מחקרים

המחקר הובל על ידי פרופ' קולין פרייס והסטודנט ראם בקנשטיין מהחוג לגיאופיזיקה בבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר באוניברסיטת תל אביב. המאמר פורסם בכתב העת Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society (QJRMS). 

איום נוסף על הריאות של כדור הארץ

"יערות האמזונס הם יער הגשם הטרופי הגדול ביותר בעולם, והם ממלאים תפקיד קריטי בוויסות אקלים כדור הארץ," מסביר פרופ' פרייס. "יערות אלה אף מכונים 'הריאות של כדור הארץ', מכיוון שבאמצעות תהליך  הפוטוסינתזה הם מייצרים חלק משמעותי מהחמצן באטמוספירה וסופגים ממנה כמות גדולה של פחמן דו-חמצני – גז חממה שיש לו תרומה משמעותית לשינויי האקלים. בנוסף, יערות הגשם עצמם מייצרים גשם: העצים פולטים לאוויר אדי מים שהופכים לגשם מקומי, וגם נישאים על ידי הרוח ומביאים גשם למקומות מרוחקים."

עם זאת החוקרים מציינים כי תהליכים חשובים אלה מצויים כיום בסכנה בשל פעילות נרחבת של בירוא יערות באמזונס. "כשהאדם כורת עצים ומפנה שטחים לצרכים מגוונים: שימוש בעץ עצמו, חקלאות, פיתוח תשתיות, כריית מינרלים, ועוד. למעשה, ב-30 השנים שבין 1990 ל-2020 חוסלו באגן האמזונס יערות ששטחם הכולל גדול מיבשת אירופה כולה. הרס היערות גורם לפגיעה ברמת החמצן ולעלייה בגזי החממה באטמוספרה, וגם לשיבוש בגשמים שעלול להגיע לכדי בצורת באזורים מסוימים. בנוסף, לעתים קרובות העצים שנכרתו נשרפים, וכך נפלט לאוויר פחמן דו-חמצני נוסף, שמגדיל את הנזק הסביבתי". 

במחקר זה, הראשון מסוגו בעולם, ביקשו החוקרים לעקוב אחר שינויים בהיקף סופות הרעמים באגן האמזונס בעשורים האחרונים. בהיעדר נתוני סופות רעמים מהאמזונס שחוזרים עשרות שנים אחורה, בנו החוקרים מודל אמפירי המסתמך על פרמטרים אקלימיים מהמרכז האירופאי ERA5, שאוסף נתונים מאז 1940, ולצד נתוני סופות רעמים שנאספו באמצעות רשת עולמית של חיישנים לאיתור ברקים שנקראת WWLLN -Worldwide Lightning Location Network.

"ברק הינו תוצאה של שדה חשמלי עצום שנפרק בבת אחת, ומשדר גלי רדיו שניתן לקלוט אותם גם במרחק של אלפי קילומטרים," מסביר פרופ' פרייס. "החיישנים של רשת WWLLN פרוסים ב-70 מוסדות מחקר בכל העולם, והם קולטים וממפים סופות רעמים בכל מקום על פני כדור הארץ, בזמן אמת וללא הפסקה. גם כאן באוניברסיטת תל אביב, על הגג של הבניין למדעים מדויקים, יש לנו חיישן שקולט גלי רדיו מסופות רעמים שמתחוללות באזור שלנו, וגם באפריקה, בהודו, ואפילו בדרום אמריקה. הצלבת המידע מהתחנות השונות, מאפשרת קביעה מדויקת של המיקום והזמן של כל ברק, וכך מתקבלת מפה גלובלית של ברקים לאורך זמן."   

