קלייר קמרון פטרסון

ראשית חייו

פטרסון נולד וגדל באיווה, ארצות הברית. אביו היה דוור ואמו עסקה בחינוך. חיבתו לכימיה החלה בגיל צעיר כאשר אמו נתנה לו ערכת כימיה. הוא רכש השכלה גבוהה במכללת גרינל, שם הוא הכיר את אשתו לעתיד, לורנה מקלארי, ונולדו להם ארבעה ילדים.
כאשר סיים את לימודיו בגרינל עם תואר ראשון בכימיה עברו הוא ולורנה לאוניברסיטת איווה ללימודי תואר שני, שם עשה תזה בספקטרוסקופיה מולקולרית. כשסיים את לימודיו ב-1944 נשלחו שניהם לשיקגו על מנת לעבוד בפרויקט מנהטן (פיתוח פצצת האטום). לאחר מספר חודשים שם, החליט פטרסון להתגייס לצבא, אך נדחה בשל האבטחה הגבוהה שהייתה קיימת בצבא. כשחזר לשיקגו החליטו פטרסון ולורי לעבור לאוק רידג', טנסי, כדי להמשיך לעבוד בפרויקט מנהטן. באוק רידג' התוודע והחל לעבוד עם ספקטרומטר מסה.
לאחר מלחמת העולם השנייה חזר לשיקגו כדי להמשיך את לימודיו לתואר שלישי. בין שאר המדענים שהגיעו לאוניברסיטת שיקגו לאחר מלחמת העולם השנייה היה גם הריסון בראון, שלימים הפך לאיש הראשון שהבין כיצד ניתן לאמוד את גיל כדור הארץ.

אומדן גיל כדור הארץ

שאלת גיל כדור הארץ הייתה מאז ומעולם שאלה שבני האדם ניסו לענות עליה. כבר ב-1650 חיפש הארכיבישוף ג'יימס אשר תשובה לשאלה הזו. כאדם דתי, הוא פנה לחפש תשובה בתנ"ך. את התשובה הוא מצא בספר מלכים ב' (שם מתואר מותו של שליט בבל נבוכדנצר), אשר חישב את דורות הנביאים מתקופת אדם הראשון עד מותו של נבוכדנצר ב-562 לפני הספירה (שתאריך מותו ידוע), והוסיף את השנים ממותו של נבוכדנצר ועד זמנו. על פי חישובו, כדור הארץ נוצר 4004 שנים לפני הספירה. באותה התקופה כרונולוגיה זו התקבלה ברוב העולם המערבי.
במאה ה-20 מדענים רבים עסקו במדידת הזמן שלוקח לאטום רדיואקטיבי להתפרק ליסוד אחר. בזכות ניסיונות אלה מדענים הבינו שהזמן שלוקח ליסוד מסוים להתפרק ליסוד אחר הוא קבוע.
לדוגמה, מדענים גילו שיסוד האורניום משתנה תחילה ליסוד תוריום. על בסיס תגלית זו נוסדה שיטת התיארוך הרדיומטרי אורניום-תוריום. לאחר שהפך לתוריום, היסוד ישתנה עוד כמה פעמים עד שיהפוך ליסוד העופרת. כאשר האטום הפך ליסוד העופרת הוא יישאר עופרת לנצח ולא ישתנה יותר. בנוסף, המדענים גילו שהזמן שלוקח לאטום האורניום להתגלגל ולהפוך לאטום עופרת הוא בממוצע קבוע.
בעזרת מידע זה על יחס האורניום-עופרת בסלעים, יכלו מדענים לחשב את גילם של סלעים. (בפשטות: נאמר וידוע שמתוך 10 אטומי אורניום לאחד לוקח שנה להתגלגל ולהפוך לעופרת. אם נגלה שיש בסלע 9 אטומי אורניום ואטום עופרת אחד, משמע הסלע בן שנה אחת).
ב-1947 הגאולוג הריסון בראון מאוניברסיטת שיקגו הבין לראשונה כיצד ניתן לחשב בעזרת מידע זה את גילו של כדור הארץ. הריסון ידע שלא ניתן לחשב את גילו של כדור הארץ מהסלעים שנמצאים בכדור הארץ, משום שסלעים אלה עברו יותר מדי שינויים מאז הולדת כדור הארץ ולכן הם כבר אינם אותם סלעים. הריסון פעל תחת ההנחה שמטאוריטים הם שאריות מיצירת מערכת השמש ולכן גיל המטאוריטים במערכת השמש הם בקירוב גם גיל כדור הארץ. את דגימת המטאוריט השיג הריסון מ"מכתש המטאור" שבאריזונה.
הריסון הטיל על שני מדענים את משימת המדידה. ראשית, הריסון הטיל על פטרסון את משימת מדידת העופרת, אף שפטרסון לא היה גאולוג הוא התמצא בספקטרומטר מסה שאיתו היה ניתן למדוד כמויות זעירות של יסודות מסוימים בחומר. שנית, הוא הטיל על מדען אחר, ג'ורג' טילטון, את משימת מדידת האורניום.

