تويت
استعمل البشر الفحم منذ آلاف السنين، وقد أصبح الفحم مصدرًا رئيسيًّا للكهرباء منذ الثورة الصناعية. وهو أحد أهم أسباب الاحتباس الحراري. لكن كيف ينشأ الفحم؟ يستطيع العلماء بالإجابة عن هذا السؤال أن يفهموا المزيد عن تاريخ الماضي السحيق وأن يتوقعوا نواتج احتراق الأنواع المختلفة من الفحم.
يتشكل الفحم عندما تُدفن نباتات المستنقعات وتتعرض لضغط وحرارة لتتحول إلى صخور رسوبية عبر عملية تُسمى التفحيم. يقول جيمس هاور، عالم الصخور في جامعة كنتاكي: «ما الفحم في الأساس إلا نباتات متحجرة. يشتمل تكون هذه المستحاثات النباتية على الكثير من الأحداث الجيولوجية».
يبدأ تكون الفحم من النباتات الحية، يقول هاور: «قد تتعرض الأشجار الحية للاحتراق أو غزو الحشرات، كل هذه الأشياء تظهر في السجل الأحفوري للفحم». يضيف هاور أن بالإمكان الاستفادة من آثار غبار الطلع والأوراق والجذور وحتى براز الحشرات في التعرف على الأنظمة البيئية القديمة. يمنحنا وجود آثار احتراق مثلًا فكرة عن أشكال المناخ في الماضي.
بعد ذلك تموت النباتات، يقول هاور: «إذا حُفظ الفحم، فذلك يعطينا فكرة عن البيئة عمومًا». يُستبعد أن تتحول النباتات في سفوح الجبال أو الصحاري إلى فحم، لأن تلك البيئات لا تساعد على تكوّن «الخث».
يقول هاور: «المستنقعات هي مصدر معظم الفحم الذي نراه». يعود ذلك إلى أن النباتات الميتة في المناطق الرطبة تُغطى بطبقة من الماء تحميها من الأكسجين. لذا فهي لا تتحلل بنفس سرعة تحللها في المناطق الجافة، بل تتكدس في طبقات من الخث فوق قاع المستنقع الموحل. قد يكون الخث سلفًا للفحم، وهو مرتع للحشرات والفطريات والبكتريا وحتى جذور الأشجار المتوغلة، وكلها عوامل تساعد على تفكيك النباتات في عملية تسمى تكوّن الخث. يقول هاور: «كل طبقة من الفحم قد تكون نتاج عشرات أو مئات أو آلاف السنين».
المعادن التي تتسرب إلى الخث أو تتشكل عبر التفاعلات الكيميائية تُحتجز في الفحم أيضًا. يقول هاور إن الفحم الطيني الحراري في شرق كنتاكي يحتوي عناصر نادرة من ثوران بركاني حدث قبل ملايين السنين، تمول وزارة الطاقة الأمريكية الآن تقنيات لاستخراج هذه العناصر من بقايا الفحم لاستخدامها في ألواح الطاقة الشمسية وعنفات الرياح والبطاريات.
لكن وجود المعادن في الفحم يسبب بعض المشكلات أيضًا. فغالبًا ما يحتوي الخث المعرض لماء البحر مثلًا كمية أكبر من الكبريت. يسبب احتراق الفحم المحتوي على الكبريت ضررًا أكبر على الإنسان. إضافةً إلى خطورة استخراج الفحم وتنفس دخانه، يُعد الفحم عالي المحتوى الكبريتي أكثر عرضةً للاشتعال التلقائي في المناجم، وقد يرتبط بالإصابة بأمراض القلب.
لا يتحول كل الخث إلى فحم، فبعضه يتآكل أو يجف. لبدء عملية التفحم، يجب أن يُغطى الخث بمادة غير عضوية، مثل الطمي في منطقة دلتا نهر واسعة. يقول هاور، مشيرًا إلى طبقات الرواسب المتكدسة: «يفيض النهر وينحسر على مدى ملايين السنين ، لينتهي الأمر بكونه منطقة للترسبات».
يُدفن الخث أعمق فأعمق بمرور الأزمنة الجيولوجية. إذ تُنحت الجبال وتُملأ مجاري الأنهار، وتنمو فوقها الغابات. تنشأ جبال جديدة عبر ملايين السنين، يتفكك الخث على مدار هذه السنوات الطويلة ويتحول تدريجيًّا إلى فحم بفعل الحرارة والضغط. يتراوح عمر معظم أنواع الفحم بين 60 و300 مليون سنة.
