Free Press

Jak metan končí v oceánu

Lidé spalují uhlí, ropu a zemní plyn již více než sto let. Naproti tomu metanhydráty se teprve nedávno staly předmětem kontroverzních diskusí jako potenciální budoucí zdroj energie z oceánu

. Představují novou a zcela nevyužitou zásobárnu fosilních paliv, protože obsahují, jak napovídá jejich název, obrovské množství metanu, který je hlavní složkou zemního plynu. Hydráty metanu patří do skupiny látek nazývaných klatráty – látky, v nichž jeden typ molekuly vytváří krystalickou klecovou strukturu a uzavírá jiný typ molekuly. Pokud je molekulou tvořící klec voda, nazývá se hydrát. Pokud je molekulou uvězněnou v kleci vody plyn, jedná se o hydrát plynu, v tomto případě hydrát metanu.
Metanhydráty mohou vznikat pouze za velmi specifických fyzikálních, chemických a geologických podmínek. Vysoký tlak vody a nízké teploty poskytují nejlepší podmínky pro vznik hydrátu methanu

. Pokud je však voda teplá, musí být tlak vody velmi vysoký, aby se molekula vody stlačila do klatrátové klece. V tomto případě se hydrát tvoří pouze ve velkých hloubkách. Pokud je voda velmi studená, hydráty metanu by se pravděpodobně mohly tvořit i v menších hloubkách nebo dokonce při atmosférickém tlaku. V otevřeném oceánu, kde se průměrná teplota vody u dna pohybuje kolem 2 až 4 stupňů Celsia, se hydráty metanu vyskytují od hloubek kolem 500 metrů. 2.16 > Hydrát metanu vypadá po vytažení z mořského dna jako kus ledu. Tento kus byl vyzvednut během expedice na „hydrátový hřeben“ u pobřeží Oregonu v USA.Je překvapivé, že v nejhlubších oblastech oceánu, tedy v oblastech s nejvyšším tlakem, se hydrát metanu nevyskytuje, protože je zde k dispozici velmi málo metanu. Důvodem je to, že metan v oceánu produkují mikrobi uvnitř mořského dna, kteří rozkládají organickou hmotu, jež klesá ze sluncem osvětlené zóny u hladiny.
Organická hmota se skládá například ze zbytků odumřelých řas a živočichů a také z jejich exkrementů. V nejhlubších oblastech oceánu, přibližně pod 2000 až 3000 metrů, se na dno dostane jen velmi malé množství organických zbytků, protože většina z nich je na své cestě vodním sloupcem rozložena jinými organismy. Zpravidla lze říci, že pouze asi 1 % organického materiálu vyprodukovaného u hladiny skutečně skončí v hlubokém moři. Čím je mořské dno hlubší, tím méně organických látek se usazuje na dně. Metanhydráty se proto vyskytují především na kontinentálních svazích, tedy v oblastech, kde se kontinentální desky stýkají s hlubokomořskými oblastmi. Zde se na dně hromadí dostatek organické hmoty a kombinace teploty a tlaku je příznivá. Ve velmi chladných oblastech, jako je Arktida, se metanhydráty vyskytují i na mělkém kontinentálním šelfu (hloubka menší než 200 m) nebo na pevnině v permafrostu, hluboce zmrzlé arktické půdě, která nerozmrzá ani v létě. 2.17 > Hydráty metanu se vyskytují ve všech oceánech i na pevnině. Zelené tečky znázorňují výskyt v severních oblastech věčně zmrzlé půdy. Výskyty zjištěné geofyzikálními metodami jsou vyznačeny červeně. Výskyty znázorněné modrými tečkami byly ověřeny přímým odběrem vzorků.