ירידה של כ-8% בהיקף סופות הרעמים

באמצעות המודל האמפירי בדקו החוקרים את הקשר בין כמות והתפלגות סופות הרעמים לבין שינויים בטמפרטורה באזור האמזונס החל משנות ה-80. ניתוח סטטיסטי של הנתונים העלה ממצאים מפתיעים: על אף העלייה בטמפרטורה הנובעת מההתחממות הגלובלית, חלה ירידה של כ-8% בהיקף סופות הרעמים. החוקרים: "כשבדקנו לעומק את הממצאים הבלתי צפויים, גילינו שאזורי הירידה בסופות הרעמים חופפים במידה רבה לאזורים שבהם בוצעה פעילות נרחבת של בירוא יערות. זו הפעם הראשונה שהתגלה קשר בין סופות רעמים לבירוא יערות. לפי ההערכה שלנו, אובדן של כל מגטון פחמן - שווה ערך לכמיליון עצים גדולים שנכרתו, מביא לירידה של כ-10% במספר סופות הרעמים."   

פרופ' פרייס מסכם: "במחקר זה בדקנו מגמות בסופות רעמים באגן האמזונס בעשורים האחרונים. ציפינו למצוא עלייה בכמות הסופות בעקבות ההתחממות הגלובלית, כפי שנצפה באזורים רבים בעולם, אך להפתעתנו מצאנו מגמה הפוכה: ירידה של 8% במהלך 40 שנה. בירור נוסף העלה שמרבית הירידה נצפתה בדיוק באזורים בהם יערות הגשם בוראו והוחלפו בחקלאות או בשימוש אחר של האדם. ניתן להסביר זאת בכך שבהיעדר היערות פחתה משמעותית הלחות באוויר, שהיא מקור האנרגיה והלחות להיווצרות סופות רעמים. התוצאה היא פחות סופות רעמים, פחות עננים, פחות גשם, וכתוצאה מכך גם פחות צמיחה של היער. כך נוצר תהליך של היזון חוזר שיכול לגרום להתייבשות היערות, דבר שעלול לפגוע משמעותית באפקטים החיוניים של 'הריאות של כדור הארץ' – ייצור חמצן וספיגת פחמן דו חמצני." 

צוות החוקרים כולל את מר גאורגי גרי רוזנמן, דוקטורנט מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב, פרופ' דניס בונדר מאוניברסיטת טוליין שבארה"ב, פרופ׳ וולפגנג שלייך מאוניברסיטת אולם שבגרמניה, פרופ׳ לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית מאוניברסיטת תל אביב ופרופ׳ עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל  ומופקד הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Physica Scripta.

איור 1 - חלק עליון: תיאור סכימטי של המערכת הניסיונית למדידת גלי כבידה משטחיים על פני מים וחילוץ מסלולי בוהם והפוטנציאל הקוונטי. חלק תחתון: (a) צילום חזית של הבריכה בה נוצרים הגלים. (b) מחוללי הגלים הנשלטים על ידי מחשב. (c) חיישנים המודדים את גובה פני המים.

עושים גלים

תאוריית דה ברוגלי-בוהם (De Broglie–Bohm theory), הידועה גם בשם מכניקה בוהמית, מתארת את ההתפתחות של פונקציית גל של חלקיק קוונטי במרחב ובזמן על ידי סדרה של מסלולים מוגדרים (הקרויים מסלולי בוהם) שהחלקיק נע באחד מהם. מסלולים אלה נקבעים על ידי משוואת תנועה התלויה בפונקציית הגל ההתחלתית. באופן שקול, ניתן להגדיר פוטנציאל קוונטי שמגדיר את התפתחות פונקציית הגל. התאוריה נקראת על שמם של לואי דה ברוגלי (1892–1987) ודייוויד בוהם (1917–1992) והוצעה על ידם על מנת להסביר את התופעות הנמדדות בפיסיקה קוונטית.

איור 1 - ימין: מדידות ניסיוניות של ניסוי שני הסדקים ומסלולי בוהם שנמדדו (פסים שחורים). המימוש של הסדקים נעשה בתחום הזמן, על ידי יצירת שני פולסים של גלי כבידה משטחיים, בזמנים (t=-4, +4 sec). ניתן לראות את ההתפתחות של מסלולי בוהם לאורך בריכת הגלים (ציר X). יש אזורים שאף מסלול לא חוצה אותם, ועוצמת הגל שתימדד בהם תהיה אפס. הסיבה לכך היא שנוצרת באזורים אלה התאבכות הורסת. לעומתם, יש אזורים שבהם יש צפיפות גבוהה של מסלולי בוהם, ובהם עוצמת הגל מקסימלית (כתוצאה מהתאבכות בונה). איור 2 - שמאל: מראה את הפוטנציאל הקוונטי. הגל נע רק ב'עמקים' (כלומר באזורים שבהם הפוטנציאל נמוך) ולא מגיע ל'הרים' (כלומר לאזורים שבהם הפוטנציאל גבוה).