يجعل الضغط الخث أكثر انضغاطًا. في حين تعيد الحرارة ترتيب الجزيئات المميزة في النباتات -كالكربوهيدرات والسليلوز- وتحرر الأكسجين والهيدروجين تاركةً الكربون وغيره من العناصر.
يتعرض الفحم المدفون في مناطق أعمق لحرارة أكبر، لأنه أقرب إلى نواة الأرض. لكن الحرارة الجوفية للأرض قد تخرج إلى السطح عبر البراكين والينابيع الحارة والفوارات الساخنة. يحدَّد صنف الفحم بمقدار الحرارة والضغط الذي يتعرض له. صنف الفحم معيار لمدى تقدم الفحم في رحلته للتحول من خث موحل إلى حجر صلب.
الليجنيت هو أدنى أصناف الفحم، إذ يمكن التعرف على بعض أجزاء النباتات في الليجنيت والفحم شبه الحجري. يُضغط الفحم الحجري وشبه الحجري ويسخنان حتى يتصلبا. أما الأنثراسيت فهو أعلى أصناف الفحم وأندرها، وهو ذو سطح أملس لماع، يُسخن الأنثراسيت حتى يتحول إلى الحالة السائلة في عملية تُسمى إعادة التبلور. يقول هاور إن تعرض الفحم لحرارة عالية لفترة وجيزة لا تتجاوز الساعة يكفي لكي يصل إلى مرحلة الأنثراسيت.
يحترق الأنثراسيت دون أن يُطلق الدخان، ما جعل السفن تعتمد عليه مصدرًا للوقود في أزمنة الحرب لتجنب اكتشافها من قبل العدو. يُستخدم الليجنيت والفحم الحجري لتوليد الطاقة غالبًا. ينتج عن احتراق الليجنيت والفحم شبه الحجري كمية من ثاني أكسيد الكربون أكبر من تلك الناتجة عن احتراق الفحم الحجري.
هذه الفروق بسيطة، لكن بمقارنة الفحم بغيره من مصادر الطاقة الأقل تأثيرًا على المناخ، سنجد أنه يطلق ضعفي كمية ثاني أكسيد الكربون التي يطلقها الغاز الطبيعي لكل كيلوواط ساعي، وتسعين ضعف الانبعاثات الناتجة عن طاقة الرياح.
يختتم هاور: «من المعروف أن الانبعاثات الناتجة عن الفحم والعمليات الصناعية التي تتضمنه قد أضرت بالمناخ، هذا هو الواقع الذي نعيش فيه».
يتشكل الفحم عندما تُدفن نباتات المستنقعات وتتعرض لضغط وحرارة لتتحول إلى صخور رسوبية عبر عملية تُسمى التفحيم. يقول جيمس هاور، عالم الصخور في جامعة كنتاكي: «ما الفحم في الأساس إلا نباتات متحجرة. يشتمل تكون هذه المستحاثات النباتية على الكثير من الأحداث الجيولوجية».
يبدأ تكون الفحم من النباتات الحية، يقول هاور: «قد تتعرض الأشجار الحية للاحتراق أو غزو الحشرات، كل هذه الأشياء تظهر في السجل الأحفوري للفحم». يضيف هاور أن بالإمكان الاستفادة من آثار غبار الطلع والأوراق والجذور وحتى براز الحشرات في التعرف على الأنظمة البيئية القديمة. يمنحنا وجود آثار احتراق مثلًا فكرة عن أشكال المناخ في الماضي.
بعد ذلك تموت النباتات، يقول هاور: «إذا حُفظ الفحم، فذلك يعطينا فكرة عن البيئة عمومًا». يُستبعد أن تتحول النباتات في سفوح الجبال أو الصحاري إلى فحم، لأن تلك البيئات لا تساعد على تكوّن «الخث».
يقول هاور: «المستنقعات هي مصدر معظم الفحم الذي نراه». يعود ذلك إلى أن النباتات الميتة في المناطق الرطبة تُغطى بطبقة من الماء تحميها من الأكسجين. لذا فهي لا تتحلل بنفس سرعة تحللها في المناطق الجافة، بل تتكدس في طبقات من الخث فوق قاع المستنقع الموحل. قد يكون الخث سلفًا للفحم، وهو مرتع للحشرات والفطريات والبكتريا وحتى جذور الأشجار المتوغلة، وكلها عوامل تساعد على تفكيك النباتات في عملية تسمى تكوّن الخث. يقول هاور: «كل طبقة من الفحم قد تكون نتاج عشرات أو مئات أو آلاف السنين».
