שרפת ביומסה

שרפת ביומסה היא שרפה של צמחייה יבשה או חיה, מכוונת על ידי אדם או כזו המתלקחת ממכת ברק. מעריכים כי מרבית שרפת הביומסה, בעיקר באזורים הטרופיים (אולי אף 90 אחוזים), היא מעשה ידי אדם, לטובת בירוא השטח לשימוש בקרקע. שרפות טבעיות שנדלקות מברקים אטמוספיריים אחראיות ככל הנראה לכעשירית מכלל השרפות. שרפת ביומסה משמעותית מתרחשת גם ביערות הצפוניים של רוסיה, קנדה ואלסקה.

שרפת ביומסה היא מקור משמעותי של גזים ושל חלקיקים לאטמוספירה - אזורית וגלובלית. רוב שרפת הביומסה בעולם מתרחשת באזורים הטרופיים - ביערות הטרופיים של דרום אמריקה, דרום מזרח אסיה ובסוואנות של אפריקה ושל דרום אמריקה. שרפת ביומסה היא נושא רב תחומי, ומתייחסים אליו גם בתחומי המחקר של אקולוגיית בעירה, מדידת שרפות, מידול שרפות, חישה מרחוק, פליטת חלקיקים וגזים משרפות וכן השפעות פליטות אלה על האקלים.

חוקרים מצאו כי לשרפת ביומסה השפעה משמעותית על פולסים של מתאן שנצפו בתקופות שונות. העלייה הגלובלית של המתאן ב-1997 למשל, נזקפה לשרפת שטחי צמחייה הרחבים, לשרפת הכבול מתחת לפני הקרקע באינדונזיה ולשרפות ביערות הצפוניים של רוסיה ב-1998. העלייה במתאן מ-2000 ל-2003 מיוחסת להגברת הפליטות משרפת יערות צפוניים בתקופה זו.

השפעה כימית של תוצרי הפליטה

שרפת ביומסה היא גורם משמעותי של חלקיקים ושל גזים לאטמוספירה ברמה גלובלית. פליטות החלקיקים ופליטות הגזים כתוצאה משרפת ביומסה תלויות בטבעו של החומר, הקשור במערכת האקולוגית ובטמפרטורת האש, אשר תלויה גם היא במערכת האקולוגית. הביומסה מורכבת בעיקר מפחמן (כ-45% מהמשקל) וכן מימן וחמצן (55% מהמשקל), כמו גם מעט חנקן, גופרית, זרחן, אשלגן, וכמויות קטנות אף יותר של כלור ושל ברום.

בעירת החומר בשרפה מלאה מייצרת פחמן דו-חמצני ואדי מים כתוצרים העיקריים על פי הריאקציה:

$CH_{2}O+O_{2}\rightarrow CO_{2}+H_{2}O$

כאשר $CH_{2}O$ מייצג את התרכובת האופיינית של חומר ביומאסיבי. במקרים מציאותיים יותר, שבהם הבעירה היא חלקית, באש קרה יותר או מחוסרת חמצן - שלב העשן של השרפה, פחמן משתחרר בצורות של $CO$, $CH_{4}$ כפחמימנים שאינם מתאן ($NMHCs$), וכן כתרכובות אורגניות שונות מחומצנות למחצה, כולל אלדהידים, כוהלים, קטונים וחומצות אורגניות, וכן פחמן שחור.

גאוגרפיה של שרפת ביומסה

בעבר רווחה ההנחה כי שרפת ביומסה היא בעיקר תופעה טרופית. זאת משום שרוב המידע הגאוגרפי על פיזור השרפות הגיע מהאזורים הטרופיים. מידע מועט מאוד היה זמין על פישוט השרפות בזמן נתון ביערות הצפוניים, שהם רבע מכלל היערות בעולם.