תהליך המדידה

הריסון נתן לשניים גבישים זעירים הנקראים "זירקונים". גבישים אלה, שגילם היה כבר ידוע היו חזקים מאוד והם לא עברו שינויים כבר מיליארדי שנים. משימתם הייתה למצוא דרך למדוד את כמות העופרת והאורניום בגבישים, משימה שנראתה לכאורה פשוטה.
ב-1948 החלו השניים במדידות. על השניים היה להגיע לתוצאות מדידה עקביות (כלומר לתוצאות דומות במדידות שונות). בעוד במדידות האורניום הצליח טילטון להגיע למדידות עקביות, פטרסון לא הצליח להגיע למדידות עקביות כלל. כמות העופרת שמדד פטרסון בכל פעם הייתה שונה.
פטרסון חשד שהעופרת הנמצאת בסביבת המעבדה מזהמת את המדידות שלו (בתקופה זו הוא כבר השקיע במדידות שנתיים). לכן עשה כל דבר אפשרי על מנת לטהר את המעבדה מזיהומי עופרת, הוא טיהר את הכימיקלים במעבדה ושטף את הכלים שלו בחומצה. במשך ארבע שנים נוספות ניסה פטרסון להגיע למדידות עקביות תוך ניקוי ושמירה על ניקיון אובססיביים, אך ללא הצלחה.
פטרסון הבין שעליו לבנות מעבדה חדשה. ההזדמנות הגיעה כאשר הריסון עבר למכון הטכנולוגי של קליפורניה, והזמין את פטרסון להצטרף אליו. פטרסון בנה במכון את החדר האולטרה-נקי הראשון מסוגו (בשלב זה עסק פטרסון במדידות כבר שש שנים). בחדר האולטרה-נקי שבמכון הטכנולוגי הצליח פטרסון למדוד את כמות העופרת בזירקונים. כעת היה מוכן למדוד את כמות העופרת שהייתה במטאוריט.
פטרסון הביא את דגימת המטאוריט למעבדה הלאומית "ארגון" (Argonne National Laboratory). באותה עת נכנס לשימוש ספקטרומטר המסה המדויק בעולם. לאחר שבודד את הדגימה מכל זיהום עופרת אפשרי, היה מוכן פטרסון למדוד את כמות העופרת והאורניום בדגימה ולחשב בעזרתם את גילו של כדור הארץ, שנקבע כ-4.55 מיליארד שנים. פטרסון היה האדם הראשון שידע את גילו של כדור הארץ והוא החליט לספר את התגלית קודם כל לאמו.

רקע

לפני כ-8,500 שנה הבינו בני האדם כיצד ניתן לכרות ולעבד מתכות מסלעים. עד אז רוב העופרת נמצאה מתחת לפני השטח, קבורה באדמה. במרוצת השנים תהליך זה השתכלל עד כדי כך שלפני כ-2,000 שנה הרומאים כבר הצליחו להפיק 80,000 טון עופרת בשנה. אף שהרומאים ידעו שהעופרת היא מתכת רעילה, הם השתמשו בעופרת כדי לבנות את תעלות המים שלהם, הם ציפו בעופרת את בתי המרחץ, הסירים והחביות שלהם ובנוסף הם המתיקו בעזרתה יינות. הם השתמשו בה משום שהעופרת הייתה קלה לעיבוד, זולה וגמישה. בנוסף האנשים שנחשפו אליה במידה הניכרת, אלה שכרו ועיבדו אותה, היו עבדים. ישנם היסטוריונים שמאמינים שהשימוש הנרחב בעופרת הוא זה שהביא לקריסת האימפריה הרומית.
העופרת פוגעת בתהליך הזיכרון והלמידה, היא חוסמת מוליכים עצביים, גורמת לעיקור ולאיבוד הדעת. העופרת פוגעת בתהליך ההתפתחות הקוגניטיבית בעיקר בילדים מתחת לגיל שש שנים. בנוסף העופרת תופסת את מקומם של מתכות שחיוניות להתפתחות התא כמו אבץ וברזל.