Odhaduje se, že v metanhydrátech může být obsaženo více potenciálního fosilního paliva než v klasických zásobách uhlí, ropy a zemního plynu. V závislosti na použitém matematickém modelu se současné výpočty jejich množství pohybují mezi 100 a 530 000 gigatunami uhlíku. Nejpravděpodobnější jsou hodnoty mezi 1000 a 5000 gigatunami. To je přibližně 100 až 500krát více uhlíku, než kolik se ročně uvolní do atmosféry při spalování uhlí, ropy a zemního plynu. Jejich případné budoucí vytěžení by pravděpodobně přineslo jen část tohoto množství jako skutečně využitelné palivo, protože mnohá ložiska jsou nepřístupná, nebo by jejich těžba byla příliš drahá či by vyžadovala příliš velké úsilí. Přesto se Indie, Japonsko, Korea a další země v současné době zabývají vývojem těžebních technik, aby mohly v budoucnu metanhydráty využívat jako zdroj energie (kapitola 7).2.18 > V hydrátech je plyn (velká koule) uzavřen v kleci tvořené molekulami vody. Vědci tento druh molekulárního uspořádání nazývají klatrát.

Metanhydráty a globální oteplování

Vzhledem k tomu, že hydráty metanu vznikají pouze za velmi specifických podmínek, lze předpokládat, že globální oteplování, jehož součástí je vlastně i oteplování oceánů, by mohlo ovlivnit stabilitu hydrátů plynu. V historii Země existují indicie, které naznačují, že klimatické změny v minulosti mohly vést k destabilizaci metanhydrátů, a tím k uvolňování metanu. Tyto indicie – včetně například měření obsahu metanu v ledových jádrech – jsou stále sporné. Ať už je to však jakkoli, tato problematika je vysoce aktuální a zajímá zejména vědce, kteří se zabývají předpovídáním možných dopadů zvýšení teploty na současná ložiska hydrátu metanu.
Metan je silný skleníkový plyn, přibližně 20krát účinnější na molekulu než oxid uhličitý. Zvýšené uvolňování z oceánu do atmosféry by mohlo skleníkový efekt ještě zesílit. Je proto naléhavě zapotřebí zkoumat stabilitu hydrátů metanu v závislosti na kolísání teploty a také chování metanu po jeho uvolnění.

2.19 > Plynové hydráty vznikají při vzniku dostatečného množství metanu rozkladem organických látek na mořském dně za nízké teploty a vysokého tlaku. Tyto podmínky se vyskytují převážně na kontinentálních okrajích. Čím teplejší je voda, tím větší musí být hloubka, aby se hydrát vytvořil. V hloubkách mořského dna je však teplota pro vznik hydrátů metanu příliš vysoká kvůli vnitřnímu teplu Země.

OxidaceMnohé bakterie využívají metan jako zdroj energie pro svůj metabolismus. Přijímají metan a chemicky ho přeměňují. Při tomto procesu metan uvolňuje elektrony, a tím se oxiduje. Některé bakterie metan rozkládají pomocí kyslíku. Tomuto procesu se říká aerobní oxidace. Jiné bakterie kyslík nepotřebují. Tento druh oxidace se nazývá anaerobní.

K předpovědi budoucího vývoje se používají různé metody. Patří mezi ně zejména matematické modelování. Počítačové modely nejprve vypočítají hypotetické množství hydrátů metanu v mořském dně na základě údajů o pozadí (obsah organických látek, tlak, teplota). Poté počítač simuluje oteplení mořské vody, například o 3 nebo 5 stupňů Celsia za 100 let. Tímto způsobem je možné určit, jak se bude hydrát metanu chovat v různých oblastech. Výpočty ložisek hydrátu metanu lze poté propojit s komplexními matematickými modely klimatu a oceánů. Pomocí těchto počítačových modelů získáme rámcovou představu o tom, jak silně by se hydráty metanu rozpadaly při různých scénářích zvyšování teploty. Dnes se předpokládá, že v nejhorším případě, při trvalém oteplení oceánu o 3 stupně Celsia, by se do vodního sloupce mohlo uvolnit přibližně 85 % metanu zachyceného na mořském dně.
Jiné, citlivější modely předpovídají, že metanhydráty ve velkých hloubkách nejsou oteplením ohroženy. Podle těchto modelů by byly primárně zasaženy pouze metanhydráty, které se nacházejí přímo na hranicích zón stability. V těchto místech by k uvolnění velkého množství metanu z hydrátů stačilo zvýšení teploty o pouhý 1 stupeň Celsia. Postiženy by byly především metanhydráty v otevřeném oceánu v hloubce kolem 500 metrů a ložiska v mělkých oblastech Arktidy.
V průběhu oteplování Země se očekává také zvýšení hladiny moří v důsledku tání polárních ledových čepiček a ledovců. To nevyhnutelně povede k většímu tlaku na mořské dno. Zvýšení tlaku však nebude dostatečné k tomu, aby působilo proti účinku zvyšující se teploty na rozpouštění hydrátů metanu. Podle nejnovějších výpočtů by zvýšení hladiny moře o deset metrů mohlo zpomalit rozpouštění metanhydrátů způsobené oteplením o jeden stupeň Celsia pouze o několik desetiletí.
K předpovědi důsledků globálního oteplování se používá celá řada matematických modelů. Výsledky simulací jsou rovněž velmi proměnlivé. Je proto obtížné přesně vyhodnotit důsledky globálního oteplování pro ložiska hydrátů plynu, a to i kvůli velkým rozdílům ve výpočtech velikosti současných ložisek hydrátů plynu. Jedním z hlavních cílů současného výzkumu hydrátů plynu je optimalizace těchto modelů pomocí stále přesnějších vstupních parametrů. K dosažení tohoto cíle jsou nezbytná další měření, expedice, vrty a analýzy.

