NEWS

במחקר השתתפו פרופ' קולין פרייס ותאיר פלוטניק מהחוג לגיאופיזיקה בבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר, לצד חוקרים מאוניברסיטת טריפורה בהודו. במסגרת המחקר, שפורסם בכתב העת Atmospheric Research, הודיעו החוקרים כי: "עד לאחרונה לא הייתה כלל תופעה של ברקים באזור הארקטי, בשל הקור העז. עם ההתחממות כדור הארץ החלו להיווצר שם סופות ברקים בקיץ, ואלה מגבירות עוד יותר את תהליך המסת הקרח – במעגל של היזון חוזר."  

כפי שמסביר פרופ' פרייס: "האזור הארקטי מוגדר כאזור שנמצא צפונה מקו הרוחב 66.5° צפון. בליבו של אזור זה, סביב הקוטב הצפוני, אין יבשה, ובשל תנאי הקור הקיצוניים, הים מכוסה בשכבה עבה של קרח ימי, המשתרעת כיום על פני כ-8 מיליון קמ"ר. הקרח הלבן מחזיר את קרני השמש, ובכך הוא תורם לקירור כדור הארץ, אך בעשורים האחרונים, עם התחממות כדור הארץ, נסוג כיסוי הקרח בקצב של כ-70,000 קמ"ר לשנה, או 6.5% לעשור. (בהקשר זה חשוב לציין שהטמפרטורה בקוטב הצפוני עולה בקצב מסחרר – כ-4° עד היום, בניגוד לכ-1° בכלל כדור הארץ). נסיגת הקרח מגבירה עוד יותר את ההתחממות, מכיוון ששטחי הים הכהים, שהולכים וגדולים, בולעים את קרני השמש. כך נוצר מעגל של היזון חוזר: נסיגת הקרח מגבירה את ההתחממות אשר בתורה מגבירה את המסת הקרח, וחוזר חלילה."

סופות ברקים בקוטב הצפוני – מסימניה המדאיגים של ההתחממות הגלובלית

^{פרופסור קולין פרייס}

לדברי החוקרים, תופעת המסת הקרח בקטבים מיוחסת מלכתחילה לפעילות האנושית הגורמת לעלייה בכמות גזי החממה באטמוספירה, היוצרים מעין 'שמיכה' המשמרת את החום ואינה מאפשר לו להיפלט אל החלל. עם זאת, מחקרים לא מצאו התאמה מלאה בין נתוני גזי החממה, העולים בקצב קבוע פחות או יותר מדי שנה, לקצב המסת הקרח שמשתנה משנה לשנה. בשל הפער בממצאים, מחקר זה ביקש לבחון השפעה אפשרית של גורם נוסף – סופות ברקים – על המסת הקרח הימי באזור הארקטי.

החוקרים מסבירים כי תופעת הברקים כלל לא הייתה קיימת באזור הארקטי עד לאחרונה, בשל הקור העז השורר שם. אך בעשורים האחרונים, ככל הנראה בעקבות ההתחממות הגלובלית, החלו להיווצר שם סופות ברקים בעונת הקיץ, בתקופה בה השמש כלל אינה שוקעת ומחממת את פני השטח. המשמעות היא שפני הקרקע מתחממים, וכך נוצרות 'בועות' אוויר שעולות לשכבה גבוהה באטמוספירה, שם הן מתקררות והופכות לעננים שלעתים מתפתחים לסופת ברקים.

כדי לבחון את השערתם, שסופות הברקים תורמות להמסת הקרח בים הצפוני, הציבו החוקרים זו מול זו שתי קבוצות נתונים: צילומים של לווייני נאס"א המתעדים את נסיגת הקרח בים הצפוני כבר יותר מ-40 שנה, ונתוני סופות ברקים הנאספים על ידי הרשת העולמית WWLLN -כ-70 תחנות לאיתור ברקים, הפרוסות במוסדות מחקר בכל העולם – בין היתר על גג הבניין של הפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב. מסביר פרופ' פרייס: "ברק הינו תוצאה  של שדה חשמלי עצום שנפרק בבת אחת, ומשדר גלי רדיו שניתן לקלוט אותם גם במרחק של אלפי קילומטרים. חיישני הרשת העולמית קולטים וממפים סופות רעמים בכל מקום על פני כדור הארץ, בזמן אמת וללא הפסקה. הצלבת המידע מהתחנות השונות מאפשרת קביעה מדויקת של המיקום והזמן של כל ברק, וכך מתקבלת מפה גלובלית של ברקים לאורך זמן. לצורך מחקר זה אספנו נתונים על ברקים באזור הארקטי בחודשים יוני, יולי ואוגוסט בכל שנה מאז 2010."

מעגל של היזון חוזר: סופות הברקים תורמות להתחממות הגלובלית – וחוזר חלילה 

^{קרחון נמס בקוטב הצפוני}

ניתוח סטטיסטי של נסיגת הקרח מול כמות סופות הברקים העלה התאמה: ככל שגדל מספר הסופות בשנה מסוימת, כך גדל גם קצב המסת הקרחונים באותה שנה. החוקרים מסבירים זאת בכך שסופות ברקים פועלות כמעין שואב אבק ענק השואב אדי מים מפני השטח ומביא אותם אל האטמוספירה העליונה, שם הם מצטברים ופועלים כמו שמיכה שכולאת את החום ומגבירה את ההתחממות – ממש כמו גזי החממה. 

