חלשים הרבה יותר. ויקיפדיה תעזור לכם כדי ללמוד קצת על הנושא. אם תרצו לצלול קצת יותר לעומק ולהבין ולפתור תרגילים (יש פתרונות לחלק מהשאלות בסוף הספר.. לא לדאוג) אז ספרי לימוד (כמו זה של עמנואל מנזורולה 'עקרונות הכימיה' או ספרים באנגלית של Peter Atkins), הנמצאים בכל ספריה אוניברסיטאית, יעזרו לכם בכך.

תגובות כימיות שונות (chemical reactions), המערבות שיתוף אקלטרונים בין אטומים (או יונים) שונים ליצירת תרכובות (molecules) שונות נוגעות לעבודתו של הכימאי. הפיסיקאי, לעומת זאת, יתעניין יותר בתהליכים שקורים במרכזו של האטום: בגרעין.

רוב התגובות הכימיות דורשות חום על מנת שייתרחשו (מה שאנחנו מכנים: 'תגובה אנדותרמית' endothermic reaction): על מנת להכין ג'לי, אנחנו צריכים אבקת ג'לי ומים רותחים (או לפחות חמים מאוד.. חבל לקבל כוויה..),  על מנת להבעיר אש אנחנו זקוקים לניצוץ. ישנם דוגמאות רבות נוספות ואני בטוח שגם אתם יכולים לחשוב על כמה. הנקודה היא שגם תהליכים בפנים הגרעין זקוקים לחום על מנת שיקרו. אטומים יכולים לעבור ריאקציות (תגובות) שונות בחום של מאות עד אלפי מעלות. אך בכדי להשיג חום שדרוש ל'היתוך גרעיני' (nuclear fission) זקוקים לחום של 50,000,000 מעלות צלזיוס. לא קל להשיג חום זה. המקומות היחידים ביקום שבהם קיים חום רב כזה, הוא במרכזם של כוכבים (stars) כמו זה של השמש שלנו. בכל כוכב אמור להיות מקור-חום כזה, אחרת הוא לא "יבער" ולא יאיר בשמיים.

על מנת להבין אילו יסודות יכולים להיווצר במרכזם של כוכבים, אנחנו צריכים קודם כל להבין מי מהם היציבים שבהם, ומי מהם אינם יציבים (היינו: 'רדיואקטיביים'). היסודות שאינם יציבים מתפרקים עם הזמן (לכל איזוטופ רדיוגני יש קצב פירוק קבוע ואופייני לו) והופכים ליסודות יציבים (stable elements).  כפי שניתן לראות ב[איור 2-2] ישנם רק יסודות מעטים שהם יציבים ואינם מתפרקים (ריבועים שחורים). השאר: מה שמסומן בלבן, הוא איננו יציב (רדיואקטיבי) או לא יכול כלל להתקיים. ישנם 3 סוגי פירוקים עיקריים: דעיכת ביטא (beta decay), דעיכת אלפא (alpha decay), ו"תפיסת אלקטרון" (electron capture). דוגמאות חזותיות ל-3 מנגנונים אלו מוצגות באיור 2-3.

איור 2-2 מציג את היסודות היציבים השונים (ריבועים שחורים) בדיאגרמה של מספר ניוטרונים (neutron number) כנגד מספר פרוטונים (proton number). להזכירכם: מה שקובע את אופי היסוד ואת שמו הוא מספר הפרטונים שלו (הציר האנכי). ניתן להבחין בכך שעד מספר פרוטונים או מספר נויטרונים 20 (איזובר 40) ישנה חפיפה בין הקו 'מספר פרוטונים+מספר נויטרונים' זהה (קו שחור דק), אך החל מאיזובר-40, ישנה סטיה מקו זה, והיסודות היציבים הקיימים בטבע נוטים שיהיו להם יותר מספר ניוטרונים בגרעין מאשר מספר פרוטונים. הנויטרונים (בעלי מטען חשמלי נייטרלי כזכור), נמצאים ב"עודף" ביסודות כבדים (היינו: יותר מאשר פרטונים) והם משמשים לפיכך בתור "דבק" המחזיק את הגרעין יחד. הם מצליחים, כנראה,  להתגבר על כוחות הדחייה repulsion של הפרוטונים בעלי המטען החשמלי החיובי. גרף 2-2, דרך אגב, לא מציג את כל היסודות הקיימים בטבע.  הציר האנכי מגיע עד מספר אטומי ( atomic number) מספר 80 (היינו עד היסוד 'כספית' Mercury ) ולא מכיל את כל היסודות בטבלה המחזורית.

יצירת היסודות במהלך ה'פיצוץ הגדול' (המפץ הגדול)

בראשית היקום, בזמן המפץ הגדול, כל החומר היה מורכב, ככל הנראה, מנויטרונים (neutrons), חלקיקים זעירים בגודל מזערי  של  10-15*0.3 מטר (עשר בחזקת מינוס 15) ובעלי מסה מזערית של 10-27*1.674ק"ג . הנויטרונים, כשמם כן הם, בעלי מטען חשמלי נייטרלי. כאשר נויטרונים אינם נמצאים באריזה הצפופה של גרעין האטום, אלא חופשיים באוויר, הם עוברים פירוק באופן ספונטני ויוצרים פרוטון ואלקטרון (proton and electron).תזכורת קצרה: הפרוטון הוא חלקיק בעל גודל ומסה דומה לנויטרון, אלא שהוא  בעל מטען חשמלי חיובי. סביב הפרוטון החיובי חג לו אלקטרון (חלקיק זעיר בעל מטען חשמלי שלילי. גודלו ומסתו זניחים בעשרות מונים). כך למשל המקרה של מימן (hydrogen): גרעין המורכב מפרוטון אחד, סביבו חג לו אלקטרון אחד. זמן מחצית החיים של תהליך הדעיכה של נויטרון ל'פרוטון+אלקטרון'  הוא 10 דקות (610שניות). אנחנו מסיקים לפיכך ש- 10 דקות לאחר ה'פיצוץ הגדול' (the big bang) חצי מהחלקיקים ביקום היו נויטרונים וחצי היו פרוטונים אשר נוצרו מהם. בזמן זה, כל החומר היה עדיין מרוכז בתוך אזור צפוף יחסית (למרות שבוודאי חלה כבר התפשטות ראשונית של כל החומר בעקבות הפיצוץ). בתוך אזור צפוף זה, חלו התנגשויות של פרוטונים ושל נויטרונים זה בזה. התנגשות של 2 פרוטונים זה בזה (יחד עם נויטרון אחד או 2 נויטרונים) יוצרים את היסוד הליום Helium (גז).  כדי ליצור יסודות כבדים יותר (כמו ליתיום Lithium המכיל 3 פרוטונים בגרעין) זקוקים להתנגשות, בו זמנית, של 3 פרוטונים זה בזה. מבחינה הסתברותית, פחות סביר שזה יקרה. זו הסיבה שמימן והליום נפוצים כל כך, נפוצים הרבה יותר משאר היסודות. מימן והליום, דרך אגב, הם היסודות הנפוצים ביותר בשמש שלנו (ראו גרף 2-1).

ניקח לדוגמא מצב בו מתנגשים בו זמנית פרוטון ונויטרון עם היסוד הליום-4- Helium . במצב זה נוצר לנו 6Li (ליתיום Litium הוא היסוד השלישי בטבלה המחזורית). איור 2-4 מציג את הרעיון באופן גרפי. תהליך יצירת ליתיום (התנגשות בו זמנית של 4He עם פרוטון וניוטרון) הוא כפי שנאמר, יותר מורכב מבחינה הסתברותית. דמו לעצמכם שולחן סנוקר. התנגשות בין 2 כדורים היא סבירה יותר מאשר התנגשות בו זמנית של 3 כדורים (על אף שמי שמנוסה במשחק לא יהיה לו קשה לפגוע ב-2 כדורים בו זמנית..). ואכן: יסודות הכבדים יותר מהליום-4 (4He) כמעט ולא נוצרו בשלב הראשוני של המפץ הגדול. בסיומו של היום הראשון להולדת היקום, כך אומרים המדענים, היקום היה מורכב רק ממימן ומהליום. יצירה של יסודות כבדים יותר התרחשה מאוחר יותר. היא התרחשה ועודנה מתרחשת במרכזם של כוכבים.