Extra infoBakterie přeměňují metan

Co se stane, když hydrát metanu roztaje?

Ne všechen metan, který se uvolní z nestabilních hydrátů metanu, skončí v atmosféře. Největší část se pravděpodobně rozkládá během svého vzestupu sedimenty a ve vodním sloupci. Tento rozklad je zprostředkován dvěma biologickými procesy:

• anaerobní oxidací metanu bakteriemi a archei (dříve nazývanými archeobakterie) v mořském dně;
• aerobní oxidací metanu bakteriemi ve vodním sloupci.

Při anaerobní oxidaci metanu v sedimentech používají mikrobi k rozkladu metanu sírany (SO42-), soli kyseliny sírové, které jsou ve velkém množství přítomny v mořské vodě. Při tomto procesu se metan mění na hydrogenuhličitan (HCO3-). Pokud hydrogenuhličitan dále reaguje s ionty vápníku (Ca2+) v mořské vodě, vysráží se uhličitan vápenatý (CaCO3), který zůstává dlouhodobě uložen na mořském dně. To by byla ideální situace, protože by se tak silný skleníkový plyn metan (CH4) stal neškodným. Zároveň ze síranu vzniká sirovodík (H2S), který poskytuje energii chemosyntetickým společenstvím, včetně symbiotických mlžů a hlístic. Při aerobní oxidaci ve vodním sloupci však bakterie metan rozkládají za pomoci kyslíku (O2). Při tomto procesu vzniká oxid uhličitý, který se rozpouští ve vodě. Oxid uhličitý přispívá k okyselování oceánů. Aerobní oxidace metanu navíc spotřebovává kyslík. Úbytek kyslíku ve vodním sloupci může v oceánu vytvořit nebo rozšířit zóny kyslíkového minima, které představují hrozbu pro ryby a další citlivé organismy. Hrubé odhady naznačují, že anaerobní a aerobní oxidace metanu v současnosti společně přeměňují přibližně 90 % metanu produkovaného na mořském dně dříve, než se dostane do atmosféry. Čím pomaleji metan migruje mořským dnem nebo vodním sloupcem, tím účinněji ho mikrobi přeměňují. Předpokladem pro tento druh rozkladu je, že molekuly metanu jsou rozpuštěny ve vodě. Bakterie mohou metan rozkládat pouze v této formě. Pokud se metan z hydrátů uvolňuje rychle, může stoupat ve formě bublinek plynu, které nejsou mikroorganismům přístupné. Mikrobiální metanový filtr by tedy přinejmenším částečně selhal, pokud by se hydráty metanu velmi rychle rozpadly a uvolnilo by se velké množství metanu najednou.
Problém nastává také v malých hloubkách, kde se bubliny metanu nemohou na krátké vzdálenosti od mořského dna k atmosféře zcela rozpustit ve vodě. Aby bylo možné těmto procesům lépe porozumět a dokázat předpovědět funkci mikrobiálních filtrů, zkoumají v současné době vědci přirozené zdroje metanu na mořském dně, tzv. studené průsaky, které neustále uvolňují větší množství metanu. Patří mezi ně přípovrchová ložiska plynových hydrátů, bahenní sopky a vývěry zemního plynu v mělkých mořských oblastech. Tyto průsaky představují jakýsi přírodní model, na němž lze studovat chování metanu v oceánu. Pokud pochopíme, jak příroda reaguje na tyto průsaky metanu na mořském dně, pomůže nám to odhadnout důsledky větších úniků metanu z hydrátů plynu. Údaje získané u vývěrů metanu by také měly pomoci zlepšit přesnost matematických simulací hydrátů metanu. 2.20 > Velké množství hydrátu metanu se ukládá nejen na mořském dně, ale také na pevnině, zejména ve věčně zmrzlé věčně zmrzlé půdě ruské tundry, jako například zde v ruské republice Komi. Vědci se obávají, že by věčně zmrzlá půda mohla v důsledku globálního oteplování roztát a uvolnit tak hydráty metanu.

