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Come il metano finisce nell’oceano

La gente ha bruciato carbone, petrolio e gas naturale per più di cento anni. Gli idrati di metano, invece, sono stati solo recentemente oggetto di discussioni controverse come potenziale futura fonte di energia dall’oceano

. Rappresentano una nuova riserva di combustibile fossile completamente non sfruttata, perché contengono, come suggerisce il loro nome, immense quantità di metano, che è il principale componente del gas naturale. Gli idrati di metano appartengono a un gruppo di sostanze chiamate clatrati – sostanze in cui un tipo di molecola forma una struttura a gabbia cristallina e racchiude un altro tipo di molecola. Se la molecola che forma la gabbia è l’acqua, si chiama idrato. Se la molecola intrappolata nella gabbia d’acqua è un gas, si tratta di un idrato di gas, in questo caso l’idrato di metano.
Gli idrati di metano possono formarsi solo in condizioni fisiche, chimiche e geologiche molto specifiche. Alte pressioni dell’acqua e basse temperature forniscono le migliori condizioni per la formazione dell’idrato di metano

. Se l’acqua è calda, tuttavia, la pressione dell’acqua deve essere molto alta per premere la molecola d’acqua in una gabbia di clatrati. In questo caso, l’idrato si forma solo a grandi profondità. Se l’acqua è molto fredda, gli idrati di metano potrebbero plausibilmente formarsi a profondità inferiori, o anche a pressione atmosferica. Nell’oceano aperto, dove la temperatura media dell’acqua di fondo è di circa 2-4 gradi, gli idrati di metano si formano a partire da profondità di circa 500 metri. 2.16 > L’idrato di metano ha l’aspetto di un pezzo di ghiaccio quando viene portato su dal fondo del mare. Questo grumo è stato recuperato durante una spedizione alla “cresta dell’idrato” al largo della costa dell’Oregon negli Stati Uniti.Sorprendentemente, non c’è idrato di metano nelle regioni oceaniche più profonde, le zone con le pressioni più alte, perché qui c’è molto poco metano disponibile. La ragione di ciò è che il metano nell’oceano è prodotto da microbi all’interno del fondo marino che scompongono la materia organica che affonda dalla zona illuminata dal sole vicino alla superficie.

La materia organica è composta, per esempio, dai resti di alghe e animali morti, così come dai loro escrementi. Nelle zone più profonde dell’oceano, al di sotto dei 2000-3000 metri circa, solo una quantità molto piccola di resti organici raggiunge il fondo, perché la maggior parte di essi viene scomposta da altri organismi durante la loro discesa nella colonna d’acqua. Come regola generale, si può dire che solo circa l’1% del materiale organico prodotto in superficie finisce effettivamente nelle profondità marine. Più il fondo del mare è profondo, meno materia organica si deposita sul fondo. Gli idrati di metano si formano quindi principalmente sulle scarpate continentali, quelle zone dove le placche continentali incontrano le regioni di mare profondo. Qui c’è sufficiente materia organica che si accumula sul fondo e la combinazione di temperatura e pressione è favorevole. In regioni molto fredde come l’Artico, gli idrati di metano si formano persino sulla piattaforma continentale poco profonda (meno di 200 metri di profondità dell’acqua) o sulla terraferma nel permafrost, il suolo artico profondamente ghiacciato che non si scongela nemmeno in estate. 2.17 > L’idrato di metano si trova in tutti gli oceani e sulla terraferma. I punti verdi mostrano le presenze nelle regioni settentrionali del permafrost. Le occorrenze identificate con metodi geofisici sono indicate in rosso. Le occorrenze indicate dai punti blu sono state verificate tramite campionamento diretto.Si stima che ci potrebbe essere più potenziale combustibile fossile contenuto negli idrati di metano che nelle classiche riserve di carbone, petrolio e gas naturale. A seconda del modello matematico impiegato, i calcoli attuali della loro abbondanza vanno da 100 a 530.000 gigatoni di carbonio. Valori tra 1000 e 5000 gigatoni sono più probabili. Si tratta di una quantità di carbonio da 100 a 500 volte superiore a quella rilasciata ogni anno nell’atmosfera dalla combustione di carbone, petrolio e gas. Il loro possibile scavo futuro produrrebbe presumibilmente solo una parte di questo come combustibile effettivamente utilizzabile, perché molti depositi sono inaccessibili, o la produzione sarebbe troppo costosa o richiederebbe troppo sforzo. Anche così, l’India, il Giappone, la Corea e altri paesi sono attualmente impegnati nello sviluppo di tecniche di estrazione per poter utilizzare in futuro gli idrati di metano come fonte di energia (capitolo 7).2.18 > Negli idrati, il gas (grande palla) è racchiuso in una gabbia formata da molecole d’acqua. Gli scienziati chiamano questo tipo di disposizione molecolare un clatrato.