יש מספר סיבות לכך ששרפות ביערות צפוניים הן חשובות מאוד. היערות הצפוניים רגישים מאוד להתחממות גלובלית. שינויים קטנים בטמפרטורת הקרקע עשויים להשפיע על משוב האלבדו של קרח ושל שלג (שינוי באחוז הקרינה שמחזירה הקרקע). לפיכך, תהליכי בליעת קרינה תת-אדומה של גזי חממה, תוצרי פליטת שרפות, כמו גם שינויים באלבדו הקרקע כתוצאה משרפות, משמעותיים יותר מאשר באזורים הטרופיים. ביערות הצפוניים התחממות גלובלית תוביל לאקלים חם ויבש יותר, והדבר עלול להגביר אף יותר את תדירות השרפות המלוות בפליטת פחמן דו-חמצני ומתאן, שיגבירו שוב את אפקט החממה וכך הלאה.

לשרפות ביערות הצפוניים יש את האנרגיה הרבה יותר בטבע. איכול הדלק (שנכללים בו כל החומרים הדליקים בסביבת השרפה) ליחידת שטח ביערות הצפוניים הוא מסדר גודל של 25,000 ק"ג להקטר, הגדול בסדר גודל אחד מהיקף הדלק באזורים הטרופיים. שרפות ביערות צפוניים גדולים בדרך כלל מתפשטות במהירות רבה, על פי רוב ב'שרפות צמרות', אשר שורפות את העץ כולו עד לצמרת. בבעירת יערות צפוניים רחבים משתחררת אנרגיה רבה שיכולה לייצר עמוד עשן קונבקטיבי במעלה הטרופוספירה, שלעיתים אף מצליח לחדור את הטרופופאוזה (הגבול שבין שתי שכבות האטמוספירה - טרופוספירה וסטרטוספירה) אל הסטרטוספירה, אשר גובהה המינימלי הוא באזור זה.

הטמפרטורה הנמוכה של הטרופוספירה באזור היערות הצפוניים אחראית למיעוט באדי מים המצויים בה. המחסור באדי מים ודלילות קרני השמש במשך רוב השנה, אחראיים לייצורו הדל עד מאוד של הרדיקל הידרוקסיל, OH. רדיקל זה הוא 'אוכל הנבלות' הכימי בטרופוספירה והוא קובע את משך החיים האטמוספירי של גזים טרופוספריים רבים, כולל מתאן המיוצר על ידי שרפת ביומסה. לפיכך לגזים המיוצרים על ידי שרפה, כמו פחמן חד-חמצני, מתאן ותחמוצות חנקן יהיה משך זמן ארוך יותר ביערות הצפוניים.

השפעה על אקלים ומזג האוויר

חלקיקים מוצקים שמיוצרים בבעירה, הקטנים בדרך כלל מ-10 מיקרומטר, כמו עשן או פיח, משוחררים גם הם אל האטמוספירה. חלקיקים אלה בולעים ומפזרים את קרני השמש ולפיכך משפיעים על האקלים המקומי, האזורי והגלובלי. יתרה מזו, חלקיקים אלה, ובמיוחד אלו הקטנים מ-2.5 מיקרון, עלולים להוביל לבעיות בריאותיות כנשאפים, ובעיקר בעיות בנשימה. הגזים והחלקיקים המיוצרים במהלך שרפת הביומסה מובילים ליצירה של ערפיח.