יצירת היסודות בכוכבים

כוכבים (stars) הם גופים חמים. השמש שלנו, לדוגמא, היא כוכב. הכוכבים  הסובבים אותה (כוכב חמה, נוגה, כדור הארץ ומאדים, וכן צדק-שבתאי-אורנוס-נפטון) אינם כוכבים (stars), אלא הם כוכבי-לכת (planets). הם אינם מפיצים אור וחום. בניגוד לזאת, השמש שלנו כן מפיצה אור וחום. החום של השמש מורגש היטב בלהט של יולי-אוגוסט, ומי שמשתזף להנאתו על חוף הים,יוכל להעיד על כך.

אתם בוודאי שואלים את עצמכם: מדוע השמש חמה?. בוא ניקח דוגמא: כאשר רכב נוסע במהירות והנהג לוחץ על דוושת הברקס ועוצר את הרכב, האנרגיה הקשורה בתנועת הרכב עוברת המרה לאנרגיית חום בעקבות החיכוך של מעצור הרכב עם מערכת הגלגלים. כך קורה גם עם השמש שלנו. במהלך 'קריסה' (collapse) של עננת הגז לתוך עצמה (בראשית הולדת השמש שלנו),האנרגיה הקשורה בכוחות משיכה (gravitational energy) עברה המרה לחום. כמות החום הייתה כל כך גדולה כך שבגלעין של ה'שמש הקדמונית' (core of the proto-sun) נוצר חום רב כל כך שהוצתה לה "מדורה גרעינית" (nuclear fire). בכדי שגרעינים (מימן או הליום) יגיבו בינהם, הם צריכים להתנגש זה בזה. כוחות הדחיה החשמליים (electrical repulsion) של הפרוטונים (חיוביים) הם מאוד חזקים ולכן ההתנגשות צריכה לקרות במהירות גבוהה מאוד (high velocity). הדבר משול לזריקת כדור פינג פונג אל עבר מאוורר: כדור הפינג-פונג צריך להזרק במהירות עצומה בכדי שהוא יעבור את כוח-הרוח העצומה של המאוורר (הדולק) ולא ידחה אחורה על ידי הרוח (ויפגע בכם חס וחלילה).

ככל שאטומים חמים יותר, כך הם נעים במהירות גבוהה יותר. כפי שצוין קודם לכן (פרק1), הטמפרטורה היא מדד לתנועה מולקולרית (molecular motion). אלברט איינשטיין, באחד ממחקריו הרבים, העיר את תשומת הלב של הקהילה המדעית לכך ששחרור החום, המלווה עם ההתנגשות של גרעיני אטומים זה בזה, חייב להיות מלווה בהקטנה כלשהי במסת האטומים המתנגשים. הביטו בטבלה המחזורית: להליום He ישנה מסה מולקולרית של 4.0026 גרם. הליום מורכב מ-2 פרוטונים ו-2 נויטרונים. מסתו של הפרוטון היא 10-24*1.673 גרם בעוד שמסתו של הנויטרון היא 10-24*1.675 גרם. הווה אומר שהליום-4 (2 פרוטונים+2נויטרונים) אמור לשקול לפיכך: 10-24*6.695 גרם. המסה המולקולרית בטבלה המחזורית מציין כמה שוקלים כמות של 1023*6.022 אטומים (מספר אבוגדרו). לפיכך, אטום של הליום שוקל בפועל 10-24*6.646 גרם (חלוקה של המשקל המולקולרי [גרם/מול] במספר אבוגדרו [אטומים/מול]). קיבלנו כאן הפרש של זעיר (10-26*4.862גרם), המהווה 0.73% מהמשקל הכולל של אטום ההליום. ההפרש הזה במסה הוא האיבוד בתור אנרגיה החום שנוצרה בעקבות תהליך ההתנגשות (המרה של מסה לאנרגיה). כל אטום הליום שנוצר מהתנגשותם של מימנים זה בזה מלווה בשחרור חום. חום זה, שעדיין נוצר וממשיך להיווצר בשמש שלנו, בוער כבר 4.6 מיליארד שנים וימשיך לבעור למשך שנים רבות נוספות (אין מה לדאוג).

על אף ש"דלק מימני" הוא מקור אנרגיה טוב עבור השמש שלנו ליצירת הליום, אין זה מסביר את היווצרותם של שאר היסודות (כ-90 במספר) הקיימים בטבע. צריך למצוא לשם כך הסבר אחר.

ישנם כוכבים הנקראים "ענקים אדומים" (red giants). כוכבים אלו הם עצומים בגודלם (רדיוס של עשרות עד מאות פעמים מרדיוס השמש)  ומסתם יכולה להגיע למסה פי 8 ממסת השמש שלנו. ה"ענקים האדומים" הם השלב האחרון בחייו של כוכב (star), לאחר שהוא כמעט ומכלה את ה'דלק המימני' שלו. כאשר הדלק המימני כמעט ונגמר, "המדורה הגרעינית" נעשית חלשה יותר (the nuclear fire dims), והכוכב איננו מסוגל יותר להחזיק את עצמו בעקבות כוחות המשיכה המושכים פנימה. הכוכב מתחיל לקרוס (collapse). האנרגיה המשתחררת בעקבות הקריסה, גורמת לפנים הכוכב להתחמם. הטמפרטורה עולה בצורה קיצונית ומגיעה אל עבר הנקודה בה מתחילים אטומי הליום 4He להתנגש בינהם, להתגבר על כוחות הדחיה החשמלית בינהם וליצור יחד אטומי פחמן 12C (לכל אטום הליום 4He יש כזכור 2 פרטונים ו-2 נויטרונים. שלושה אטומי הליום הם לפיכך 6 פרוטונים – כלומר היסוד פחמן Carbon. פחמן-12 מכיל, כמו כל פחמן, שישה פרוטונים (מספר אטומי 6), ומספר הנויטרונים שבו הוא 6=12-6). באופן דומה נוצר לנו גם חמצן: 4 אטומי הליום 4He מתנגשים יחד יוצרים לנו  16O (חמצן Oxygen מכיל 8 פרוטונים. והאיזוטופ חמצן-16 מכיל לפיכך 8=16-8 שמונה נויטרונים).  

בכוכבים גדולים, תהליך זה (של צריכת ה"דלק הגרעיני" שמביאה לקריסה ולהעלאת הטמפרטורה) מתרחש בסדרה, כמה וכמה פעמים. 2 אטומי פחמן 12C (מספר אטומי 6) למשל, יוצרים מגנזיום 24Mg (מספר אטומי 12), וכך הלאה. כפי שניתן לראות באיור 2-5, הכוכב משמאל מציג מצב כמו זה של השמש שלנו: במרכז (בגלעין) הכוכב ישנה "שריפה" (היתוך) של מימן ליצירת הליום, בעוד שבשוליים (מסומן באפור) נמצא המימן שעדיין לא נשרף (unburned hydrogen). הכוכב האמצעי באיור מציג כוכב ש"שורף" את ההליום בגלעין שבו ליצירת פחמן, בעוד שבשוליים יש שכבות של "דלק" הליום שעדיין לא נשרף. סביב שכבות ההליום ישנה שכבה של מימן אשר נמצאת בטמפרטורה של היתוך ליצירת הליום (hydrogen burning) ובמעטפת הכוכב נמצא המימן שלא נשרף (unburned hydrogen). מודל זה, מכנים האסטרו-פיזיקאיים בתור: "מודל הבצל" (הביטו בדוגמא של הכוכב השמאלי באיור 2-5).