Idrati di metano e riscaldamento globale

Considerando che gli idrati di metano si formano solo in condizioni molto specifiche, è ipotizzabile che il riscaldamento globale, che di fatto include il riscaldamento degli oceani, possa influenzare la stabilità dei gas idrati. Ci sono indicazioni nella storia della Terra che suggeriscono che i cambiamenti climatici nel passato potrebbero aver portato alla destabilizzazione degli idrati di metano e quindi al rilascio di metano. Queste indicazioni – comprese le misurazioni del contenuto di metano nelle carote di ghiaccio, per esempio – sono ancora controverse. Eppure, sia come sia, la questione è di grande attualità ed è di particolare interesse per gli scienziati interessati a prevedere i possibili impatti di un aumento della temperatura sugli attuali depositi di idrato di metano.
Il metano è un potente gas serra, circa 20 volte più efficace per molecola del biossido di carbonio. Un maggiore rilascio dall’oceano nell’atmosfera potrebbe intensificare ulteriormente l’effetto serra. Le indagini sulla stabilità degli idrati di metano in funzione delle fluttuazioni di temperatura, così come il comportamento del metano dopo il suo rilascio, sono quindi urgentemente necessarie.

2.19 > I gas idrati si formano quando una quantità sufficiente di metano è prodotta dalla degradazione della materia organica nel fondo del mare in condizioni di bassa temperatura e alta pressione. Queste condizioni si verificano prevalentemente sui margini continentali. Più calda è l’acqua, maggiore deve essere la profondità dell’acqua per formare l’idrato. Nelle profondità del fondo marino, tuttavia, la temperatura è troppo alta per la formazione di idrati di metano a causa del calore interno della Terra.

OssidazioneMolti batteri usano il metano per fornire energia al loro metabolismo. Prendono il metano e lo trasformano chimicamente. In questo processo il metano rilascia elettroni e viene quindi ossidato. Alcuni batteri scompongono il metano con l’aiuto dell’ossigeno. Questa è chiamata ossidazione aerobica. Altri batteri non hanno bisogno di ossigeno. Questo tipo di ossidazione è chiamata anaerobica.

Diversi metodi sono impiegati per prevedere lo sviluppo futuro. Questi includono, in particolare, la modellazione matematica. I modelli computerizzati calcolano prima l’ipotetica quantità di idrati di metano nel fondo del mare usando i dati di base (contenuto organico, pressione, temperatura). Poi il computer simula il riscaldamento dell’acqua del mare, per esempio, di 3 o 5 gradi Celsius per 100 anni. In questo modo è possibile determinare come l’idrato di metano si comporterà in diverse regioni. I calcoli dei depositi di idrato di metano possono poi essere accoppiati con complessi modelli matematici del clima e degli oceani. Con questi modelli computerizzati otteniamo un’idea generale di quanto fortemente gli idrati di metano si romperebbero sotto i vari scenari di aumento della temperatura. Oggi si presume che nel caso peggiore, con un riscaldamento costante dell’oceano di 3 gradi Celsius, circa l’85% del metano intrappolato nei fondali marini potrebbe essere rilasciato nella colonna d’acqua.