المعادن التي تتسرب إلى الخث أو تتشكل عبر التفاعلات الكيميائية تُحتجز في الفحم أيضًا. يقول هاور إن الفحم الطيني الحراري في شرق كنتاكي يحتوي عناصر نادرة من ثوران بركاني حدث قبل ملايين السنين، تمول وزارة الطاقة الأمريكية الآن تقنيات لاستخراج هذه العناصر من بقايا الفحم لاستخدامها في ألواح الطاقة الشمسية وعنفات الرياح والبطاريات.
لكن وجود المعادن في الفحم يسبب بعض المشكلات أيضًا. فغالبًا ما يحتوي الخث المعرض لماء البحر مثلًا كمية أكبر من الكبريت. يسبب احتراق الفحم المحتوي على الكبريت ضررًا أكبر على الإنسان. إضافةً إلى خطورة استخراج الفحم وتنفس دخانه، يُعد الفحم عالي المحتوى الكبريتي أكثر عرضةً للاشتعال التلقائي في المناجم، وقد يرتبط بالإصابة بأمراض القلب.
لا يتحول كل الخث إلى فحم، فبعضه يتآكل أو يجف. لبدء عملية التفحم، يجب أن يُغطى الخث بمادة غير عضوية، مثل الطمي في منطقة دلتا نهر واسعة. يقول هاور، مشيرًا إلى طبقات الرواسب المتكدسة: «يفيض النهر وينحسر على مدى ملايين السنين ، لينتهي الأمر بكونه منطقة للترسبات».
يُدفن الخث أعمق فأعمق بمرور الأزمنة الجيولوجية. إذ تُنحت الجبال وتُملأ مجاري الأنهار، وتنمو فوقها الغابات. تنشأ جبال جديدة عبر ملايين السنين، يتفكك الخث على مدار هذه السنوات الطويلة ويتحول تدريجيًّا إلى فحم بفعل الحرارة والضغط. يتراوح عمر معظم أنواع الفحم بين 60 و300 مليون سنة.
يجعل الضغط الخث أكثر انضغاطًا. في حين تعيد الحرارة ترتيب الجزيئات المميزة في النباتات -كالكربوهيدرات والسليلوز- وتحرر الأكسجين والهيدروجين تاركةً الكربون وغيره من العناصر.
يتعرض الفحم المدفون في مناطق أعمق لحرارة أكبر، لأنه أقرب إلى نواة الأرض. لكن الحرارة الجوفية للأرض قد تخرج إلى السطح عبر البراكين والينابيع الحارة والفوارات الساخنة. يحدَّد صنف الفحم بمقدار الحرارة والضغط الذي يتعرض له. صنف الفحم معيار لمدى تقدم الفحم في رحلته للتحول من خث موحل إلى حجر صلب.
الليجنيت هو أدنى أصناف الفحم، إذ يمكن التعرف على بعض أجزاء النباتات في الليجنيت والفحم شبه الحجري. يُضغط الفحم الحجري وشبه الحجري ويسخنان حتى يتصلبا. أما الأنثراسيت فهو أعلى أصناف الفحم وأندرها، وهو ذو سطح أملس لماع، يُسخن الأنثراسيت حتى يتحول إلى الحالة السائلة في عملية تُسمى إعادة التبلور. يقول هاور إن تعرض الفحم لحرارة عالية لفترة وجيزة لا تتجاوز الساعة يكفي لكي يصل إلى مرحلة الأنثراسيت.
يحترق الأنثراسيت دون أن يُطلق الدخان، ما جعل السفن تعتمد عليه مصدرًا للوقود في أزمنة الحرب لتجنب اكتشافها من قبل العدو. يُستخدم الليجنيت والفحم الحجري لتوليد الطاقة غالبًا. ينتج عن احتراق الليجنيت والفحم شبه الحجري كمية من ثاني أكسيد الكربون أكبر من تلك الناتجة عن احتراق الفحم الحجري.
هذه الفروق بسيطة، لكن بمقارنة الفحم بغيره من مصادر الطاقة الأقل تأثيرًا على المناخ، سنجد أنه يطلق ضعفي كمية ثاني أكسيد الكربون التي يطلقها الغاز الطبيعي لكل كيلوواط ساعي، وتسعين ضعف الانبعاثات الناتجة عن طاقة الرياح.
يختتم هاور: «من المعروف أن الانبعاثات الناتجة عن الفحم والعمليات الصناعية التي تتضمنه قد أضرت بالمناخ، هذا هو الواقع الذي نعيش فيه».