חלון חדש להבנת הדינמיקה של גלים

בעוד שתאוריית דה-ברוגלי-בוהם פותחה עבור תיאור של מערכת קוונטית, הניסוי שבוצע עוסק במערכת קלאסית של גלי כבידה משטחיים על פני מים, אך כאלו שמקיימים את משוואת שרדינגר. לפיכך, צוות החוקרים זיהה כי ניתן ליישם את תאוריית דה ברוגלי-בוהם כדי לבחון באופן נסיוני את מסלולי בוהם ואת הפוטנציאל הקוונטי, אבל בהתקן גדול שניתן לראותו בעין. בניסוי מיוצרים גלי כבידה משטחיים בבריכה באורך של 18 מטרים, שמתנהגים באופן דומה לגלי חומר זעירים בעולם הקוונטי וכך החוקרים הצליחו למדוד במערכת מקרוסקופית תופעות שנחזו במקור למערכות קוונטיות.

בפרט, ניתן לראות בניסוי שחזור מלא של מסלולי בוהם של הניסוי המפורסם של עקיפת חבילת גלים דרך שני סדקים. המימוש של הסדקים נעשה בתחום הזמן על ידי עירור שני פולסים של גלי כבידה משטחיים במישור הכניסה של בריכת הגלים, ולאחר מכן נמדדה ההתפתחות של פונקציית הגל לאורך הבריכה, וממנה נקבעו מסלולי בוהם והפוטנציאל הקוונטי. המערכת הניסיונית שימשה גם למדידת חבילות גלים אחרות כגון חבילת גלים הנוצרת מעקיפה של שלושה סדקים, וחבילת גל שצורתה פונקציית איירי (Airy). מעבר לאישוש התיאוריה של בוהם לגלים קוונטים ומסלולי בוהם, ניסויים אלו פותחים חלון חדש לקראת הבנת הדינמיקה של סוגים שונים של גלים קלאסיים, לרבות גלים אלקטרומגנטיים, פלזמה, אקוסטיים ועוד. מסלולי בוהם מאפשרים להמחיש בצורה ויזואלית כיצד גלים אלה מתפתחים במרחב ובזמן ונותנים הבנה אינטואיטיבית לתופעות של התאבכות בונה והורסת של גלים אלה.

החללית Gaia שוגרה ע"י סוכנות החלל האירופית ב-2013 ומאז היא מנטרת באופן קבוע את המיקום של למעלה ממיליארד כוכבים בגלקסיה שלנו בדיוק חסר תקדים. ארגון הכולל כמה מאות מדענים ברחבי אירופה (כולל ישראל), מעבד את הנתונים המגיעים מהחללית ומנגיש אותם לשימוש הקהילה המדעית כולה. אחד הצוותים, ובהם קבוצת מחקר של אוניברסיטת תל אביב בהובלתו של פרופ' (אמריטוס) צבי מזא"ה מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה, מתמקד במחקר של כוכבים כפולים המתגלים מתוך נתוני החללית. לאחרונה פרסם הארגון רשימה של יותר מרבע מיליון כוכבים כפולים שאחד מבני הזוג הוא חור שחור – אובייקט שמיימי מן הנדירים ביקום, החג סביבם, בהם חור שחור שנמצא במרחק 1500 שנות אור מכדור הארץ.