Altri modelli più sensibili prevedono che gli idrati di metano a grandi profondità non sono minacciati dal riscaldamento. Secondo questi modelli, solo gli idrati di metano che si trovano direttamente ai confini delle zone di stabilità sarebbero principalmente colpiti. In questi luoghi, un aumento di temperatura di solo 1 grado Celsius sarebbe sufficiente per rilasciare grandi quantità di metano dagli idrati. Gli idrati di metano nell’oceano aperto a circa 500 metri di profondità e i depositi nelle regioni poco profonde dell’Artico sarebbero principalmente colpiti.
Nel corso del riscaldamento della Terra, ci si aspetta anche che il livello del mare aumenti a causa dello scioglimento delle calotte polari e dei ghiacci glaciali. Questo si traduce inevitabilmente in una maggiore pressione sul fondo del mare. L’aumento della pressione, tuttavia, non sarebbe sufficiente a contrastare l’effetto dell’aumento della temperatura per dissolvere gli idrati di metano. Secondo gli ultimi calcoli, un aumento del livello del mare di dieci metri potrebbe rallentare la dissoluzione degli idrati di metano causata da un riscaldamento di un grado Celsius solo di qualche decennio.
Una grande varietà di modelli matematici viene utilizzata per prevedere le conseguenze del riscaldamento globale. Anche i risultati delle simulazioni sono molto variabili. È quindi difficile valutare con precisione le conseguenze del riscaldamento globale per i depositi di idrati di gas, non da ultimo a causa delle grandi differenze nei calcoli delle dimensioni dei depositi di idrati di gas attuali. Uno dei principali obiettivi dell’attuale ricerca sui gas idrati è quello di ottimizzare questi modelli utilizzando parametri di input sempre più precisi. Per raggiungere questo obiettivo, sono essenziali ulteriori misurazioni, spedizioni, perforazioni e analisi.

Extra InfoI batteri convertono il metano

Cosa succede quando l’idrato di metano si scioglie?

Non tutto il metano che viene rilasciato dagli idrati di metano instabili finisce nell’atmosfera. La maggior parte viene probabilmente scomposta durante la sua ascesa attraverso i sedimenti e nella colonna d’acqua. Questa decomposizione è mediata da due processi biologici:

• ossidazione anaerobica del metano da parte di batteri e archei (precedentemente chiamati archebatteri) all’interno del fondo marino;
• ossidazione aerobica del metano da parte di batteri nella colonna d’acqua.

Durante l’ossidazione anaerobica del metano nel sedimento i microbi usano il solfato (SO42-), il sale dell’acido solforico presente in grandi quantità nell’acqua marina, per la decomposizione del metano. In questo processo il metano viene convertito in bicarbonato (HCO3-). Se il bicarbonato reagisce ulteriormente con gli ioni di calcio (Ca2+) nell’acqua di mare, precipita il carbonato di calcio (CaCO3), che rimane immagazzinato nel fondo del mare per lunghi periodi di tempo. Questa sarebbe la situazione ideale, perché renderebbe innocuo il potente gas serra metano (CH4). Allo stesso tempo, il solfuro di idrogeno (H2S) viene prodotto dal solfato, che fornisce energia alle comunità chemiosintetiche, comprese le vongole simbiotiche e le tube. Durante l’ossidazione aerobica nella colonna d’acqua, invece, i batteri scompongono il metano con l’aiuto dell’ossigeno (O2). In questo processo, viene prodotta anidride carbonica, che si dissolve nell’acqua. L’anidride carbonica contribuisce all’acidificazione degli oceani. Inoltre, l’ossidazione aerobica del metano consuma ossigeno. L’esaurimento dell’ossigeno nella colonna d’acqua potrebbe creare o espandere le zone minime di ossigeno nell’oceano, che sono una minaccia per i pesci e altri organismi sensibili. Stime approssimative suggeriscono che l’ossidazione anaerobica e aerobica del metano insieme convertono attualmente circa il 90% del metano prodotto nei fondali marini prima che possa raggiungere l’atmosfera. Più lentamente il metano migra attraverso il fondo marino o attraverso la colonna d’acqua, più i microbi sono efficaci nel convertirlo. Un prerequisito per questo tipo di degradazione è che le molecole di metano siano dissolte in acqua. Il metano può essere degradato dai batteri solo in questa forma. Se il metano viene rilasciato rapidamente dagli idrati, potrebbe salire sotto forma di bolle di gas che non sono accessibili ai microrganismi. Il filtro microbico del metano fallirebbe quindi, almeno in parte, se gli idrati di metano si rompono molto rapidamente e grandi quantità di metano vengono rilasciate in una volta sola.