אפשרות אחרת, שנצפתה במחקר קודם, היא שסופות הברקים מגבירות את היווצרותם של ענני נוצה בשכבות הגבוהות של האטמוספירה – שגם הם מהווים שמיכה דומה.

פרופ' פרייס מסכם: "במחקר שלנו מצאנו קשר סטטיסטי מובהק בין כמות סופות הברקים באזור הארקטי בשנה מסוימת לבין קצב המסת הקרח הימי באותה שנה. המשמעות היא שהסופות מהוות גורם נוסף שמגביר את המסת הקרחונים, ומייצר מעגל של היזון חוזר: המסת הקרח מגדילה את שטחי הים שבולעים קרני שמש ומגבירים את ההתחממות, אשר בתורה מגדילה את כמות סופות הברקים, וחוזר חלילה. כתוצאה מכך, ומהתחממות כדור הארץ בכלל, אנו צופים ששכיחותן של סופות הברקים באזור הארקטי תגדל בשנים הבאות, ועמן תואץ גם נסיגת כיסוי הקרח בים הצפוני."
 

המחקר נערך בהובלת צוות חוקרים בינלאומי, בהם פרופ' מיכאל אורבך ופרופ' עודד הוד מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש סאקלר, וכן מדענים מסין, דרום קוריאה ויפן. המחקר פורסם בכתב העת Nature.

פרופ' אורבך ופרופ' הוד מסבירים שגרפן הוא למעשה שכבה בודדת של גרפיט הבנויה ככוורת של אטומי פחמן. הגרפן מתאים מאוד לשימושים טכנולוגיים, שכן מלבד החוזק המכאני יוצא הדופן שלו, בשנים האחרונות התגלו תכונות מרתקות נוספות של מבנים העשויים ממספר קטן של שכבות גרפן מפותלות ובניהן הולכת-על, פולריזציה חשמלית ספונטאנית, הולכת חום נשלטת, ועל-סיכה מבנית - מצב שבו חומר מציג חיכוך ושחיקה זניחים.

אחת המגבלות של שימוש בגרפן לצרכים של תעשיית האלקטרוניקה היא העובדה שהוא חצי-מתכתי, כלומר מחד נשאי המטען יכולים לנוע בו בחופשיות אך מאידך כמות נשאי המטען הזמינים להולכה בו היא נמוכה מאוד. מכאן שלא ניתן להשתמש בגרפן לא כמתכת מוליכה וגם לא כחצי מוליך המשמש את תעשיית השבבים האלקטרוניים.

עם זאת, אם גוזרים מתוך יריעת גרפן רחבה רצועה דקה וארוכה של גרפן, נשאי המטען הקוונטיים מתוחמים במימד הצר של היריעה, דבר שהופך אותם לחצי מוליכים ומאפשר שימוש בהם בהתקני מיתוג קוונטיים. נכון להיום קיימים מספר חסמים העומדים בפני שימוש ברצועות גרפן להתקנים ובניהם היכולת לגדל יריעות צרות, ארוכות ובעלות מבנה הדיר המבודדות מן הסביבה.

במחקר החדש החוקרים הצליחו לפתח שיטה לגידול קטליטי של רצועות גרפן צרות, ארוכות והדירות היישר בין שכבות החומר המבודד בורון-ניטריד הקסגונאלי וכן להדגים התקני מיתוג קוונטיים בעלי ביצועי שיא המבוססים על הרצועות שגודלו. מנגנון הגידול הייחודי נחשף באמצעות חשבונות דינמיקה מולקולארית מתקדמים המפותחים בקבוצות החוקרים מישראל. חשבונות אלו הראו כי חיכוך אולטרא-נמוך בכיווני גדילה מסויימים בתוך גביש הבורון-ניטריד מכתיב את הדירות מבנה הרצועה, מאפשר את גידולה לאורכים גדולים ומהווה סביבה נקייה ומבודדת לרצועה שגדלה.

החוקרים סבורים שהפיתוח מהווה פריצת דרך מדעית וטכנולוגית בתחום גידול רצועות גרפן ארוכות ישירות במטריצות מבודדות, שצפויה לפתוח את הדלת בפני מחקר ענף שיוביל לשימוש ברצועות אלו בתעשיית הננו-אלקטרוניקה.

פרופ' אורבך ופרופ' הוד מסכמים: "החשיבות של הפיתוח החדש היא בכך שלראשונה ניתן יהיה לגדל ולייצר התקני מיתוג ננו-אלקטרוניים מבוססי פחמן ישירות בתוך מטריצה מבודדת. התקנים מסוג זה עתידים לשמש יישומים טכנולוגיים רבים בהם מערכות אלקטרוניות, ספינטרוניות ואף התקני מחשוב קוונטי".

^{מימין: פרופ' הוד ופרופ' אורבך}