השמש שלנו לדוגמא, איננה יכולה ולא תוכל גם בעתיד, ליצור יסודות הכבדים מהליום. זאת משום שהיא קטנה מידי. בעוד מיליארדי שנים מהיום (יש לנו מספיק זמן..), כאשר יאזל הדלק המימני השמש שלנו תתחיל בקריסה (collapse). הקריסה של השמש לתוך עצמה תיצור כוכב מאוד צפוף אשר אט-אט יתקרר עד שהוא יהפוך לאוביקט המפיץ אור מאוד חלש ועמום ('dull glow'). כוכב מסוג זה, אנחנו מכנים: ננס לבן ("white dwarf").

ההיתוך הגרעיני, כפי שצוין קודם לכן,  מאפשר יצירה של יסודות הכבדים מהליום. הכל טוב ויפה, אלא מה? התהליך נפסק ברגע שמגיעים ליסוד ברזל (Fe. מספר אטומי 26 בטבלה המחזורית).  מדוע? כיוון שכדי ליצור יסודות כבדים יותר צריך להוסיף חום למערכת. מתברר, שהמסה הכוללת של גרעין  אטום ברזל היא גדולה יותר מסך החלקיקים (נויטרונים ופרוטונים) שמרכיבים אותה. כדי שיווצרו יסודות כבדים יותר מברזל צריך להתרחש בוודאי תהליך אחר.  בכך נעסוק מיד. דבר נוסף:  הביטו שוב באיור 2-1 ושימו לב לנפיצות (abundance, שכיחות) הגבוהה של הברזל ביחס ליסודות השכנים לו בטבלה המחזורית. חשבו: מדוע ברזל נפוץ כל כך ביחס ליסודות השכנים לו? התשובה תגיע, גם כן, בהמשך הספר.

לסיכומו של עניין: כוכבים (stars) יכולים ליצור רק יסודות בטווח של הליום עד ברזל (מספר אטומי 2 עד מספר אטומי 26). בתוך טווח זה מצויים היסודות: חמצן Oxygen (מספר אטומי 8), מגנזיום Magnesium (מספר אטומי 12), וסיליקון Silicon (מספר אטומי 14). יסודות אלו (חמצן-מגנזיום-צורן-ברזל) הם המרכיבים העיקריים בכוכבי לכת כמו זה של כדור הארץ. אנחנו נתמקד בהם בפרקים הבאים.

יצירת יסודות על ידי 'תפיסת אלקטרון' Electron Capture

בניגוד לכוכבים "קטנים" (הכל יחסי) אשר חווים "מוות שקט", כוכבים גדולים (עצומים) חווים "מוות אלים" ("violent death"). כאשר ה"דלק הגרעיני" בליבת הגלעין שלהם אוזל, הם חווים קריסה אלימה וקטסטרופלית. הקריסה שלהם (בניגוד להחילשות הדרגתית בכוכבים "קטנים"), מלווה בפיצוץ אדיר. האסטרונומים קוראים לתופעה זו: סופר-נובה (super-nova).

תגובות גרעיניות (nuclear reactions) במהלך סופר-נובה הם אלו שיוצרים יסודות הכבדים יותר מברזל.

קודם כל ננסה להבין מהו תהליך "תפיסת אלקטרון" (electron capture). תהליך זה קורה גם בטמפרטורה מתונה (היינו: טמפרטורת החדר: 25 מעלות צלזיוס. או 298 מעלות קלווין). כיוון שהנויטרון איננו מכיל מטען חשמלי הוא איננו נדחה על ידי פרוטונים. בין פרוטונים (בעלי מטען חשמלי חיובי) יש כמובן כוחות דחייה חשמליים (חשבו על החזקת 2 מגנטים וקירוב הקצוות בעלי הכיווניות המגנטית הזהה אחד לשני. אתם בוודאי מכירים את הרגשת הדחייה בינהם). נויטרון יכול, לפיכך, "להיכנס" לגרעין האטום ללא קשר למהירות תנועתו והתנגשותו בגרעין.            

במהלך התפוצצותו של "ענק אדום" (red giant) קורות תגובות גרעיניות רבות אשר יוצרות ומשחררות נויטרונים חופשיים (free neutrons). במהלך שהותם בליבה של כוכב הם אינם מספיקים להתפרק ל'פרוטון+אלקטרון' (תהליך דעיכה שצוין לעיל, אשר לו זמן מחצית חיים של 10 דקות), והם עוברים אינטרקציות גרעיניות ליצירה (סינתיזה) של יסודות כבדים ממימן ומהליום עד ליצירת ברזל (מסומל Fe בטבלה המחזורית. על שם ferrum: 'ברזל' בלטינית) כפי שצוין קודם לכן. במהלך הפיצוץ של ה"ענק האדום" (red giant) התנגשות של הנויטרונים החופשיים בגרעין הברזל שנוצר גורמת להגדלת מסתו (כזכור נויטרונים אינם משפיעים על אופי היסוד, כיוון שמה שקובע הוא מספר הפרוטונים שבו:26 פרוטנים במקרה של הברזל). צריך לזכור שהתנגשויות של נויטרונים בגרעין הברזל במהלך פיצוץ "ענק אדום", היא מהירה מאוד (תארו במוחכם מכונת-יריה machine gun).  בשלב מסוים הברזל יגיע ל"סף הרוויה" שלו (saturation level), ולא יוכל לקלוט נויטרונים נוספים. בנקודה זו, הברזל פולט אלקטרון (תהליך דעיכה רדיואקטיבי הקורה מעצמו באופן ספונטני), ותוצר לוואי של תהליך זה הוא הפיכת הנויטרון לפרוטון (אותו מנגנון שצוין לעיל, אשר לו זמן מחצית חיים של 610 שניות, או 10 דקות). נוצר לנו יסוד כבד יותר מברזל! השכן של Fe בטבלה המחזורית הוא Co (קובלט Cobalt), עם מספר אטומי 27. אותו קובלט יכול לעבור תהליך זהה של "ספיגת נויטרונים" עד לשלב הרוויה ולהפוך לניקל Ni (מספר אטומי 28), וזאת כתוצאה מהדעיכה הספונטנית של נויטרון לפרוטון.

התהליך ההדרגתי הזה של "ספיגת נויטרונים" במהלך פיצוץ "ענקים אדומים" ('סופר-נובה') הוא זה היוצר לנו יסודות כבדים מברזל.  

קיימים 2 תהליכים ביצירה של יסודות על ידי "ספיגת נויטרונים" (neutron irradiation): האחד הוא תהליך איטי (slow process), והשני הוא תהליך מהיר (rapid process). בספרות המקצועית, התהליכים הללו מכונים: s-process ו-r-process בהתאמה.

התהליך האיטי (s-process) מתרחש בצורה איטית ומבוקרת: פגיעה של נויטרונים באטומי ברזל וביסודות כבדים יותר. לגרעיני היסודות (nuclides) שנוצרים יש "מספיק זמן לנשום" בין פגיעה נויטרון לפגיעה נוספת והם מגיעים להתייצבות תוך דעיכת ביטא (הפיכת נויטרון לפרוטון: המספר האטומי עולה), כמו בדוגמה של הפיכת ברזל (Fe) לקובלט (Co) בדוגמה שצוינה לעיל. התהליך הזה מסוגל ליצור יסודות עד למספר אטומי 83: היסוד ביסמוט (Bismuth), המסומל Bi בטבלה המחזורית. ביסמוט-209 (209Bi,מכיל 83 פרוטונים ו-126 נויטרונים) הוא היסוד היציב האחרון בטבלה המחזורית.  כל היסודות הכבדים יותר ממנו, הם בהכרח רדיואקטיביים (היינו: מתפרקים עם הזמן ליצירת יסודות יציבים אחרים).

