ד"ר מירה בר-מטיוס, חוקרת המכון הגיאולוגי לישראל, היא כלת פרס ישראל לשנת 2026 בתחום הגיאולוגיה ומדעי כדור הארץ. הפרס יוענק לה על תרומתה יוצאת הדופן לחקר האקלים של העבר. מירה הקדישה את קריירת המחקר שלה למשקעי המערה (speleothems), ביניהם נטיפים וזקיפים, ששימשו אותה ואת צוותה כ”ארכיונים טבעיים” לשחזור תנאי אקלים ורעידות אדמה לאורך עשרות עד מאות אלפי שנים.
בעידן שבו שינויי אקלים מתרחשים לנגד עינינו, חקר האקלים הקדום של כדור הארץ אינו רק עיסוק אקדמי, אלא כלי מרכזי להבנת עתיד כדור הארץ. בר-מטיוס הייתה מהראשונות להדגים איך ניתן לחלץ מן הטבע מידע מפורט על תנאי האקלים ועל דפוסי המשקעים בעבר. בהמשך היא הראתה שאפשר להפיק ממנו גם מידע על רעידות אדמה ותזוזות קרקע שהתרחשו בכדור הארץ הקדום. באמצעות שילוב שיטות גיאוכימיות מתקדמות היא פתחה חלון אל העבר הסביבתי והטקטוני של אזור הים התיכון והמזרח התיכון.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
“מלחמת האזרחים” של השימפנזים
מחלות ללא גבולות: קדחת באפריקה, חצבת בכל מקום
ממערכת העיכול למערכת התגמול
חוש הקצב של הדבורים
סיפורי משקעים
בר-מטיוס נולדה וגדלה בשכונת בית הכרם בירושלים. את דרכה האקדמית החלה בשנת 1969 בלימודי גיאולוגיה, שבמסגרתם התפתח העניין שלה בתהליכים המעצבים את כדור הארץ לאורך זמן. היא המשיכה את לימודיה במחלקה לגיאולוגיה באוניברסיטה העברית, ולאחר מכן קיבלה משרת מחקר במכון הגיאולוגי.
במהלך הקריירה המדעית שלה חקרה בר-מטיוס את האופן בו מים מגיבים עם סלעים ומשנים את הרכבם, בפרט ביצירת משקעים קרבונטיים (פחמתיים). פחמה (קרבונט) היא תרכובת שנוצרת מתגובה בין פחמן דו-חמצני המומס במים לבין חומרים שמצויים בסביבה. אחת התרכובות הקרבונטיות הנפוצות בטבע היא סידן פחמתי, שהוא המרכיב העיקרי בסלעי גיר ובמשקעים קרבונטיים רבים.
סלעים קרבונטיים נוצרים בסביבות שונות ובאמצעות מנגנונים שונים. בים, רבים מהם מתגבשים כתוצאה מפעילות ביולוגית: יצורים ימיים בונים שלדים וקונכיות מסידן פחמתי, ולאחר מותם מצטברים שרידיהם ויוצרים שכבות סלע. ביבשה, לעומת זאת, מתרחש תהליך כימי בעיקרו: מי גשם סופחים פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה ומהקרקע, נעשים מעט חומציים וממיסים סידן מן הסלעים. כאשר תנאי הסביבה משתנים, למשל עקב שינוי טמפרטורה או התאדות, הסידן הפחמתי שוקע ומתגבש מחדש. כך נוצרים מגוון משקעים קרבונטיים יבשתיים, ובהם נטיפים וזקיפים במערות, טרוורטין (סוג של אבן גיר) במעיינות ועוד.
5 צפייה בגלריה
מי גשם סופחים פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה ומהקרקע, נעשים מעט חומציים וממיסים סידן מן הסלעים. כאשר תנאי הסביבה משתנים, הסידן הפחמתי שוקע ומתגבש מחדש. אילוסטרציה של מחזור המים ויצירת נטיפים במערות
(איור: נוצר באמצעות Gemini)
אחד השימושים המרכזיים במשקעי קרבונט במחקר נעוץ ביכולתם לשמר "זיכרון" של תנאי הסביבה בזמן היווצרותם. ההרכב הכימי של הקרבונט משתנה בהתאם לתנאים שבהם שקע המינרל. מידע רב אפשר להפיק מהיחס בין איזוטופים שונים: איזוטופים הם צורות שונות של אותו יסוד, שנבדלות ביניהן במספר הנויטרונים בגרעין. איזוטופים שונים מגיבים באותה צורה בתגובות כימיות, אך אפשר להבדיל ביניהם בעזרת משקלם. במשקעי קרבונט אפשר למצוא איזוטופים של חמצן – חמצן 18 לצד חמצן 16 הנפוץ יותר – ושל פחמן – פחמן 13 יחד עם פחמן 12 הנפוץ.