C’è anche un problema a basse profondità, dove le bolle di metano non possono dissolversi completamente nell’acqua sulla breve distanza dal fondo del mare all’atmosfera. Per comprendere meglio tali processi e poter fare previsioni sulle funzioni dei filtri microbici, i ricercatori stanno attualmente studiando le fonti naturali di metano sul fondo del mare, le cosiddette sorgenti fredde, che rilasciano costantemente grandi quantità di metano. Questi includono i depositi di idrati di gas vicini alla superficie, i vulcani di fango e le infiltrazioni di gas naturale nelle regioni marine poco profonde. Queste sorgenti sono una specie di modello naturale dove si può studiare il comportamento del metano nell’oceano. Se capiamo come la natura reagisce a queste infiltrazioni di metano sul fondo del mare, ci aiuterà a stimare le conseguenze di rilasci di metano più grandi dai gas idrati. I dati ottenuti presso le infiltrazioni di metano dovrebbero anche aiutare a migliorare la precisione delle simulazioni matematiche degli idrati di metano. 2.20 > Grandi quantità di idrato di metano sono immagazzinate non solo nei fondali marini, ma anche sulla terraferma, specialmente nel terreno permafrost perennemente congelato della tundra russa, come qui nella repubblica russa di Komi. Gli scienziati sono preoccupati che i terreni permafrost potrebbero sciogliersi a causa del riscaldamento globale e quindi rilasciare gli idrati di metano.La scomparsa degli idrati di metano

potrebbero avere conseguenze fatali. Gli idrati di gas agiscono come un cemento che riempie i pori tra le particelle fini del sedimento e stabilizza il fondo del mare. Se gli idrati di metano si decompongono, la stabilità del fondo marino si riduce a causa del cemento mancante e della possibile generazione di un eccesso di pressione dei pori. Nel caso peggiore, ampie parti dei margini continentali cedono. Le conseguenti frane sottomarine potrebbero causare gravi tsunami.
Massicci movimenti di massa si sono verificati durante l’ultima era glaciale e la successiva deglaciazione. La causa scatenante non fu probabilmente sempre il riscaldamento dell’atmosfera, ma anche il contrario. Poiché durante l’ultima era glaciale sono state immagazzinate grandi quantità di acqua nel ghiaccio, il livello del mare era circa 120 metri più basso di oggi. Specialmente nelle regioni oceaniche poco profonde, la pressione dell’acqua era così bassa che massicce quantità di idrato di metano potrebbero essere state destabilizzate. Prove dirette di tali cedimenti di pendii causati da idrati di gas in decomposizione non sono ancora state trovate. Ci sono, tuttavia, alcune indicazioni che suggeriscono un processo in passato. Segni di infiltrazioni di fluidi si trovano quasi sempre nelle vicinanze dei cedimenti dei pendii. Questi pendii sono stati probabilmente destabilizzati dai gas rilasciati dai gas idrati in decomposizione e dai liquidi. I ricercatori, tuttavia, vedono sicuramente anche la possibilità di una relazione inversa: è concepibile che i cedimenti dei pendii e la conseguente riduzione della pressione sui sedimenti sottostanti abbiano causato la dissociazione degli idrati di metano ai margini continentali, rilasciando così grandi quantità di gas libero. I cedimenti sarebbero stati la causa piuttosto che il risultato della fuga di gas. Queste incertezze evidenziano la necessità di ulteriori ricerche. È comunque abbastanza certo che la scomparsa degli idrati di metano potrebbe portare a seri problemi.

Le emissioni di metano dall’Artico – un obiettivo primario della futura ricerca sugli idrati di gas

Nel campo della ricerca sulle emissioni di metano, l’Artico è oggi una delle regioni più importanti del mondo. Si ritiene che il metano vi si trovi sia sotto forma di idrato di gas nel mare che come gas libero intrappolato nel permafrost profondamente congelato. I depositi di metano nel permafrost e negli idrati sono considerati molto sensibili nelle regioni espansive a basso fondale, perché con le pressioni relativamente basse basterebbe un piccolo cambiamento di temperatura per rilasciare grandi quantità di metano. Inoltre, viene continuamente prodotto nuovo metano perché le regioni artiche sono ricche di materiale organico che viene decomposto dai microbi nei sedimenti. L’attività di questi microbi e quindi i tassi di rilascio biologico di metano sono stimolati anche dagli aumenti di temperatura. Quindi le emissioni di metano nell’Artico hanno fonti multiple. Si stanno costituendo consorzi scientifici internazionali che coinvolgono ricercatori di varie discipline – chimici, biologi, geologi, geofisici, meteorologi – che si stanno occupando intensamente di questo problema. Nessuno può ancora dire con certezza come si svilupperà il rilascio di metano nell’Artico con il riscaldamento globale, sia nell’oceano che sulla terraferma. Questa ricerca è ancora agli inizi.