התהליך המהיר (r-process) מתרחש במהלך פיצוץ סופר-נובה (supernova explosion): התנגשות מהירה של נויטרונים באטומי ברזל וביסודות כבדים יותר. לגרעיני היסודות "אין מספיק זמן לנשום" בין פגיעות הנויטרונים כיוון שהוא "מופצץ" בכמות נויטרונים אדירה. תהליך הדעיכה (radiodecay) מתרחש רק כאשר היסוד לא יכול לספוג יותר נויטרונים (כלומר: כאשר הוא מגיע לסף הרוויה שלו). התהליך המהיר (r-process) יכול ליצור יסודות הכבדים יותר מביסמוט 209Bi.  

התהליך האיטי (s-process) מתרחש בצורה מבוקרת בעוד שהתהליך המהיר (r-process) מתרחש בצורה מהירה ולא מובקרת. הדבר משול לתהליך מבוקר בכור גרעיני (nuclear reactor) ובפצצה גרעינית (atomic bomb), בהתאמה.

איור 2-6 מציג את היסודות שנוצרים בתהליך המהיר והאיטי (slow and rapid processes). מספר הפרוטונים (המספר האטומי) מופיע בציר האנכי, ומספר הנויטרונים בציר האופקי. היסוד האחרון שיכול להתקבל בתהליך האיטי (s-process) הוא היסוד ביסמוט ('מספר פרוטונים+מספר נויטרונים' N+P, היינו מספר מסה: 209). שימו לב לכך שבתהליך המהיר r-process (מסומן באיור 2-6 כפס שחוצים אותו קווים דקים באלכסון), ישנם 'קפיצות' ברורות במספרי נויטרונים  82, 126 ו-184. אלו הם "מספרי קסם" (magic numbers). הם מספרי "קסם" בכך שהם יוצרים יסודות בעלי יציבות יוצאת מגדר הרגיל.

איור 2-7 ואיור 2-8 מציגים, בהתאמה, בצורה חזותית את אשר קורה בתהליך המהיר (r-process) ובתהליך האיטי (s-process).

התהליך המהיר rapid-process (איור 2-7)  קורה במהלך פיצוץ 'ענק אדום' (תופעת 'סופר-נובה', super-nova) אשר בעקבותיה ישנה 'הפגזה' (bombardment) מסיבית של נויטרונים. מספר הנויטרונים בגרעין האטום עולה (חיצים עבים ימינה). התהליך של "ספיגת נויטרונים" קורה, עד אשר הגרעין איננו יכול לספוג יותר אלקטרונים (מגיע לסף הרוויה שלו). בשלב זה הגרעין עובר דעיכת ביטא (beta decay, אשר בעקבותיה נויטרון הופך לפרוטון. היינו: המספר האטומי עולה). שלב זה מסומן בחיצים דקים שמאלה-למעלה. הדעיכה ממשיכה עד אשר נוצר לנו יסוד יציב (מסומן בריבוע ריק). שימו לב שהריבועים השחורים מייצגים לנו יסודות שלא נוצרים בתהליך r-process אלא בתהליך אחר (תהליך s-process או תהליך "הפגזת פרוטונים" proton bombardment).   

התהליך האיטי slow-process (איור 2-8) קורה בצורה איטית ומבוקרת: יסודות יציבים (מסומנים בריבועים ריקים עם מסגרת מלאה) עוברים "תפיסת נויטרון" (neutron capture), והיסוד נעשה כבד יותר (חיצים ימינה). ברגע שנוצר יסוד שאיננו יציב (ריבועים ריקים עם מסגרת מקוקוות) הוא עובר דיעכת ביטא (beta decay. היינו הפיכת נויטרון לפרוטון) ברגע שהתהליך האיטי (s-process) נפסק. תהליך זה מסומן בחץ שמאלה למעלה. אותו יסוד לא יציב יכול גם לעבור "תפיסת אלקטרון" (electron capture) במהלך "התהליך האיטי" (s-process). תהליך זה מסומן בחץ ימינה למטה. שימו לב שהיסודות שמסומנים במסגרת שחורה לא נוצרו במסגרת התהליך האיטי s-process אלא בתהליך אחר.

עדויות תומכות לתאוריית ה -stellar hypothesis

האם עלינו להאמין לאסטרו-פיזיקאים אשר טוענים שכל היסודות ביקום נוצרו על ידי "שריפה גרעינית" ו"פיצוצים קטסטרופליים" ? (nuclear fires and catastrophic explosions). האם הם רק השערות או שמא יש מאחוריהם ביסוס מדעי ? הרי אף אחד לא באמת נכנס לתוך ליבו של כוכב ובדק מה קורה שם. ואכן, אין לנו מדידות ישירות של התהליכים הגרעיניים הקורים בליבותיהם של כוכבים. המדענים, האסטרו-פיזיקאיים, מסתמכים על מדידות עקיפות (indirect measurements).  

מקור האנרגיה היחיד שניתן לחשוב עליו שמאפשר לכוכבים לבעור הוא היתוך גרעיני (nuclear fusion). הכוכבים (כמו השמש שלנו) זוהרים ובוערים בשמיים. בכך אין ספק. הטמפרטורה והלחצים העצומים בפנים הכוכב מאפשרים לו ליצור יסודות כבדים מאבני הבניין הבסיסיים: מימן (hydrogen) והליום (helium).

פיצוצים של כוכבים גדולים אכן נראו בשמיים בעבר. זו לא תאוריה. שימו לב לתמונה באיור 2-9 (סופר-נובה ביוני 1959 ותמונה נוספת שלה במאי 1972).

עדות נוספת לתאוריית ההיתוך הגרעיני בליבות הכוכבים (stellar hypothesis) נוגעת ליסוד טכנטיום Technetium (מספר אטומי 43 בטבלה המחזורית). יסוד זה לא קיים בכדור הארץ.  הוא גם איננו קיים בשמש, כפי שהתבנית הספטקרלית של אור השמש מראה. הסיבה היא, מכיוון שטכנטיום איננו יציב. אולם, הקווים השחורים (dark lines) האופייניים ליסוד זה מופיעים במקום אחר: הם מופיעים בספקטרום של השאריות (remnants) שנותרות לאחר התפוצצות סופר-נובה. לטכנטיום (Tc) יש 2 איזוטופים: 97Tc ו-98Tc. ל-2 האיזוטופים יש זמני מחציות-חיים ארוכים יחסית (היינו: קצב הפירוק שלהם איטי יחסית): 2.6×106years  ו-4.2×106years בהתאמה. איזוטופים אלו אמורים להישאר מיליוני שנים לאחר יצירתם בסופר-נובה (פיצוץ של "ענקים אדומים"), והם היו אמורים כבר להעלם במהלך 4.5 מיליאד השנים בהם קיימת מערכת השמש שלנו (4.5×109years). אם כן, נוכחותם בערפילית (nebula) שנוצרת לאחר התפוצצות (סופר-נובה super nova) מלמדת ומחזקת את ההשערה שיסודות (elements) שונים אכן נוצרים, וממשיכים להיווצר, בענקים אדומים (red giants).

עדות רביעית קשורה בשכיחותם היחסית של יסודות שונים בשמש. אסטרו-פיסיקאים ביצעו חישובים מורכבים בכדי להסיק מהם היסודות הנוצרים ב"ענקים אדומים" (red giants). איור 2-10 מציג את השכיחות של היסודות השונים כנגד מספר מסה עולה (סכום הפרוטונים והנויטרונים בגרעין האטום). איור זה דומה לאיור 2-1, אך הוא מציג מאפיינים נוספים.