בן זוג בלתי נראה

צוות החוקרים מאוניברסיטת תל אביב, שכולל גם את ד"ר סהר שחף (הנמצא כעת במכון וויצמן), ד"ר שמחון פייגלר וד"ר דולב בשי, פיתח טכניקה לזיהוי כוכבים כפולים שאחד מבני הזוג הוא חור שחור. קשה מאוד לגלות חורים שחורים, מפני שהאור איננו יכול להבקיע את כוח המשיכה החזק שבסביבתו של החור השחור. כאשר חור שחור "דומם" כזה נמצא במערכת זוגית עם כוכב רגיל, משתמשים בתנועת הכוכב הנראה כדי למדוד את המסה של בן הזוג הבלתי נראה ולהוכיח שזהו אכן חור שחור. בשנים האחרונות פורסמו מספר הצעות לזיהוי חורים שחורים דוממים במערכות זוגיות, אבל בכל המקרים התעוררו שאלות קשות שערערו את אמינות הזיהוי.

הנתונים של גאיה שפורסמו לאחרונה איפשרו לזהות מספר קטן של כוכבים שתנועתם על פני מישור השמיים מעידה על קיומו של חור שחור דומם כבן זוג. לפני חודשים אחדים גילה צוות בינלאומי, שכולל את קבוצת המחקר מאוניברסיטת תל אביב, חור שחור ראשון, Gaia BH1, שנמצא במרחק של 1500 שנות אור. תצפיות ייעודיות מן הקרקע שנערכו באינטנסיביות בחודשים האחרונים אישרו כעת את קיומו של Gaia BH2, חור שחור שני הנמצא במרחק של כ-4000 שנות אור. שני החורים השחורים כבדים (כל אחד) פי 10 מן השמש שלנו.

"זהו גילוי מרגש", אומר פרופ' צבי מזא"ה. "השילוב הראשון מסוגו בין התצפיות מן הקרקע, לבין נתוני החללית, מוכיח מעל לכל ספק שגילינו שני חורים שחורים דוממים. הקירבה היחסית שלהם אלינו מראה כי מספרם של החורים השחורים הדוממים בחלל הוא גדול, והנתונים של החללית הממשיכים לזרום יביאו לגילויים של אובייקטים רבים כאלה, כפי שאכן ציפו עבודות תיאורטיות שונות. אני גאה שקבוצת המחקר שלנו זכתה להשתתף בעיבוד הנתונים של גאיה, ואחר כך במעקב אחרי המועמדים שהתגלו, שילוב ראשון מסוגו שהביא לזיהויים של שני חורים שחורים קרובים יחסית. אני מקווה שהגילוי יוביל להבנה מעמיקה על אופן ההיוצרות של מערכת כפולות כאלה, תהליך שפרטיו אינם מובנים כרגע". 

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט רביב דהרן, בהנחיית ד"ר רעיה סורקין מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ובשיתוף פעולה עם פרופ' מיכאל קוזלוב מאוניברסיטת תל אביב, וקבוצת חוקרים מאוניברסיטת ציגווה בסין. המחקר פורסם לאחרונה בכתב-העת היוקרתי PNAS.

העקמומיות חשובה לאיחוי

ד"ר סורקין מסבירה: "איחוי ממברנות הוא תהליך חיוני בגופנו המתרחש בתהליכים שונים כגון מעבר אותות במוח, תהליכי הפריה ותקשורת בין תאים. הבנה מעמיקה יותר של התהליך יכולה לקדם את עולם הרפואה בטיפולי פוריות, מתן תרופות ועוד. במעבדה אנו מנסים להבין את ההיבט הכימי-פיזיקלי של תהליך זה. בתאים יש ממברנות דינמיות בצורות שונות. ישנן ממברנות עם עקמומיות מאוד גבוהה, ומכך עולה השאלה מדוע נדרשת עקמומיות כזאת? ככל הנראה הצורה העקמומית חשובה למגוון תהליכים כמו למשל תהליך האיחוי".