השפעת פליטת הגזים והחלקיקים יכולה להתבטא בכמה מישורים. שרפת ביומסה היא מקור משמעותי גלובלי לפחמן דו-חמצני ולמתאן, גזי חממה שגורמים כאמור להתחממות גלובלית. שרפת ביומסה היא מקור משמעותי גלובלי לפחמן חד-חמצני, למתאן, לפחמימנים שאינם מתאן ותחמוצות חנקן. גזים אלה מובילים לייצור פוטוכימי של אוזון בטרופוספירה, חומר מזהם ומגרה ולו השפעה שלילית על הצמחייה, על החי ועל האדם. למתיל כלוריד ולמתיל ברומיד, על אף שמשוחררים בכמות מזערית לאטמוספירה, השפעה שלילית על האוזון הסטרטוספרי. שני אלה הופכים חשובים יותר באופן יחסי, משום שהמקורות האנושיים לחומרים אלה נאסרו בפרוטוקול מונטריאול, כמו גם חומרים נוספים שפוגעים באוזון הסטרטוספרי. חלקיקים המיוצרים במהלך שרפת ביומסה בולעים ומפזרים קרינת שמש המשפיעה על האקלים ועל מזג האוויר (כפי שמוסבר בהמשך הערך בחלק על ברקים). בנוסף, חלקיקים אלה פוגעים בראות האטמוספירית. על פי מחקרים, חלקיקים במהלך שרפת ביומסה חודרים אף לסטרטוספירה, באמצעות זרם אנכי תרמי קונבקטיבי המיוצר בעת הבעירה - כלומר האוויר שהתחמם מהשרפה מתפשט, נעשה צפוף פחות, ועולה מעלה.

יחסי גומלין בין ברקים ובין שרפות

הצתת שרפות על ידי ברקים

כ-90% מהשרפות בעולם הן מעשה ידי אדם והשאר נדלקות בגלל ברקים מסוג "ענן-קרקע" (Cloud-Ground - CG), אלה מכונות "שרפות טבעיות". כדי שתיתכן שרפה, על האזור להיות יבש, ולכן הברקים שיוצרים את השרפה צריכים לפגוע במקום דל או חסר משקעים (ברקים אלה מכונים "ברקים יבשים"). לא ידועה סיבה טבעית לשרפות שאינה נובעת מברקים. חזאים מנסים לצפות זמנים של ברקים יבשים באמצעות שימוש במדדי יציבות מסורתיים (למשל מדד ה-K) ומדד היינס (Haines index). מדדי היציבות יעילים בחיזוי זמנים של קונבקציה, אולם הם לא נועדו להבחין בין סופות יבשות ולחות. במדד היינס יש פקטור של לחות בשילוב עם גורם יציבות, כדי ליצור מדד לכימות סכנת התפשטות האש. אף על פי כן, יעילותו של מדד זה בהערכת הידלקות שרפות על ידי ברקים היא מוגבלת, משום שקטגוריות המדד גסות יתר על המידה.

הערכת הסיכוי לשרפה כתוצאה ממכת ברק יבש היא מורכבת וכוללת גורמים רבים - לחות החומר הנשרף - "הדלק", תנאי הלחות באטמוספירה, כמויות ומשך הגשם בזמן הברק. בשנים יבשות באופן חריג, שרפות עלולות להידלק למרות קיומו של גשם משמעותי, מפאת יובשו הקיצוני של הדלק. גם ההגדרה של "ברק יבש" מתעתעת. ברקים יכולים להתקיים גם ללא משקעים משמעותיים, למשל בסופה בת בסיס גבוה אשר משקעיה העיקריים הם וירגה (מצב שבו גשם מתאדה בעודו באוויר), ולחלופין, ברק יכול להיות תוצר של סופה עתירת משקעים דווקא, אך הוא עצמו פוגע בקרקע באזור יבש, שאינו מתחת לעמוד המשקעים. אפשרות נוספת היא ברק מסופה המתקדמת מאוד מהר, ועל אף שמורידה משקעים, התקדמותה מונעת מהמשקעים להיאסף במקום אחד וכך מתאפשרת דליקה.

המרכזים הלאומיים לחיזוי סביבתי (The National Centers for Environmental Prediction - NCEP) חוזים את פוטנציאל לסופות רעמים יבשות (שבהגדרה מייצרות פחות מ-2.5 מ"מ גשם) כחלק מהתוכנית למזג האוויר של שרפות. מודל זה מציג מפה שמשלבת את האנרגיה הפוטנציאלית הקונבקטיבית הזמינה (CAPE) ואת הלחות היחסית הממוצעת בלחץ 6 kPA הנמוכים ביותר של האטמוספירה (כ-600 מטרים מעל פני הקרקע).

