אוקיינוגרפיה

אוקיינוגרפיה היא ענף בין תחומי במדעי כדור הארץ העוסק בחקר האוקיינוסים ובתהליכים הכימיים, הפיזיים, הגאולוגיים והביולוגיים המתרחשים בהם.

התפתחות המחקר האוקיינוגרפי

המחקר האוקיינוגרפי הוא תחום מדעי צעיר למדי, אולם שורשיו בני עשרות אלפי שנים והם מגיעים עד לדייגים, ליורדי הים ולנווטים הראשונים אשר תרו את חופי האוקיינוסים וחוו את הגלים, הגאות והשפל, הזרמים והסערות. עמים רבים – בהם האבוריג'ינים, הפיניקים, המצרים, הפולינזים והויקינגים – פיתחו כלי שיט מסוגים שונים וטכנולוגיות שהלכו והתפתחו עם הזמן לבניית ספינות מהירות ועמידות.

האוקיינוסים היוו מקור מזון, אך גם מקור למסתורין באשר לתהליכים המתרחשים בו ומקור לאגדות על בעלי חיים מופלאים החיים בו, כקראקן, דיונוני ענק, סירנות ובנות ים. במיתולוגיות של רומא ויוון נקשרו לים אלים כנפטון, פוסידון ובנו טריטון והאוקיינוס המיתולוגי עצמו נתפס כנהר ענק שהקיף את העולם. הסכנות הרבות הכרוכות בהפלגה מופיעות בסיפורים מיתולוגיים רבים, דוגמת מסעם של יאסון והארגונאוטים בספינה "ארגו" בחיפוש אחר גיזת הזהב. עם זאת, נעשה ניסיון לפתח הבנה מדעית של הימים:

זרמים באוקיינוסים כפי שתועדו בשנת 1911

קרטוגרפים קדומים ציירו את המפות הראשונות של הים התיכון.
פילוסופים ומדענים כאריסטו, פליניוס הזקן וסטראבון תיעדו תצפיות שערכו על גאות ושפל.
תלמי שיצר את האטלס הראשון של העולם הידוע באותה עת.

להתפתחות משמעותית תרם בדה ונרביליס, אשר פרסם בשנת 725 את המסה "על חישוב הזמן" (De temporum ratione) ובה הוא מציין כי מסלולו של הירח תואם את מחזור הגאות והשפל. התפתחויות נוספות חלו במסעותיהם של הסינים – אשר עשו שימוש ראשון במצפן במאה הרביעית לספירה, ומאוחר יותר במסעותיהם של מגלי הארצות הויקינגים, האיטלקים, הפורטוגזים והספרדים – מסעות אשר תרמו רבות להבנת הזרמים והרוחות באוקיינוסים.

בעת החדשה חלה תאוצה בהתפתחות המחקר האוקיינוגרפי:

בשנת 1785 מיפה בנג'מין פרנקלין את זרם הגולף, אותו גילה חואן פונסה דה לאון (Juan Ponce de León) בשנת 1513.‏^[1]
בשובו ממסעותיו באונייה "ביגל" פרסם צ'ארלס דרווין מאמרים על שוניות אלמוגים ועל היווצרות אטולים.
בשנת 1840 ביצע ג'יימס קלארק רוס מדידות עומק ראשונות באוקיינוסים.
בשנת 1855 פורסם ספר הלימוד הראשון באוקיינוגרפיה "גאוגרפיה פיזית של הים" (Physical Geography of the Sea) על ידי מת'יו מורי (Matthew Fontaine Maury), שהשתמש ביומני קברניטים על מנת לשרטט מפות זרמים ואף ביקש מיורדי ים לערוך תצפיות ולהשליך לים בקבוקים עם ציון מקום כדי לעקוב אחר הזרמים ולעדכן את המפות.^[2]
בשנת 1858 הונח קו הטלגרף הטרנסאטלנטי הראשון אשר אישר את קיומו של הרכס המרכז-אטלנטי.