היחס בין איזוטופי החמצן, למשל, משקף את הרכב מי הגשם שמהם נוצר, והוא עשוי להכיל מידע על שינויים בכמות המשקעים ובמידת האידוי שלהם בתקופות שונות. אותו עיקרון עומד גם בבסיס מחקרי שכבות הקרחונים מהקטבים, שבעזרתם שוחזרו תקופות קרח ותקופות בין-קרחוניות לאורך מאות אלפי שנים. כשם שהקרח משמר מידע על תקופות הקרח דרך היחסים האיזוטופיים של החמצן, כך גם משקעים קרבונטיים אוצרים בתוכם מידע על תנאי האקלים והסביבה.
בשנים שבהן החלה בר-מטיוס את מחקריה, חקר האקלים הקדום נשען בעיקר על משקעי קרחונים מאזורי הקטבים או על סלעים ימיים, ואילו הפוטנציאל של משקעים קרבונטיים יבשתיים כארכיון אקלימי מקומי טרם נוצל.
5 צפייה בגלריה
איזוטופים הם צורות שונות של אותו יסוד, שנבדלות ביניהן במספר הנויטרונים בגרעין. אילוסטרציה של שני איזוטופים של חמצן, חמצן 16 וחמצן 18
(איור: Shutterstock, gritsalak karalak)
הדרך אל הארכיון האקלימי: מערת שורק
בשיחה עם אתר מכון דוידסון סיפרה בר-מטיוס כי הרעיון שלפיו משקעי מערות עשויים לשמש ארכיון אקלימי הוצג לראשונה בשנות השמונים. חוקרים שבחנו משקעים כאלה בצפון-מערב אנגליה ובהרי הרוקי הקנדיים הבינו כי מאחר שהם נוצרים רק כאשר מים מטפטפים למערה, הם משקפים תקופות של אקלים לח לעומת תקופות קפואות. אולם באותה תקופה קשיים טכניים בתיארוך ובהבנת ההרכב האיזוטופי הגבילו את היכולת להפיק מהמשקעים מידע אקלימי אמין. אותה קבוצה אף פרסמה מסמך שלפיו מחקר מסוג זה יקר מדי, בעיקר בכל הקשור לתיארוך מדויק, וההשקעה איננה מצדיקה את עצמה.
על הרקע הזה, בתחילת שנות התשעים החלה בר-מטיוס, לצד ד"ר אבנר איילון מהמכון הגיאולוגי, לחקור משקעי מערות במערת שורק שבסמוך לירושלים. לדבריה, המערה עמדה להיפתח לקהל, ורשות שמורות הטבע פנתה למכון הגיאולוגי כדי לבצע מחקר שיצביע על דרכים לשמר את יופייה וייחודה של המערה לאור ריבוי המבקרים הצפוי בה. במהלך המחקר נחשפה בר-מטיוס לחתכי נטיפים, שחשפו טבעות גידול – בדומה לטבעות גידול בעצים – בעובי ובצבעים שונים. "לי היה ברור שכל שכבת גידול עשויה להכיל מידע אצור", אמרה. הבנתי כי טיפת מים שממנה שוקע מגוון כזה של טבעות חייבת לשמר בתוכה הרכב בעל ‘חותם’ סביבתי”. כך החל תהליך ארוך שנים, שהוביל בסופו להפקת ארכיון אקלימי מנטיפי המערות.
כדי להבין מהו אותו חותם סביבתי החלה בר-מטיוס, יחד עם עמיתיה, לחקור את הקשר בין ההרכב האיזוטופי של הפחמן והחמצן לכמות מי הגשמים. המחקר הניב שני מאמרי מפתח שפורסמו ב-1991 וב-1996, והראו כי ההרכב האיזוטופי של הנטיפים משקף באופן ישיר את הרכב מי הגשם והקרקע בזמן היווצרותם. אלו ביססו את הקשר בין ההרכב האיזוטופי של המשקעים במערה לבין תנאי האקלים בסביבתה.
5 צפייה בגלריה
במהלך המחקר נחשפה בר-מטיוס לחתכי נטיפים, שחשפו טבעות גידול – בדומה לטבעות גידול בעצים. חתך בנטיף
(צילום: Shutterstock, Lapis2380)
המכשיר שפרץ את הדרך
הממצאים אומנם הוכיחו כי נטיפים וזקיפים משמרים תיעוד אמין של תנאי האקלים בעבר, אולם גילי התקופות המתועדות טרם נקבעו. או אז פנתה בר-מטיוס לפתח שיטות תיארוך מדויקות יחד עם קולגות מהארץ ומארצות הברית, בעיקר אהרון קאופמן מהמחלקה למדעי הסביבה במכון ויצמן למדע. תארוך הנטיפים מבוסס על התפרקות של היסוד אורניום: כאשר סידן פחמתי שוקע מטיפת מים ויוצר שכבה חדשה על הנטיף, הוא מכיל כמויות זעירות של אורניום אך כמעט אינו מכיל את היסוד תוריום. עם הזמן, האורניום מתפרק בקצב ידוע והופך לתוריום. מדידה של היחס בין אורניום לתוריום באמצעות ספקטרומטר מסות ייעודי מאפשרת לחשב את גילה של כל שכבה, לעיתים בדיוק של מאות שנים, גם עשרות אלפי שנים לאחור. כך אפשר לבנות ציר זמן רציף של גדילת הנטיף.