שימו לב לנפיצות (abundance שכיחות) הגבוהה של הברזל (מספר מסה 56) ביחס לשכניו. אין זה מפליא כי הברזל הוא יסוד נפוץ כל כך ביחס לשכניו. כוכבים אשר מכילים בליבתם את היסוד ברזל (תוצר ההיתוך הסופי אותו יכולים כוכבים ליצור) יתפוצצו בסופו של דבר (כאשר "הדלק הגרעיני" שבליבתם ייאזל), ויעיפו את תוצרי ההתכה (ברזל 56Fe ויסודות נוספים) לכל עבר.   

עד יסוד פחמן 12C ישנו באיור 2-10 "עמק", הממחיש לנו שיסודות עם מספר מסה 6 עד 11 נפוצים הרבה פחות מהיסודות הכבדים יותר. אלו הם היסודת ליתיום, בריליום ובורון: 6Li, 7Li, 9Be, 10B, 11B. שימו לב שיסוד עם מספר מסה 5 ומספר מסה 8 אינם קיימים ולא יכולים להתקיים, משום שאבני הבניין שלהם (1H, 2H, 3H, 3He, 4He)  אינם בנמצא [//לוודא//]. היסודות עם מספרי המסה 6-11 הם מאוד "דליקים" ב"תנור הגרעיני" (highly flammable in nuclear furnaces) ולכן הם כמעט ולא נמצאים בתוצרי ההתפוצצות של סופר-נובה.

תופעה נוספת שניתן ללמוד מאיור 2-10 (אשר מופיע בספר ולא כאן..) הוא השכיחות הגבוהה של יסודות בעלי מספר מסה שמתחלק ב-4 אשר נפיצותם גבוהה יותר משכניהם. דבר זה יוצר לנו זיג-זג, כמו "שיני מסור": הסתכלו על השכיחות הגבוהה של היסודות: 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar, 40Ca. מדוע לדעתכם יסודות אלו נפוצים יותר? מה מזכיר לכם הספרה 4? התשובה כמובן נעוצה באבן הבניין שממנו נוצרו היסודות: הליום 4He כמובן.

פרק 3: איך כוכב נולד? על יצירת כוכבי הלכת.

השמש שלנו נוצרה מעננת גז ואבק אשר שהו ככל הנראה במשך מיליארדי שנים, היכן שהוא בקצה  גלקסיית-שביל-החלב שלנו (באחת מה"זרועות" של הגלקסיה שלנו), עד שלבסוף נכנעו לכוחות המשיכה וקרסו והצטברו לנקודה אחת מרכזית והביאו ליצירת השמש הקדמונית (Proto-Sun). שאר החומר הצטבר בצורת דיסקה (nebular disk) סביב השמש הקדמונית. עם הזמן, בעקבות כוחות משיכה-פנימיים, בין קבוצות מאסיביות של חלקיקים לבין עצמם, נוצרו כוכבי-לכת (planets), ירחים (moons) אסטרואידים (asteroids) וכוכבי שביט (comets).

ההרכב הכימי של השמש כיום מאוד דומה להרכב שהיה קיים בעננת הגז לפני כ-15 מיליארד שנים: מימן (Hydrogen), והליום (Helium) המרכיבים את הרוב המוחלט (99%), בעוד ששאר היסודות (90 במספר) מרכיבים את ה-1% הנותרים.        

ההרכב הכימי של כוכבי הלכת, הירחים, האסטרואידים וכוכבי השביט שונה באופן מובהק מזה של השמש (הם מכילים יסודות נוספים מלבד מימן והליום). ההבדל הכימי נובע בעקבות תהליך הפרדה (chemical separation) משמעותי שעבר על החומר במערכת השמש לפני מיליארדי שנים (התאריך המדויק לא ידוע למדענים בבירור). היסודות שהרכיבו חומרים גבישיים-מוצקים  באבק (כמו גם גבישי קרח) נשארו עמידים במקומם ותרמו לבניה של כוכבי הלכת, בעוד שהיסודות הקלים, 'נטו לברוח' עם ה'רוח הסולרית' (החלקיקים שהשמש מפיצה לכל עבר) ולהתרחק ממערכת השמש אל מחוזות רחוקים.

במחוזות הקרובים למרכז הדיסקה שממנה נוצרה אחר-כך מערכת השמש, נותרו להם רק היסודות העמידים ביותר (הכי פחות נדיפים the least volatile chemical compounds), אלו שהיו במצב צבירה מוצק (solid form), בעוד שהיסודות הנדיפים (volatile) 'ברחו' להם אל עבר מחוזות רחוקים מהשמש.  כיוון שבאותם מחוזות רחוקים מהשמש שורר קור-עז, כל היסודות (למעט מימן והליום) היו במצב צבירה מוצק כך שנותרו לנו שם גם היסודות הנדיפים (volatile elements) וגם היסודות היציבים (refractory elemets). לפיכך, כוכבי שביט (comets) וכוכבי הלכת הרחוקים מהשמש (צדק, שבתאי, אורנוס, נפטון) הרחוקים מהשמש, שונים מהותית מבחינת הרכב-כימי לאלו של כוכבי הלכת הקרובים לשמש (כוכב חמה, נוגה, כדור הארץ ומאדים) ולאסטרואידים הקרובים להם. על כך נעסוק בין השאר, בפרק הבא.

מבוא

אין ספק בכך שכדור הארץ וכוכבי הלכת השכנים לו נוצרו יחד עם השמש או קצת אחריה (as a by-product). אולם, המכניזמים (המנגנונים) שגרמו ליצירת כוכבי הלכת השונים עדיין נשארה בגדר תעלומה (זה קרה הרי לפני מיליארדים שנים.. 5.6מיליארד שנים ליתר דיוק.. ואף אחד לא היה שם כדי לתעד את התהליך..).

בואו נסכם, מה אנחנו כן יודעים, על סמך תצפיות ברורות:

  1. אנחנו כן יודעים במדויק את המסלול (orbit), נפח (volume), מסה (mass) של כל אחד מ-9 כוכבי הלכת (כוכב חמה mercury, נוגה venus, כדור הארץ, מאדים mars, צדק jupiter, שבתאי saturn,אורון uranus, רהב neptun).
  2. תצפיות אסטרונומיום ומדידות כימיות שונות שנעשו (ונעשים כל הזמן) על ידי מכשירים הנשלחים לחלל.
  3. מדידות כימיות ישירות שנעשות על סלעים, כאן, בכדור הארץ.
  4. ההרכב הכימי של מטאורטיטים, העושים דרכם מהחלל ונוחתים בכדור הארץ.

מאפיינים של מערכת השמש

כל 9 כוכבי הלכת סובבים סביב השמש במישור זהה: 'מישור המילקה' (ecliptic plane). מישור זה חוצה את קו המשווה (equator) של השמש.כל כוכבי הלכת מקיפים את השמש באותו כיוון, כיוון הזהה לכיוון תנועתה של השמש סביב צירה העצמי. תצפיות אלו, הולידו במוחם של האסטרונומים את ההשערה (hypothesis) שהשמש נוצרה מעננת גז שהייתה כבר בתנועה סיבובית ראשונית.

פרק 4: ציר הזמן: על זמן יצירת חומר הגלם ביקום ובניית גלעיני הכוכבים

רוב האטומים בטבע הם יציבים, אך ישנם גם סוגים אשר אינם יציבים ומתפרקים עם הזמן, להם אנחנו קוראים אטומים רדיואקטיביים (radioactive atoms). כמה סוגים שלהם, כמו אשלגן40, ברחו מפנים הגלקסיה (stellar interior) אל עבר רחבי הגלקסיה, בעקבות התפוצצות סופר-נובה (Super-nova). לאטומים רדיואקטיביים יש חשיבות מיוחדת בכך שהם מאפשרים לגיאו-כימאים לתארך כיום את הזמן שבו מאורע ההתפוצצות הזה קרה.   