העופרת במאה ה-20 והלאה

בתחילת שנות ה-20 החלו יצרני צבע לייצר צבע המכיל עופרת, על מנת לשכנע את הציבור שהעופרת אינה מסוכנת הם שכרו את תעשיית הפרסום, שהשתמשה בסיפורי ילדים ומעשיות כדי ליצור לעופרת תדמית טובה וידידות למשפחה.
בתחילת שנות העשרים של המאה ה-20 החל השימוש בעופרת להתגבר כאשר הכימאי תומאס מידג'לי והממציא צ'ארלס קטרינג גילו שניתן לשווק תוסף דלק ארבע-אתיל כמונע נקישות במנוע. הם הקימו חברה חדשה הנקראת "אתיל" (בעבר שקלו במשרד המלחמה בארצות הברית להשתמש ב"אתיל" כגז רעיל). תהליך ייצור תוסף הדלק גרר אחריו סיפורים וידיעות על כך שעובדים במפעל יצור התוסף איבדו את שפיותם והתאבדו כתוצאה מכך. כאן כבר לא הספיקה תעשיית הפרסום כדי להרגיע את חששות הציבור, ולכן שכרה חברת ג'נרל מוטורס את ד"ר רוברט קיהו (Robert A. Kehoe), רופא צעיר מסינסינטי, על מנת שירגיע את חששות הציבור מסכנות העופרת וישפר את תדמיתה. קיהו גרם לספקות בנוגע למסוכנות העופרת. הוא טען שהעופרת נמצאת באופן טבעי בסביבה ושאין ראיות לכך שהעופרת מזיקה לאדם. במשך עשרות שנים איש לא פקפק במסקנותיו של קיהו, עד 1961 כאשר פטרסון יצא לחקור את אופן הפיזור של העופרת בעולם.
הצלחתו של פטרסון בקביעת גיל כדור הארץ הפכה אותו למומחה בעל שם עולמי במדידת ריכוזים מזעריים של עופרת. ב-1961 יצאו כמה חוקרים ובראשם פטרסון, במימון מכון הנפט האמריקאי, למדוד את כמויות העופרת באוקיינוס, במים עמוקים ורדודים. עד אז, כמו כולם, פטרסון חשב שהעופרת נמצאת בסביבה באופן טבעי. לאחר המדידות גילה פטרסון שכמויות העופרת במים הרדודים גדולות בהרבה מכמויות העופרת במים עמוקים, בניגוד למתכות אחרות כגון בריום. בנוסף, פטרסון ידע שהזמן שלוקח למים הרדודים להתערבב במים העמוקים הוא מאות שנים, ומכך הסיק שהעופרת במים הרדודים (הקרובים לחוף) הגיע לאחרונה, מהבנזין והאדם.
פטרסון הבין את גודל הסכנה לציבור ומאז הקדיש את חייו לצמצום הפצת העופרת בסביבה. ב-1963 פרסם בכתב העת המדעי "נייצ'ר" (Nature) את תוצאות מחקריו במאמר בשם: "Concentrations of Common Lead in Some Atlantic and Mediterranean Waters and in Snow" (במשותף עם גאולוג בשם Tatsumoto). ימים ספורים לאחר המאמר החלה התנגדות התאגידים, שמימנו את מחקרו של פטרסון. התאגידים הציעו לפטרסון לעבור לנושא מחקר אחר, אך פטרסון סירב ומימון מחקרו הופסק. פטרסון ניסה למשוך את תשומת הלב הציבורית לזיהום שנגרם עקב שימוש בדלק שמכיל עופרת, אך נתקל בהתנגדות מצד התאגידים ומומחים כגון ד"ר קיהו, שנהיה שכיר של ג'נרל מוטורס ונחשב למומחה בנושא הזיהום התעשייתי.