ספינת המחקר "צ'לנג'ר"

משלחת צ'לנג'ר

ערך מורחב – משלחת צ'לנג'ר

בסוף שנת 1872 יצאה משלחת מחקר ראשונה ובה 243 מדענים בראשות ג'ון מוריי (John Murray) – אוקיינוגרף וביולוג ימי קנדי ממוצא סקוטי, וצ'ארלס וייוויל תומפסון (Charles Wyville Thompson) – מדען רב תחומי מסקוטלנד. המשלחת יצאה בספינה "צ'לנג'ר", ספינת קרב שהוסבה לצורך המסע וכללה מעבדות, מיקרוסקופים ומכשור מדעי במטרה לאסוף מידע על תכונות האוקיינוסים: טמפרטורה, כימיה, זרמים, ביולוגיה וגאולוגיה של הקרקעית. המשלחת אספה דגימות מקרקעית האוקיינוסים ובעלי חיים ימיים מעומקים שונים, ונערכו מאות מדידות עומק. במהלך המסע נכתבו 29,500 עמודים ובתום 23 שנים עובדו ל-50 כרכים המכילים מידע מקיף על זרמים וטמפרטורת המים, 715 סוגים ו-4,717 מינים חדשים של צורות חיים – חלקם מצויים בעומק רב, ומפות של משקעים בקרקעית האוקיינוסים, קווי מתאר של אגנים אוקייניים, הרכס המרכז-אטלנטי ושקע מריאנה הסמוך לאיי מריאנה.

התפתחויות נוספות

בשנת 1882 נבנתה ה"אלבטרוס" – ספינת מחקר אוקיינוגרפית.
ב-1893 איפשר פריטיוף ננסן לספינתו "פראם" לקפוא בקרח הארקטי, וכתוצאה מכך השיג מידע אוקיינוגרפי, מטאורולוגי ואסטרונומי.
בשנת 1910 יצאה המשלחת הצפון אטלנטית בראשית ג'ון מוריי, שהיה חבר גם במשלחת צ'לנג'ר, ויוהאן היורט (Johan Hjort) למסע שנמשך 4 חודשים בשנת 1910 למחקר שאפתני של אוקיינוגרפיה וחקר הזואולוגיה הימית והפיקה בשנת 1912 את הספר "מעמקי האוקיינוס" (The Depths of the Ocean).
בשנת 1914 נערכה המדידה האקוסטית הראשונה של עומק הקרקעית.
בשנים 1925–1927 אספה משלחת "מטאור" 70,000 מדידות עומק באמצעות תהודה וסקרה את הרכס המרכז-אטלנטי.
בשנת 1950 המציא אוגוסט פיקרד (Auguste Piccard), פיזיקאי שווייצרי, את הבתיסקף - צוללת מאוישת קטנה המיועדת לצלילה למקומות עמוקים במיוחד.
בשנת 1953 התגלה השקע האוקייני הגדול – שקע בקרום האוקייני העובר לאורך הרכסים המרכז אוקייניים, כמו למשל הרכס המרכז-אטלנטי. השקע האוקייני התגלה על ידי מוריס יואינג (Maurice Ewing) – גאופיזיקאי ואוקיינוגרף אמריקני, וברוס היזן (Bruce C. Heezen) – גאולוג אמריקני.

טופוגרפיה של קרקעית האוקיינוסים

תרומת הסונאר

ערך מורחב – סונאר

הסונאר שיחק תפקיד חשוב בחקר האוקיינוסים ובמהפכה בחשיבה הגאולוגית, ולא פחות מכך – צירוף מקרים מוצלח.

הגאולוג האמריקני הארי האמונד הס, אשר שירת כקצין הצי האמריקני במלחמת העולם השנייה בהפעלת סונאר, גילה כי לא רק צוללות אויב מחזירות אותות אלא גם קרקעית האוקיינוס. הוא הבחין כי הקרקעית אינה שטוחה כפי שלמד אלא בנויה מעמקים ורכסי הרים. רכסי ההרים התת-ימיים העשויים בזלת וטמפרטורה שהגיעה ל-300°C גרמו להס להסיק כי רכסים אלה נבנו בהתפרצויות געשיות. תגלית זו סייעה לו לפתח את תאוריית התפשטות קרקעית הים כחלק מטקטוניקת הלוחות המבוססת על תאוריית נדידת היבשות של אלפרד וגנר. טקטוניקת הלוחות – שנהגתה על ידי ג'ון טוזו וילסון (John Tuzo Wilson) אשר זכה בגינה להכרה עולמית - התפתחה במהלך שנות ה-60 של המאה ה-20 והתקבלה על ידי מדענים בעולם כולו מאחר שהיא מספקת הסברים לתופעות גאולוגיות רבות.