על ידי בחינה והשוואה בין נפיצותם (abundance) של זוגות איזוטופים ארוכי-חיים (יציבים) כיום לבין הנפיצות התיאורטית שהייתה מקבלת בליבותיהם של ענקים אדומים, ניתן לקבל מושג לגבי זמן יצירת של היסודות. אם התדירות שבה מתרחשות סופר-נובה (פיצוץ של כוכב מסיבי ושחרור לחלל של היסודות שנוצרו בו) היא קבועה פחות או יותר ונשארה כך עם הזמן (פיצוץ 1 לגלקסיה לכל 100 שנים) הרי שאנחנו יכולים להסיק כי ראשית הגלקסיה שלנו (גלקסיית שביל-החלב the milky way galaxy) החלה לפני כ-14 מיליארד שנים. תוצאה זו מתיישבת היטב עם הגיל הידוע לנו מתוך תצפיות קצב התרחקותם של גלקסיות, מה שידוע בתור 'הסחה לאדום' (red shift). על כך עוד ידובר בהמשך הפרק.

כל הסלעים שנוצרו בעומק כדור הארץ (סלעי יסוד, סלעים מגמטיים) ניתנים לתיארוך וקביעת הגיל בהם הם התגבשו. זאת מכיוון שהם מכילים איזוטופים רדיואקטיבים המשמשים בתור "שעונים" לתיארוך. על ידי מדידת הריכוז של האיזוטופ הרדיואקטיבי הדועך (parent isotope "איזוטופ-אם") ומדידת תוצר הדעיכה (האיזוטופ הרדיוגני שנוצר. נקרא גם "איזוטופ הבת" daughter isotope), הגיאולוגים יכולים לקבוע במדיוק מתי סלעים מגמטיים (כאלו שנוצרו מהתגבשות מגמה) נוצרו, בין אם זה בעומק כדור הארץ (סלעים פלוטוניים. על שם 'פלוטו', אל המעמקים הרומאי), או על פני השטח בהתבגשות מהירה (סלעים וולקניים. על שם vulcan אל האש הרומאי).

פרק 5: קצת על הכדור הכחול: החלוקה בכדור הארץ לגלעין מעטפת וקרום, וכן על האוקיינוס והאטמוספרה שמעל.    

המרכיבים העיקריים את כל המטאוריטים שנופלים לכדור הארץ הם סיליקון (צורן), ברזל ומגנזיום (מסומנים Si,Fe,Mg בטבלה המחזורית). המקור של רובם הוא בחגורת האסטרואידים (asteroid belt) שבין מאדים (Mars) לצדק (Jupiter).

פרק 6: השכנים שלנו: ירחים, אסטרואידים וכוכבי שביט

לא כל החומר במערכת השמש (solar system) נמצא רק בשמש וב-8 כוכבי הלכת הסובבים אותה. לכוכבי הלכת ישנם כוכבים קטנים יותר החגים סביבם, להם אנחנו קוראים: 'ירח' (moon). רק לפלוטו אין ירח המקיף אותו. לחלק מכוכבי הלכת יש ירחים עצומים בגודלם (כמו הירח 'גנימד' (ganymede) שחג סביב כוכב-צדק (jupiter) וקוטרו 5268ק"מ. קוטר כדור-הארץ לשם השוואה הוא 12,742ק"מ בממוצע), וחלק מהירחים קטנים יותר (הירח dysnomia, אשר שייך לכוכב הננסי 'אריס' eris. רדיוסו של הירח הוא 342ק"מ בלבד).

לירח שחג סביבנו אנחנו קוראים בעברית גם 'לבנה' (luna).

פרק 7: התנאים הנוחים פה בכדור-הארץ: מים זורמים, וטמפרטורה נוחה.

הטמפרטורה של פני השטח של כוכב-לכת תלוי בעוצמת ההארה של השמש (star) אשר הוא נע סביבה והמרחק של כוכב הלכת מ'שמש' זו. כמו כן, עוצמת הארה תלויה במידת-ההחזרה (reflectivity) של פני השטח  עם הסביבה ועל מידת 'אפקט החממה' ("greenhouse power") ברגע נתון.

כדור הארץ ונוגה (Venus) מדגימים את החשיבות של 'אפקט החממה'. לשניהם תנאים דומים המאפשרים לתופעה זו להתרחש. על כך בהמשך.

למרות שכדור הארץ ו-ונוס זהים בגודלם ובהרכב הכימי הכולל שלהם (bulk composition), פני השטח של נוס הוא 400 מעלות צלזיוס חמה יותר מאשר כדור הארץ. הסיבה להבדל זה נעוצה בכך שבונוס, רוב הפחמן (Carbon) נמצא באמטמוספירה בתור CO2 (פחמן דו-חמצני). הפחמן הדו חמצני הוא גורם משמעותי שגורר אחריו את 'אפקט החממה'.

ה'שמיכה התרמלית' (thermal blanket) שנוצרת בעקבות הפחמן הדו-חמצני גרם לכך שפני השטח על פני כוכב ונוס היא זו שגרמה לעליית הטמפרטורה הזו (400 מעלות צלזיוס כאמור). בניגוד לכך, על נפי השטח של כדור הארץ, רוב הפחמן מתרכז בסדמינטים (משקעים sediments) בתור מינרלים קרבונטים (carbonate minerals) ושאריות של חומרים אורגניים (organic residues). כמות הפחמן הדו חמצני (CO2) באטמוספירת ונוס היא 350,000 פעמים (!) גבוהה יותר מאשר זו על פני כדור הארץ.

כמות הפחמן הדו-חמצני על פני האטמוספירה בכדור-הארץ השתנה עם הזמן כתגובה לשינויים בקצבים ובתהליכים (patterns) של תנועת-הקונבקציה (convective motions) של מעטפת כדור הארץ. תנועות המעטפת (תנועות קונבקציה) היא זו שגורמת לחלקים נרחבים בכדור הארץ 'לרדת מטה' אל תוך פנים כדור הארץ, אל תוך המעטפת. התהליך הזה קורה למשל באזורי הפחתה (subduction zones). בתוך פנים כדור הארץ הטמפרטורה היא כמובן חמה מאוד. באזורים הללו הפחמן שבתוך מולקולת ה-CaCO3 הופך ל-CO2 (גזי). הפחמן הדו חמצני (CO2) 'נוסע חזרה' אל פני השטח של כדור-הארץ, יחד עם נוזלים שמגיעים מפעילות וולקנית (volcanic fluids).

שינויים בקצב (rate) ובתהליכים (patterns) של תנועת המעטפת (mantle's flow), אם כך, השפיעו על קצב  ההוספה של CO2 לאטמוספירה, כפי שמתואר במנגנון שלעיל. לפיכך, האקלים (climate) בכדור הארץ קשור באופן ישיר אל תנועת הלוחות (plate tectonics).

האקלים בכדור הארץ גם כן רגיש למאפיינים שונים ב"ארכיטקטורה הפלנטרית" שלו (planetary architecture). שני גורמים משפיעים על האקלים: הראשון הוא התפיחה ('bulge') בקו המשווה (equatorial line) והשני הוא זווית הנטייה (tilt) של כדור הארץ (ציר כדור הארץ, היכן שנמצאים הקטבים, אינו פונה בדיוק בקו מאונך ל'מישור המילקה' (ecliptic plane), אלא: כדור הארץ נמצא נוטה על צירו).