השפעת שרפות על היווצרות ברקים

מלבד השפעה ישירה של ברקים על שרפות בעצם הדלקתן, גם לחומרים הנפלטים משרפות השפעה על אופי מזג האוויר בכלל ועל סופות בפרט. עדויות רבות, שעדיין נאספות, מציעות שיצירת ברקים עלולה להשתנות על ידי שינויים במזהמים ובאירוסולים באוויר שנשאב על ידי הסופה. שינוי עשוי להיות הפסקה מוחלטת של ברקים, גם בסופה רצינית. כך למשל, קיומו של מוץ אלומיניום באטמוספירה גורם להפסקת ברקים. אפשרות אחרת, היא עלייה בסוג ברקים מסוים. כך למשל, באזורים אורבניים, תועדה עלייה מ-40% ל-85% בשיעור הבזקי ה-CG (ללא מיון בקוטביות). חשוב לדעת שחלק מברקי ה-CG הם בעלי קוטביות חיובית, ומסומנים +CG. ברקים אלה הם מיעוט מקרב הברקים (כ-5% אחוזים) ויש להם מאפיינים ייחודיים - משך ההבזק ארוך יותר, הספקם יכול להגיע לפי עשרה יותר מאשר ברק CG-, הם נפוצים יותר עם שוך הסופה, ובדרך כלל יש להם מכה אחת בלבד. כך גם באזורים מזוהמים בשוודיה בנשורת גרעינית של צ'רנוביל היה שיעורי הברקים גדול יותר. בניסיון מכוון לשנות את מאפייני החשמל של הסופה, חוקרים פיזרו מטען שלילי לבסיס עננים קונבקטיביים אורוגניים (שהיווצרותם קשורה בטופוגרפיה) ולאחר מכן דיווחו על אנומליה בשדה החשמלי ועל הבזקים בקרקע. תופעה דומה נצפתה גם באופן טבעי - מטען חשמלי שנוצר על ידי שרפות יער קטנות השפיע על סוג הברקים מסופה, והיא ייצרה אך ורק הבזקי +CG. בכלל, נמצאו אחוזים גבוהים של הבזקי +CG בסופות המושפעות משרפות. גורם משמעותי שמשפיע על אופי סופה הוא גרעיני ההתעבות (CCN) וגרעיני הקרח (IN). ללא גרעינים כאלה, הלחות שבענן אינה יכולה להתגבש לטיפות משמעותיות, ובלעידיהן משקעים בלתי אפשריים. כמות גרעיני ההתעבות משפיעה על גודל הטיפה ובכלל על תהליכים מיקרופיזיקליים בענן. מחקרים מסוימים הראו שעשן שהתפשט אלפי קילומטרים השפיע על התפלגות סוגי הברקים השונים בסופות, ומאחר שמטען חשמלי אינו יכול להיות מוסע למרחק רב כל כך, ההנחה היא שקיימת השפעה מיקרופיזיקלית בגלל תוצרי הסופה.