המחקר המודרני

מאז 1970 החלו מחקרים בקנה מידה עולמי במטרה ללמוד את הקשר בין התנאים באוקיינוסים והשפעתם על הסביבה, כמו למשל תופעות אל ניניו ולה ניניה, הקשורות לטמפרטורה על פני שטחם של האוקיינוסים. בנוסף מתקיים קשר אמיץ בין המחקר האוקיינוגרפי המודרני לבין אחד מנושאי המחקר הבוערים במדע העולמי - התחממות העולמית.

התנהגות גלים במים רדודים

התנהגות גלים במים עמוקים

גלים וגלי פרא

ערך מורחב – גל פרא

נושא נוסף שנחקר בשנים האחרונות הוא התנהגותם של גלי ים, ובעיקר גלי פרא - המכונה לעיתים "גל משוגע" או "גל קיצוני". גלי פרא הם גלים חריגים בגודלם המתהווים באופן ספונטני על פני האוקיינוסים ומהווים איום אף לאוניות גדולות.

במשך תקופה ארוכה נחשבו סיפורים על גלי פרא כאגדות, אולם החל מן העשור האחרון של המאה ה-20 נערך איסוף וניתוח של מידע מדעי המוכיח כי מדובר בתופעת טבע שגרתית. מידע שהתקבל מלוויינים מאשר את הטענה כי גלים עד לגובה של 30 מטר שכיחים הרבה יותר ממה שנחזה על פי תורת ההסתברות, העושה שימוש בהתפלגות ריילי לצורך חיזוי גובה גלים.

תופעת גלי פרא נמצאת עדיין בשלבי מחקר ראשונים וגורמיה של תופעה זו עדיין לא התבררו עד תומם. עם זאת, מן המידע שנאסף עד כה, נמצא כי גלי פרא מתרחשים בשכיחות גבוהה יותר במקום שבו זרמי ים חזקים נעים בניגוד לכיוון הכללי של הגלים. מסיבה זו, האזור הסמוך לכף אגולס מול הקצה הדרומי של יבשת אפריקה הוא אזור שנמצא מועד לגלי פרא. אולם, כיוון שהסבר זה אינו מספק לגבי גלי פרא שנמצאו באזורים אחרים של האוקיינוסים, נראה שקיימים גורמים נוספים להיווצרות גלים אלה.

חקר "החלל הפנימי"

הקושי לחקור את מעמקי הים נובע בעיקר מלחץ הולך וגובר ככל שמעמיקים. בשקע מריאנה, לדוגמה, הלחץ בקרקעית מגיע ל-1,782 אטמוספירות.

נתון חשוב הוא מצבם של המשקעים בקרקעית, אשר בניגוד לסלעים על פני הקרקע החשופים לתהליכי בליה – סלעי הקרקעית שמורים היטב ומהווים ארכיון המפרט את ההיסטוריה הגאולוגית של כדור הארץ.

תולעי צינור

בשנת 1977 יצאו רוברט באלארד (Robert Ballard) וג'ון קורליס (John Corlis) בצוללת "אלווין" (DSV Alvin) לחקור רכסים מרכז אוקייניים וגילו בהם נביעות הידרותרמיות – הנקראות גם "מעשנות שחורות" (black smokers). ארובות אלה פולטות מתאן וגופרית – חומרים שלכאורה אינם מאפשרים קיום חיים. אולם, לצד הארובות התגלתה מערכת אקולוגית מורכבת. תולעים צינוריות באורך של יותר מ-2 מטרים משתמשות בבקטריות טפיליות החיות בתוכן לסינתזה ויצירת סוכרים. לצד אותן תולעים מתקיימת סביבת חיים עשירה ומגוונת שהפתיעה את המדענים, אשר עד אז האמינו כי לא ייתכן קיום חיים בסביבה חסרת אור ובתנאים קשים כל כך.