2 הגורמים הללו גורמים לכך שאחת ל-20,000 שנים, כדור הארץ עובר פרסציה (נקיפה, precession). בשל כוחות המשיכה בין כוכבי הלכת הגדולים של מערכת השמש (היינו: צדק Jupiter, שבתאי Saturn) עם כדור-הארץ, ה-orbital shape (היינו: המיקום של כדור הארץ ביחס לשמיים, במיוחד לשמש, היא מקור האור והחום) משתנה בצורה מחזורית ('cyclically change') בפרקי זמן של 40,000 שנים וכן בפרקי זמן של 100,000 שנים. לכך יש בוודאי השפעה על האקלים.

מבוא:

מה משפיע על קצב אספקת המים בכדור הארץ? אילו מנגנונים מקבעים את טמפרטורת פני השטח של כדור הארץ?אילו גורמים מספקים לנו חמצן שחשוב לנו כל כך בתהליך הנשימה? מה משפיע כל משאבי-האנרגיה של כוכב-לכת? או באופן מקוצר: מה גורם לכך  שכדור הארץ יוכל לקיים חיים עליו ?!. כמובן שאין לשאלות אלו תשובה אחת פשוטה (העולם מסובך, ככה זה).

אך ננסה להסביר בכל אופן. העובדה שכדור הארץ מסוגל לקיים עליו חיים נובע מ-4 גורמים עיקריים והם: גודל (size),מסלול כדור הארץ סביב השמש (orbit),סיבוב כדור הארץ סביב עצמו  (ספין), וההרכב-הכימי (chemical composition). בחלקה היא נובעת גם מההיסטוריה של השינויים בפנים כדור הארץ (interior) ושל קרום כדור הארץ (crust) אך להם יש תרומה זניחה יחסית.

כפי שנראה בהמשך הפרק, ישנה גם השפעה של ליסודות הנדיפים (volatiles) לאחר שהם הגיעו לפני-השטח של כדור-הארץ.

איזה חלק ברח לחלל? איזה חלק (fraction) מצא את מקומו ('took up residence') באטמוספירה? ואילו חלקים מצא את מקומם באוקינוס  או בסדימנט?. בהמשך הפרק נלמד כי לקיום החיים על פני כדור-הארץ (ודווקא כאן) ישנה השפעה על תנאי הסביבה של כדור-הארץ. והיא לא זניחה.

מים

על מנת שיוכלו על כוכב לכת מסוים להתקיים חיים, צריכים להימצא בו מספיק מים זמינים וכן שיהיו במצב צבירה נוזלי.

ההבדלים העיקריים בין אזורים שונים בכדור הארץ (קטבים, מדבריות, ג'ונגלים, וכולי)  נוגעים לזמינות המים שיש בכל אזור ואזור. בקטבים למשל, למרות שמים לא חסרים שם, מצב הצבירה שלהם איננו זמין לניצול (המים מוצקים. מה שאנחנו מכנים 'קרח'). לכן נקראים הקטבים גם:"מדבר קרח". במדבריות למשל (חגורת המדבריות העולמית: מדבר סהרה, המדבר הערבי באזור סעודיה הערבית, מדבר גובי אשר בגבול מונגוליה-סין, ומדבריות נוספים), כמות המשקעים נמוכה, והיא עומדת על סדר גודל של 250מ"מ גשם בשנה (בלבד).  

זמינות המים בכל אזור ואזור היא קובעת את אופיו: היכן שיש כמות משקעים עצומה, צומחים לנו ג'ונגלים עם מגוון ביולוגי עצום של אורגניזמים שונים, והיכן שכמות המשקעים מועטה ביותר, אנחנו מוצאים מדבריות. במדבריות, גם כן, אנחנו מוצאים מגוון ביולוגי. המדבריות אינם ריקים מחיים. במדבריות אנחנו מוצאים מגוון ביולוגי שהוא מעניין, כיוון שבמדבריות חיים אורגניזמים שסיגלו לעצמם עמידות לשרוד בתנאים הקשים של האזורים בהם הם חיים.  

אם המים בכדור-הארץ לא היה במצב נוזלי אז היה קשה לנו מאוד להתקיים כאן. ב-4 הכוכבים "הארציים" (terstrial planets): כוכב חמה, נוגה, כדור הארץ ומאדים רק בכדור-הארץ מתקיימים חיים, פחות כפי הידוע לנו עד כה. מתוך 4 כוכבים אלו, אשר קרובים לשמש ומכילים קרקע סלעית נוחה רק בכדור הארץ יש את התנאים המאפשרים קיום חיים. בנוגה (Venus) למשל, מאוד חם לחיות (טמפ' ממוצעת 464 מעלות צלזיוס) ואילו במאדים (טמפרטורה ממוצעת 65- מעלות צלזיוס) צריך ללא ספק להדליק מזגן-חימום. אם באמת יש ייצור (organism) כלשהו שחי בכוכבים אלו וודאי הוא עמיד בצורה בלתי-רגילה לתנאי החיים הבלתי נסבלים שם . אנחנו לא מצאנו אחד כזה, על כל פנים.

דווקא אצלנו בכודר הארץ נוח לחיות. כדור הארץ הוא החממה האידיאלית לקיום חיים. 70% מפני השטח של כדור הארץ מכוסים אוקינוסים (לכן הוא נקרא גם: 'הכוכב הכחול'). 0.5% ממשקל כדור הארץ הוא מים.  

פרק 8: המשאבים בכדור הארץ

כדור הארץ הוא מפעל-כימי לכל דבר ועניין. תוצרי המפעל הזה הם יסודות (Elements) כימיים בדרגת טיהור מדהימה. כדוגמא אפשר להביא למשל את היסודות: גופרית Sulfur, ופחמן Carbon (מופיע בתור יהלום Diamond  או גרפית Graphite).

את הגופרית (Sulfur)  אשר צבעה צהוב,  אפשר לחצוב ממעשנות (fumaroles) באזורים געשיים.

לפחמן (Carbon) יש 2 פולימורפים: יהלום Diamond וגרפיט Graphite. הגרפית הוא הפולימורף הרך של פחמן Carbon והוא יכול לשמש כחוד לעיפרון (משאיר שרטוט שחור). היהלום (אבן-חן gemstone) משמש כשיבוץ בטבעות נישואין שהגבר מביא לאשתו. את היהלום ניתן למצוא בסלעים מגמטיים המגיעים מעומק קרום כדור הארץ (עורקים הנקראים: קימברליטים kimberlite).

העובדה שישנם יסודות טהורים שקל לחצוב אותם היא זו שאפשרה את ההתפתחות המהירה ומדהימה של התרבות האנושית. הצורך באנרגיה מושג בעולמנו כיום מתרכובות הידרו-קרבוניות (תרכובות המכילות את היסודות מימן ופחמן. Hydrogen, Carbon) אשר מופיעים במאגרים של סלעי-משקע.

החמצן [Oxygen, O2(gas)] שאנחנו נושמים הוא מרכיב חלק משמעותי מהנפח של האטמוספירה: 20%. שאר הגזים (חנקן, פחמן דו-חמצני, ארגון ואחרים) תופסים את ה- 80% הנותרים. העיקרי שבהם: חנקן Nitrogen תופס 79% מנפח האוויר, ושאר הגזים גם יחד משלימים את ה1% הנותר.   

פרק 9: האנושות

ללא האדם, סביר להניח שהכוכב שלנו היה ממשיך להתקיים למשך מיליארדי שני נוספות לאורך אותו מסלול שהוא עבר דרכו בעבר. אולם, האדם, או האנושות,  משאירים אחריהם טביעת-אצבע ברורה (השפעה אנתרופוגנית. היינו: מעשה ידי-אדם).