Zmizení hydrátů metanu

by mohly mít fatální následky. Hydráty plynu působí jako cement, který vyplňuje póry mezi jemnými částicemi sedimentů a stabilizuje mořské dno. Pokud se hydráty metanu rozloží, sníží se stabilita mořského dna v důsledku chybějícího cementu a možného vzniku nadměrného pórového tlaku. V nejhorším případě dochází k propadu velkých částí kontinentálních okrajů. Vzniklé podmořské sesuvy mohou způsobit silné tsunami.
K masivním pohybům mas došlo během poslední doby ledové a následující deglaciace. Spouštěčem pravděpodobně nebylo vždy oteplení atmosféry, ale i opak. Protože během poslední doby ledové bylo v ledu uloženo velké množství vody, byla hladina moře přibližně o 120 metrů nižší než dnes. Zejména v mělkých oceánských oblastech byl tlak vody tak nízký, že mohlo dojít k destabilizaci obrovského množství metanhydrátu. Přímé důkazy takovýchto svahových poruch způsobených rozkládajícími se hydráty plynu zatím nebyly nalezeny. Existují však určité indicie naznačující tento proces v minulosti. V blízkosti svahových poruch se téměř vždy nacházejí známky prosakujících tekutin. Tyto svahy byly pravděpodobně destabilizovány plyny uvolňovanými rozkládajícími se plynnými hydráty a kapalinami. Vědci však rozhodně vidí i možnost opačného vztahu: je možné, že svahové poruchy a následné snížení tlaku na podložní sedimenty způsobily disociaci metanhydrátů na kontinentálních okrajích, čímž se uvolnilo velké množství volného plynu. Svahy by byly spíše příčinou než důsledkem úniku plynu. Tyto nejasnosti zdůrazňují potřebu dalšího výzkumu. Je však poměrně jisté, že zánik hydrátů metanu by mohl vést k vážným problémům.

Emise metanu z Arktidy – hlavní cíl budoucího výzkumu hydrátů plynu

V oblasti výzkumu emisí metanu je dnes Arktida jednou z nejdůležitějších oblastí na světě. Předpokládá se, že se zde metan vyskytuje jak ve formě hydrátu plynu v moři, tak jako volný plyn zachycený v hluboce zmrzlém permafrostu. Ložiska metanu v permafrostu a hydrátech jsou v expanzivních oblastech mělkých šelfů považována za velmi citlivá, protože při relativně nízkých tlacích by k uvolnění velkého množství metanu stačila malá změna teploty. Kromě toho neustále vzniká nový metan, protože arktické oblasti jsou bohaté na organický materiál, který je rozkládán mikroby v sedimentech. Aktivita těchto mikrobů, a tím i rychlost biologického uvolňování metanu, je rovněž stimulována zvýšením teploty. Emise metanu v Arktidě mají tedy více zdrojů. V současné době vznikají mezinárodní vědecká konsorcia zahrnující výzkumníky z různých oborů – chemiky, biology, geology, geofyziky, meteorology – která se tímto problémem intenzivně zabývají. Nikdo zatím nemůže s jistotou říci, jak se bude uvolňování metanu v Arktidě vyvíjet v souvislosti s globálním oteplováním, ať už v oceánu, nebo na pevnině. Tento výzkum je stále ještě v plenkách.