כלים מקצועיים

מגוון הכלים העומד לרשות המחקר האוקיינוגרפי הולך ומתרחב ככל שהטכנולוגיה מאפשרת, והוא כולל:

צוללות (מאוישות ובלתי מאוישות) וספינות מחקר
מחשבי-על המאפשרים עיבוד של מידע רב ומורכב
"בקבוקי ננסן" (Nansen bottles) לדגימת מי ים בעומקים שונים, פרי פיתוח של פריטיוף ננסן אשר שיפור שלהם על ידי של ניסקין (Shale Niskin) נקרא "בקבוקי ניסקין".
תרמיסטורים (thermistor) – נגדים רגישים לחום
מצופים האוספים מידע על רוחות, תנועת גלים וטמפרטורה
לוויינים המשמשים גם לתקשורת ואיסוף מידע וגם לצילום האוקיינוסים ותיעוד זרמים ושינויים בטמפרטורת המים
קידוחים הנערכים במסגרת התוכנית המשולבת לקידוחים אוקייניים (Integrated Ocean Drilling Program), תוכנית רב-לאומית אשר מטרתה לחקור את מבנה כדור הארץ ואת ההיסטוריה שלו באמצעות משקעים אוקייניים וסלעים

מבנה האוקיינוסים

חלוקת האוקיינוס לאזורים

לצורך מחקר יסודי נחלק אוקיינוס לכמה אזורים שלכל אחד מהם עומק קרקעית וסביבה ביוגנית אופיינית:

האזור הפותי (photic zone) – אזור מואר היטב ובו מדף היבשת הנמשך מן החוף עד לעומק של 200 מטרים ורוחשת בו פעילות ביוגנית רבה. במדף היבשת שני אזורי משנה:
- אזור החוף (littoral zone) – נושק ליבשה ובתחומו נשברים גלי הים ומתרחשים הגאות והשפל
- האזור הנריטי (neritic zone) – נמשך מאזור החוף עד לעומק של 200 מטרים
האזור האפותי (aphotic zone) – אזור שאינו מואר היטב ובו אזורי משנה:
- האזור הבתיאלי (bathyal zone) – אזור שבו עומק הקרקעית בין 200 ל-2,000 מטרים
- אזור התהומות (נקרא גם "האזור האביסלי", abyssal zone) – אזור שבו עומק הקרקעית בין 2,000 ל-6,000 מטרים
- האזור ההאדלי (hadal zone) – אזור שבו עומק הקרקעית יותר מ-6,000 מטרים

גם היצורים החיים באוקיינוסים נחלקים לקבוצות:

בנתוס (benthos) – היצורים החיים בתוך הטין בקרקעית הים או עליה
פלגיים (palegic) – היצורים הצפים או שוחים בשכבות שונות של המים:
- אפיפלגיים (epipalegic) – היצורים החיים עד לעומק של 200 מטרים
- מזופלגיים (mesopalegic) – היצורים החיים בעומק שבין 200 ל-1,000 מטרים
- בתיפלגיים (bathypalegic) – היצורים החיים בעומק שבין 1,000 ל-2,000 מטרים
- אביסלפלגיים (abyssalpalegic) – היצורים החיים בעומק שבין 2,000 ל-6,000 מטרים
- האדלפלגיים (hadalpalegic) – היצורים החיים בעומק של יותר מ-6,000 מטרים

גיל הליתוספירה באוקיינוסים

תחומי מחקר

אוקיינוסים מכסים יותר מ-70% משטח כדור הארץ וחיים בו כ-90% מתוך כלל מיני בעלי החיים. לאוקיינוסים השפעה רבה על האקלים ומזג האוויר, על ריכוז הגזים באטמוספירה, על האקולוגיה העולמית ועל שרשרת המזון.

מפאת ריבוי נושאי המחקר נחלקת האוקיינוגרפיה לתחומי משנה:

גאולוגיה ימית - תחום זה עוסק בקרקעית האוקיינוס - חלק קרום כדור הארץ הנמצא מתחת לאוקיינוס, בתהליכים המתרחשים בו – כגון תנועת לוחות טקטוניים ורעידות אדמה, וכן במשקעים ובסלעים המרכיבים אותו. גאולוגיה ימית משלבת גאופיזיקה, גאוכימיה ופלאונטולוגיה על מנת לקבל תמונה שלמה של הקרקעית.
אוקיינוגרפיה פיזיקלית – תחום זה עוסק בתכונות הפיזיקליות של האוקיינוס ובעיקר בתנועת המים – זרמים, גאות ושפל וגלי ים, וכן תנועת הרוחות על פניהם.
אוקיינוגרפיה כימית – תחום זה עוסק בתכונות הכימיות של האוקיינוס ובקשר בינן לבין האטמוספירה.
ביולוגיה ימית – תחום זה עוסק בלימוד החי והצומח באוקיינוס ובמערכות אקולוגיה ימיות.