במסגרת המחקר החדש, החוקרים התמקדו בשני חלבונים הממוקמים על גבי ממברנות התאים. חלבון אחד נמצא על הביצית והוא קריטי בתהליכי ההפריה, והשני חיוני ליצירת בועיות המשמשות לתקשורת בין תאים. במעבדה יצרו החוקרים מערכת המאפשרת לבחון את ההשפעה של עקמומיות ומתח הממברנה על התארגנות ומיקום החלבונים. בהמשך, החוקרים יצרו בועיות ממברנות גדולות, כדי שיהיה קל להבחין בהשפעות השונות, וסימנו את החלבונים עם צבען ביולוגי. בשלב הבא הם השתמשו במכשיר לכידה אופטית, המכונה מלקחיים אופטיים, שבעזרתו ניתן לבצע מניפולציות לחלקיקים מיקרוסקופיים.

החוקרים מציינים כי מדובר בטכנולוגיה שמאפשרת להחזיק ולהזיז חלקיקים בעזרת אור. בעזרת כדור זכוכית קטן המוחזק במלכודת האופטית ניתן למשוך מהבועית צינוריות ממברנה דקות, ובכך לדמות תהליכים ביולוגיים שבהם צינוריות כאלה נוצרות, כפי שקורה בפני השטח של הביצית. החוקרים שילבו את המלקחיים האופטיים עם מכשיר נוסף שבאמצעותו ניתן לשאוב חלק מהממברנה, דבר המאפשר שליטה בעקמומיות ובמתח שלה.

ד"ר סורקין: "באמצעות המערך הזה הצלחנו להוכיח שהחלבונים הללו 'אוהבים לנדוד' לאזורים בעלי עקמומיות גבוהה. בעבודות קודמות נמצא שעכברה שבה החלבון הזה חסר תהיה עקרה. זאת אומרת שלצורה העקמומית של קרום הביצית ולנדידת החלבון לאזור הזה יש חשיבות גדולה בתהליך ההפריה. תגלית זו תאפשר בעתיד לפתח טיפולי פוריות או אמצעי מניעה חדשים.

אנו מאמינים שמחקר רב תחומי הוא המפתח להבנת תהליכים ביולוגיים שחשובים לבריאות ואיכות החיים שלנו. ישנה אמירה מפורסמת של ריצ'ארד פיינמן, "מה שאני לא יכול ליצור, אני לא יכול להבין". זו הגישה שלנו במעבדה: אנחנו רוצים לדמות תהליכים ממברנליים מהמרכיבים הכי בסיסיים שדרושים למנגנונים ביולוגיים ההכרחיים לחיים כמו הפריה או תקשורת בין תאים. על ידי שליטה מדויקת במאפייני התהליך כמו הצורה ומתח הפנים של הממברנה, נוכל להבין את המנגנונים ולטפל במצבים פתולוגים. על ידי כך אנו מקווים לתרום לשיפור הבריאות ואיכות החיים".

צוות החוקרים מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ומבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, כולל את הדוקטורנטים אופיר ישרים (שהוביל את הניסוי), ואביב קרניאלי, ד"ר סטיבן ג׳אקל, ד"ר ג׳וזפה די דומניקו, וד"ר סיוון טרכטנברג-מילס, תחת הנחייתו של פרופ׳ עדי אריה, מופקד הקתדרה ע"ש מרקו ולוסי שאול.

עדיין רלוונטי: מחקר בן 100 שנים מתורת הקוונטים

הניסוי שבוצע מבוסס על אנלוגיה בתחום האופטי לאחד מניסויי המפתח של תורת הקוונטים, ניסוי שטרן-גרלך אשר פורסם בדיוק לפני 100 שנה, בשנת 1922. החוקרים הגרמניים אוטו שטרן ו-וולטר גרלך שלחו אטומי כסף דרך שדה מגנטי שמשתנה במרחב, והבחינו כי כתוצאה מכך מתקבל פיצול של אלומת האטומים: מחצית מהאטומים סטו לכיוון אחד, ומחציתם השני לכיוון הנגדי. הסיבה לכך היא שלאלקטרוני הערכיות של הכסף יש תכונה הקרויה ספין, אשר גם קובעת את המומנט המגנטי של כל אלקטרון. השדה המגנטי החיצוני מפעיל כוח על האלקטרון, אשר תלוי בכיוון המומנט המגנטי של אותו אלקטרון. בניסוי התברר כי ערך הספין שנמדד יכול לקבל רק שני ערכים אפשריים (שנקרא להם "מעלה" ו"מטה"), ולכן אלומת האטומים מתפצלת לשתי זוויות בלבד.