תיארוכים ראשוניים בשיטה שפיתחו בר-מטיוס ועמיתיה בוצעו באמצעות ספקטרומטר מסות במכוני מחקר בינלאומיים, והציגו גילי מחצבי מערות ברזולוציה גבוהה. לאור זאת, בתחילת שנות ה-2000 רכש המכון הגיאולוגי ספקטרומטר מסות ייעודי, והפך למוביל בתחום התיארוך בשיטת אורניום-תוריום בארץ.
באמצעות התיארוך המדויק הראו מחקרים כי משקעי מערת שורק נוצרו באופן רציף לאורך תקופות קרח ותקופות בין קרחוניות, וכי השינויים האיזוטופיים בהם משקפים שינויים אקלימיים לאורך זמן. דפוסים דומים נמצאו עם הזמן גם במערות אחרות בישראל, ואישרו שהממצאים משורק מהווים ארכיון אזורי ולא מקומי בלבד. השוואה למשקעים מהים התיכון הראתה שינויים איזוטופיים בו-זמניים במערות ובים, והביאה למסקנה כי החתימה האיזוטופית שמראים הנטיפים מייצגת מסלול גלובלי, המתחיל בימים ובאוקיינוסים, עובר לעננים, לגשם, לקרקע ובסופו של דבר למערה. יכולת התיארוך המדויקת, אם כן, הפכה את משקעי המערות לכלי אמין במיוחד לשחזור העיתוי, הקצב והעוצמה של שינויי האקלים ביבשה, ולהבנת השפעתם על הסביבה ועל האדם. מערת שורק הפכה בזכות מחקריהם של בר-מטיוס ועמיתיה, בעיקר אבנר אילון, לאחד מאתרי הפליאו-אקלים החשובים בעולם, ולארכיון ייחוס עולמי, שאליו אפשר להשוות נתונים מאזורים אחרים.
5 צפייה בגלריה
מערת שורק הפכה בזכות מחקריהם של בר-מטיוס ועמיתיה לאחד מאתרי הפליאו-אקלים החשובים בעולם. הנטיפים במערת שורק
(צילום: ויקימדיה, Relly.hendel)
בהמשך, על רקע התפתחות חקר הטקטוניקה הפעילה והעניין הגובר בהערכת סיכונים סיסמיים, התרחב מחקרה של בר-מטיוס גם לתחום הפליאו-סיסמולוגיה. התעוררה השאלה אם הנטיפים, גופים עדינים יחסית ושבריריים, אינם רק משמרים ארכיונים אקלימיים, אלא גם מעידים על רעידות אדמה משמעותיות. תוך שיתוף פעולה רב-תחומי עם חוקרי רעידות אדמה, זוהו באמצעות שברים, הטיות ושינויים פתאומיים בגדילת נטיפים רעידות אדמה קדומות. כך למעשה הראתה בר-מטיוס כי אפשר לזהות רעידות אדמה קדומות ולהרחיב את הקטלוג הסיסמי אלפי שנים לאחור.
האתגר האישי והמסר לדורות הבאים
בר-מטיוס סיפרה כי החלה לכתוב את הדוקטורט שלה לאחר לידת בתה השלישית, וסיימה את הכתיבה זמן קצר לפני לידת בנה הרביעי. "קולגה שלי שכנעה אותי באותו הזמן שאפשר לעשות דוקטורט גם כאמא לילדים קטנים. לכל אורך הקריירה שלי נאלצתי לתמרן, בשעות העבודה הייתי מאוד יעילה, כל דקה וכל שעה הייתה חשובה לי. בשעות אחר הצהריים, הערב וסופי השבוע אנחנו משפחה – ואת זה לא שכחנו".
מבחינה מדעית היא נתקלה לעיתים בספקנות מצד עמיתים, אולם לדבריה "דווקא הוויכוחים ואולי גם העלבונות שספגתי דרבנו אותי יותר להאמין במה שאני עושה, הרגשתי כמו מיסיונרית שמנסה לשכנע מדענים כי המחקר הוא פורץ דרך".
כיום נחשבת עבודתה לאבן דרך בחקר האקלים הקדום. מחקריה הראו כי משקעי מערות יכולים לשמש כלי מרכזי להבנת שינויי אקלים, וכי אפשר לשחזר באמצעותם את ההיסטוריה האקלימית של אזורים יבשתיים בדיוק חסר תקדים. במסר לדור הבא, היא מסכמת: "מדעי כדור הארץ הם פאזל אינסופי, ומי שיש להם זכות להיות חלק ממנו ממשיכים להרכיב אותו כל יום".
שקד אנגלברג, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