בהשפעה של אירוסולים אנתרופוגניים (הנפלטים כתוצאה מפעולות אדם) על עננים גלומה האפשרות להיות מרכיב חשוב בחיזוי השינוי האקלימי, וחרף זאת, רב הנסתר בה על הגלוי. ייתכן שכמות האירוסולים הגבוהה עשויה לשנות את עוצמת הקונבקציה וכפועל יוצא גם את הפעילות החשמלית של ענני סופות ברקים. לאירוסולים עלולה להיות גם השפעה הפוכה, שדווקא מדכאת קונבקציה. אירוסולים באוויר בולעים את קרינת השמש ומתחממים, ובכך גורמים להתחממות סביבתם ולהתקררות הקרקע. התחממות בגובה תורמת ליציבות האטמוספירית ומדכאת קונבקציה. במחקר שנערך באמזונס נעשה ניסיון לעמוד על המאזן שבין שני הגורמים הללו. המחקר נערך בעונה היבשה, מועטת המשקעים באזור, אשר בה מובערות שרפות רבות בשטח, בעיקר לצרכים חקלאיים. למחקרים מסוג זה נעשה שימוש ברשת הכלל עולמית למיקום ברקים (WWLLN-World Wide Lightning Location Network), המודדת סיגנלים של התפרקויות חשמליות, יחד עם מידע מההתקן הלווייני AQUA Modis, שמספק נתונים על אירוסולים ועל עננים. במחקר המדובר נתונים אלה סייעו בהצגת עדות לתקופת מעבר בין שתי ההשפעות הסותרות של האירוסולים והעננים. הלוויין מספק נתונים על העובי האופטי של האירוסולים (Aerosol Optical Depth - AOD), וזהו מדד לריכוזם.

כאמור, האפקט המיקרופיזיקלי קשור לכך שאירוסולים משמשים גרעיני התעבות וגרעיני קרח. שינויים בריכוזם משנים את התפלגות הגדלים של טיפונות הענן (טיפות המים המזעריות המרכיבות את הענן) ולאחר מכן את חלקיקי הקרח ולפיכך משפיעים על תהליכים פנימיים בענן - שיעורי התעבות והתאדות, שחרור חום כמוס ויעילות ההתנגשות-התמזגות (Collision coalescence efficiency). עשן כבד משרפות יער מקטין את גודל הטיפונות וכתוצאה מכך מעכב משקעים. עיכוב תחילת המשקעים מאפשר את התעצמותם של העננים, גורם לזרמים אנכיים חזקים יותר, ברד גדול יותר, וסבירות גבוהה יותר לקונבקציה. סימולציות עננים הראו גם כי זיהום אירוסולים באטמוספירה לחה בלת יציבה יכולה להניע עננים לפתח זרמים אנכיים חזקים יותר, לגדול גבוה יותר ולהתניע התפתחות סופות שניוניות. חשוב לציין שיש קשר הדוק בין עוצמת הקונבקציה ובין הפעילות החשמלית בענן. בעננים קונבקטיביים עמוקים יכולים להיות זרמים אנכיים חזקים, עם אזור רחב משולב פאזות (כלומר מים במצבי צבירה שונים), עם כמות מוגברת של שטף קרח וברד רך (גראופל). כל אלה חיוניים לתהליך הטעינה הלא-השראתי, שעל פי רוב, מיוחס לו ייצור החשמל בסופה.

ההשפעה הקרינתית של אירוסולים על תכונות הענן היא תוצאה של בליעה ופיזור של קרינת השמש על ידם. האירוסולים הבולעים מחממים את שכבת האטמוספירה הסובבת אותם, ובכך מקטינים את הלחות היחסית, בזמן שהם מקררים את הקרקע. תהליך זה מייצב את פרופיל הטמפרטורה מתחת לשכבת האירוסולים, מקטין את שטף לחות הקרקע ומוביל להפחתה בעננות. 

מהמחקר עולה כי עבור ערכים נמוכים של אירוסולים, עלייה בריכוזם מביאה גם לעלייה בכמות הברקים, בעוד שעבור ערכים גבוהים יותר של אירוסולים, המגמה מתהפכת, ויותר אירוסולים מובילים לירידה בכמות הברקים. מכאן ניתן ללמוד ששני האפקטים המתוארים קודם תקפים ופועלים במקביל. כאשר יש מעט אירוסולים, גידול בכמותם משנה את התהליכים המיקרופיזיקליים, אשר גוברים על התהליך הקרינתי, ומעצימים את הברקים. עם העלייה בכמות האירוסולים, גובר התהליך הקרינתי, מייצב את הטמפרטורה, מקטין את הקונבקציה ובכך גם את כמות הברקים.