מאבקו של פטרסון בעופרת לא פסק וב-1965 פרסם את המאמר: contaminated and natural" lead environments of man" שבו ניסה להפיג את הדעה הרווחת שהעופרת התעשייתית אינה גורמת לשינוי מהותי ברמות העופרת הטבעיות, והראה כי קיימת חריגה קיצונית של ריכוזי עופרת בגופם של אמריקאים. רבים זילזלו במסקנותיו של פטרסון וראו בו אדם תמהוני, ד"ר קיהו עצמו כינה את פטרסון "יותר קנאי מאשר מדען". אך פטרסון לא אמר נואש ושלח לאנשי ממשל אמריקאים שונים מכתבים ומאמרים שהוא כתב, ביניהם היה הסנטור אדמונד מאסקי, שהיה יושב ראש תת-וועדת הסנט לזיהום מים ואוויר.
ב-1966 קיים מאסקי שימועים בנוגע לשאלת העופרת, לשימועים הוזמנו ד"ר קיהו ופטרסון. ד"ר קיהו טען שאין שינוי ברמות העופרת הנמצאות בסביבה בשלושת העשורים האחרונים ושאין הוכחה לכך שהעופרת מזיקה לבריאות האדם. לעומת זאת פטרסון טען שקיימת עלייה בריכוז העופרת הנמצאת בבני האדם כתוצאה מחשיפה לסביבה, ושרמות העופרת שנמדדו בבני האדם כלל אינן טבעיות אלא הן תוצאה של זיהום מתמשך של הסביבה בעופרת, ובעיקר מבנזין המכיל עופרת.
באותה התקופה פטרסון ותלמידיו היו בשלבי מדידה של עופרת באנטארקטיקה ובגרינלנד, שם פטרסון הראה באופן המובהק ביותר את ההבדלים בריכוזי עופרת בין שלג שנחשף לסביבה לבין שלג שלא נחשף לסביבה ולמהפכה התעשייתית (שלג שנמצא מתחת לפני השטח). 
ב-1973 מאמציו של פטרסון נשאו פרי, והמשרד להגנת הסביבה האמריקאי הכריז על תוכנית להפחתת העופרת מבנזין בצעדים הדרגתיים, ובסופו של דבר להסיר את העופרת מכל מוצרי הצריכה בארצות הברית. עד סוף 1990 דווח על ירידה של כ-80% בכמויות העופרת שנמדדו בגופם של האמריקאים.
פטרסון עסק גם בהרעלת עופרת דרך מזון, הוא הראה שקיימות חריגות של עופרת בדגים משומרים לעומת דגים טריים, כנראה מאיטום פחיות באמצעות עופרת.
ב-1978 הצטרף פטרסון לפנל של המועצה הלאומית למחקר, רוב פנל זה הסכים שיש עלייה ברמות העופרת ושיש צורך בהפחתה של עופרת מהסביבה, אך טען בנוסף שיש עוד צורך במחקר. לעומת זאת פטרסון טען בדו"ח מיעוט, כי אמצעי הפיקוח צריכים להתחיל באופן מיידי על מנת לגרום להפחתה או הסרה מוחלטת של העופרת מהסביבה היומיומית, ובכלל זה מדלק, צבע, מזון, מערכות העברת מים וכו'. שלושים שנה לאחר מכן, רוב הפיקוח שהציע פטרסון התקבל בארצות הברית ובחלקים נוספים בעולם.
כיום הקונצנזוס הרפואי קובע שאין רמה של עופרת שאינה מזיקה לבני האדם, קטנה ככל שתהיה.

תקנים כיום

התקן הישראלי לעופרת הוא 5 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע ליממה, 1.5 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע לחודש ו- 0.5 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע שנתי. 
התקן האמריקאי לעופרת הוא 1.5 מיקרוגרם למטר מעוקב בממוצע לשלושה חודשים.
במים: בארצות הברית ובישראל התקן הוא 10 מיקרו-גרם לליטר (נכון ל-2006)

מותו

פטרסון מת בביתו בסי ראנץ', קליפורניה בגיל 73 ב-5 בדצמבר 1995, מהתקף אסתמה.