כעת, 100 שנים לאחר הניסוי המקורי, ביצעו החוקרים ניסוי מקביל באופטיקה, בו קרני אור פוצלו באמצעות אינטראקציה לא-לינארית (אינטראקציה בה קרני אור יכולות להשפיע אחת על השנייה). במסגרת הניסוי, השתמש צוות המחקר בגבישים  אופטיים לא ליניאריים. לטענתם, לרוב משתמשים בגבישים אלה כדי לבצע המרות תדר, כלומר קרן לייזר באורך גל (צבע) מסוים תהפוך לקרן באורך גל אחר.

ספין אלקטרוני

"בניסוי זה שלחנו שלוש אלומות אור בארכי גל שונים לגביש לא לינארי, שלמען הנוחות נסמן אותם בצורה סימבולית כאלומות בצבע כחול, ירוק ואדום. האלומה הירוקה היא בעוצמה חזקה בהרבה מהאלומות האחרות, ובאמצעות התהליך הלא ליניארי היא מאפשרת המרת אנרגיה מהאלומה הכחולה לאדומה או להיפך. בניסוי שבוצע, נשלחה אלומה ירוקה רחבה, שלה  עוצמה מקסימלית במרכזה, והיא יורדת לאפס בשולי האלומה. כך יוצרים אינטראקציה שמשתנה במרחב - אינטראקציה חזקה במרכז האלומה, ואינטראקציה חלשה בשוליה", מסביר פרופ' עדי אריה.

"אלומה זו ממלאת תפקיד אנלוגי לשדה המגנטי המשתנה במרחב בניסוי שטרן-גרלך המקורי. אם נשלח אלומה כחולה לאזור המואר על ידי שיפולי האלומה הירוקה, נקבל פיצול לשתי אלומות הנעות בזויות שונות, שבכל אחת מהן יש כעת אור כחול ואור אדום. באחת האלומות האור הכחול והאור האדום הם בעלי אותו מופע (פאזה), והיא נעה ימינה, ובאלומה השנייה הן במופע הפוך והיא נעה שמאלה. שתי אלומות אלה הן האנלוג של הספין של האלקטרון בניסוי שטרן גרלך המקורי", הוא מוסיף.

לדבריו, אפשר גם להגדיל או להקטין את זווית הפיצול על ידי הגדלה או הקטנה של עוצמת הלייזר הירוק. "לעומת זאת, כאשר הוכנסה אלומה משולבת של כחול ואדום, לא ניתן היה לראות פיצול היות והקרן סטתה לכיוון אחד בלבד, כתלות במופע בין הצבעים שהוכנסו. ניסוי זה מקביל למקרה שבו מכניסים אטומי כסף בעלי ספין ״מעלה״ או ״מטה״ בלבד בניסוי שטרן גרלך".

לסיכום, החוקרים מסבירים כי פיצול מרחבי של אורכי גל אינו דבר חדש. מנסרה, למשל, מאפשרת פיצול מרחבי של אורכי גל לזוויות שונות, ואולם פיצול זה הוא קבוע ומפריד כל צבע לכיוון אחד. בניסוי שהודגם במסגרת מחקר זה, הפיצול מאפשר להשתמש בשילוב אורכי גל, כתלות במופע ביניהם, ולשלוט בזווית הפיצול על ידי אלומת אור נוספת. לתופעה זו יש יישומים פוטנציאלים בתחומים של עיבוד אותות ותקשורת אופטית, תקשורת קוונטית,  חישוב קוונטי, חישה מדויקת ועוד. החוקרים מאמינים שהניסוי יהווה את נקודת הפתיחה לניסויים נוספים שמנצלים את ההקבלה בין מערכות של אלקטרונים בשדה מגנטי לבין מערכות אופטיות.

^{צוות המחקר}