לשמש שלנו יש מספיק "דלק מימני" על מנת להמשיך ולבעור במשך מיליארדי שנים נוספות. החום הנוצר עקב הפירוק הרדיואקטיבי במעטפת כדור הארץ, למרות דעיכה קלה, ימשיך לספק כוח-מניע להמשך קיום טקטוניקת-הלוחות למשך מיליארדי שנים נוספות (מספיק זמן..).

האדם השאיר אחריו (וממשיך להשאיר) את טביעת האצבע שלו על הכוכב שלנו. האדם שינה את מסלול ההיסטוריה של הכוכב שלנו, בזה אין ספק.

התרבות האנושית הראשונה החלה לפני כ-2 מיליון שנים. עד לפני 10,000 שנים, תרבויות אנושיות שונות התחרו בינהם על בסיס שווה יחד עם אורגניזמים אחרים והם חיו בהרמוניה בסביבה הטבעית של כדור הארץ. האדם גילה את החקלאות (agriculture) אשר נתן לו יתרון גדול לצמוח ולהתפתח. על מנת לשפר ולשכלל את החקלאות, האדם למד לנתב את המים לנקודות מסוימות לצורך השקיית (irrigation) שדות למשל.

לפני כ-150 שנים, החל תהליך תיעוש מוגבר (industrialization) אשר השאיר את חותמו באופן ברור. תהליך התיעוש הביא לעליית הפחמן הד-חמצני CO2 באטמוספירה אשר גרר אחריו תהליך 'אסידיפקציה' (acidification. תהליך 'החמצה', היינו הקרקע נעשית חומצית יותר. ערך ההגבה pH נעשה נמוך יותר). תוצר נוסף של תהליך ה'אסידיפקציה' הוא יצירה של מרכיבים רעילים (poisonous compounds), שבא כתופעת-לוואי של תהליך ה'אסידיפיקציה'.

במהלך הזמן, ובתקופה האחרונה (100 השנים האחרונות) האדם למד את 'סודות האטום'. לאדם כיום (וזה כולל את ה'אימפריות הגדולות': ארה"ב, רוסיה, סין, גרמניה) יש מספיק ארסנל גרעיני (nuclear arsenal) בשביל לפוצץ את כל מה שהאדם הספיק לבנות עד כה.

לאדם יש את הכוח לשלוט על האקלים (בכך שגזי חממה ממשיכים ונפלטים בקצה מוגבר), לקבוע נישות-מחיה (habitats) של אורגניזמים אחרים (כדוגמה אפשר להביא את נושא 'כריתת היערות' בג'ונגלים שונים ברחבי העולם אשר גורמים לבריחה של חיות היער ולהכחדתם ההדרגתית של חלק מהם).

כמה נזק יעשה עד אשר האדם יבין שבכוחו לעצור (או לפחות לצמצם) את השפעתו ההרסנית? האדם הוא השולט. האדם יקבע. Mankind is now at the helm.

מבוא

לאדם ישנה השפעה עצומה על הסביבה. רבים מהנחלים העיקריים של כדור הארץ כיום חסומים לזרימת מים חופשית על ידי סכרים (dams) עצומים. 10% מהשטח הכולל של כדור הארץ משמש לצורך חקלאות ולא מכיל את הצומח הטבעי (natural flora) שהיה קיים שם קודם לכן (עקב חישוף, בירוא יערות וכיוצא באלו).

האטמוספירה שלנו מכילה כיום עקבות (traces) של גז פריאון (freon) וגזים מזיקים אחרים שהם תוצר אנתרופוגני.

מדענים טוענים כי הדלק הפוסילי (fossil fuel), היינו: פחם-גז-נפט ייגמרו בעוד כ-200 שנים.

בכוחו של האדם, עם כל הארסנל הגרעיני העצום שלו, לפוצץ את כל הערים הראשיות בכדור הארץ (לא רעיון כל כך טוב. אין סיבה לחשוב שזה יקרה).

השפעת גזי החממה על האקלים

כמה מהפעילויות של האדם, שאותם נציין כאן, גורמות ללא ספק לשינויים באקלים כדור הארץ. 2 מההעיקרים שבהם הם: הוספת פחמן-דו-חמצני CO2 לאטמוספירה כתוצאה משריפת דלקים פוסיליים (fossils fuels), וכריתת יערות.

כעת נסביר על המנגנון של הפחמן הדו-חמצני:

CO2 (פחמן-דו-חמצני), הוא גז אינרטי (inert), היינו: הוא לא מגיב עם הסביבה. לכן, עם הזמן, הוא הולך ומצטבר באטמוספירה כתוצאה משריפה הולכת-ומתמידה של דלקים פוסיליים. ממחקרים שנערכו על בועיות אוויר שנלכדו בכיפות קרח בקטבים (polar ice), מדענים יכולים להסיק את ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה, גם היום וכן בתקופות עבר.

כאשר הולכים למחשוף-קרח אשר עבר השקעה רציפה של קרח לאורך הזמן, ניתן להשתמש במחשוף-קרח  זה בכדי להסיק את השתנות ריכוז הפחמן-הדו-חמצני עם הזמן, אם יודעים כמובן את קצב הצטברותו. בקטבים ההשפעה האנתרופגנית (מעשה-ידי-אדם) היא זניחה ולכן משתמשים באזורים אלו בתור reference point (נקודת ייחוס). מתוך מחקרים שונים ורבים, נמצא כי ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה עומד על 280 חלקי-מיליון (ppm, parts per million). היינו: 280 חלקיקי פחמן דו-חמצני בתוך מיליון חלקיקים אחרים בדגימה (sample) שלקחנו (המיליון כולל כמובן את חלקיקי הפחמן הדו חמצני). הריכוז של 280ppm נשאר קבוע, פחות או יותר, על ערך זה מכל המאות שקדמו לשנת 1800~. מה קרה בשנת 1800? התשובה היא בוודאי ה'מהפכה התעשייתית' (The Industrial Revolution). בשנת 1958  הערך של הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה על כבר ל-316ppm, וב-1985 הוא כבר הגיע לערך של 345ppm. כפי שאיור 9-1 (אשר מופיע בספר..) מראה.

לסיכום – האנושות צריכה למצוא דרכים להפחית את הזיהום אשר פוגע באוזון ויוצר את אפקט החממה (אנחנו מרגישים באמת התחממות בשנים האחרונות אבל יכולה גם לבוא התקררות.. למשל אם הר געש רציני ייתפרץ לצורך העניין). אנחנו צריכים להשתדל לאט לאט לעבור לאמצעים ירוקים יותר (אפקט השמש, רוח, זרימת נהרות) ולנסות להפחית בצריכה המערבית הקיצונית.. נוסף לזה, להשתדל להפחית במלחמות (לא יקרה באמת). ולסיכום משפט של אלברט אינשטיין: "אני לא יודע באיזה נשק יילחמו במלחמת העולם השלישית, אבל ברביעית יילחמו במקלות ובאבנים.".. ובנימה אופטימית זו נסיים (השורות נכתבות עם עלייתו של דונלד טראמפ לנשיאות המעצמה מספר 1 בעולם.. חברו הטוב של פוטין.. אם כך הסבירות למלחמה גרעינית דווקא יורד..). המשך יום טוב. ומי שלא טוב לו, יום טוב לו.

מילון מונחים [לפי סדר עניין ולא לפי הא-ב]:

אבני הבניין של החומר ביקום:

תהליכים המתארים תופעות בגרעין האטום:

תכונות החומר:

מינרלים חשובים המופיעים על פני השטח בכדור הארץ:

סוגי סלעים חשובים המופיעים בכדור הארץ:

מרכיבים הבונים את האוקיינוסים ואת האטמוספירה:

מרבצים גיאולוגיים חשובים:

מושגים בגיאולוגיה:

מושגים באסטרונומיה:

המשך יבוא [אולי..]

מודעות פרסומת

יש לך משהו חכם להגיד? קדימה!

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

קטגוריות