Free Press

Hvordan metan ender i havet

Mennesker har brændt kul, olie og naturgas i mere end hundrede år. Metanhydrater er derimod først for nylig blevet kontroversielt diskuteret som en potentiel fremtidig energikilde fra havet

. De udgør et nyt og fuldstændig uudnyttet reservoir af fossilt brændstof, fordi de, som navnet antyder, indeholder enorme mængder metan, som er hovedbestanddelen af naturgas. Metanhydrater tilhører en gruppe af stoffer, der kaldes clathrater – stoffer, hvor en molekyltype danner en krystallignende burstruktur og omslutter en anden molekyltype. Hvis det burdannende molekyle er vand, kaldes det for et hydrat. Hvis det molekyle, der er indespærret i vandburet, er en gas, er der tale om et gashydrat, i dette tilfælde metanhydrat.
Methanhydrater kan kun dannes under meget specifikke fysiske, kemiske og geologiske forhold. Højt vandtryk og lave temperaturer giver de bedste betingelser for dannelse af metanhydrat

. Hvis vandet er varmt, skal vandtrykket imidlertid være meget højt for at kunne presse vandmolekylet ind i et clathratbur. I dette tilfælde dannes hydratet kun på store dybder. Hvis vandet er meget koldt, kan man forestille sig, at metanhydraterne kan dannes på mindre vanddybder eller endda ved atmosfærisk tryk. I det åbne hav, hvor den gennemsnitlige bundvandstemperatur er omkring 2 til 4 grader Celsius, opstår metanhydrater fra ca. 500 meters dybde. 2.16 > Metanhydrat ligner et stykke is, når det bringes op fra havbunden. Denne klump blev hentet under en ekspedition til “hydratryggen” ud for kysten af Oregon i USA.Overraskende nok findes der ikke metanhydrat i de dybeste havområder, de områder med de højeste tryk, fordi der her er meget lidt metan til rådighed. Årsagen hertil er, at metan i havet produceres af mikrober i havbunden, der nedbryder organisk materiale, der synker ned fra den solbeskinnede zone nær overfladen.
Organisk materiale består f.eks. af rester af døde alger og dyr samt deres ekskrementer. I de dybeste områder af havet, under ca. 2000 til 3000 meter, når kun en meget lille mængde organiske rester ned til bunden, fordi de fleste af dem nedbrydes af andre organismer på deres vej ned gennem vandsøjlen. Som en tommelfingerregel kan man sige, at kun ca. 1 % af det organiske materiale, der produceres ved overfladen, faktisk ender i dybhavet. Jo dybere havbunden er, jo mindre organisk materiale lægger sig på bunden. Metanhydrater forekommer derfor primært på kontinentalskråningerne, dvs. de områder, hvor kontinentalpladerne møder dybhavsområderne. Her er der tilstrækkeligt med organisk materiale, der ophobes på bunden, og kombinationen af temperatur og tryk er gunstig. I meget kolde områder som Arktis forekommer metanhydrater endda på den lavvandede kontinentalsokkel (mindre end 200 meters vanddybde) eller på land i permafrost, den dybfrosne arktiske jordbund, der ikke engang tøer om sommeren. 2.17 > Metanhydrat forekommer i alle oceaner såvel som på land. De grønne prikker viser forekomsterne i de nordlige permafrostområder. Forekomster, der er identificeret ved hjælp af geofysiske metoder, er angivet med rødt. De forekomster, der er vist med blå prikker, er blevet verificeret ved direkte prøveudtagning.

Det anslås, at der kan være mere potentielt fossilt brændstof indeholdt i metanhydraterne end i de klassiske kul-, olie- og naturgasreserver. Afhængigt af den anvendte matematiske model varierer de nuværende beregninger af deres forekomst mellem 100 og 530 000 gigatons kulstof. Værdier på mellem 1000 og 5000 gigaton er mest sandsynlige. Det er omkring 100 til 500 gange så meget kulstof, som der årligt frigives i atmosfæren ved forbrænding af kul, olie og gas. En eventuel fremtidig udgravning af dem vil formentlig kun producere en del af dette som reelt anvendeligt brændstof, fordi mange forekomster er utilgængelige, eller fordi produktionen ville være for dyr eller kræve for stor indsats. Alligevel er Indien, Japan, Korea og andre lande i øjeblikket i gang med at udvikle udvindingsteknikker med henblik på at kunne anvende metanhydrater som energikilde i fremtiden (kapitel 7).2.18 > I hydrater er gassen (den store kugle) omsluttet af et bur, der er dannet af vandmolekyler. Forskere kalder denne form for molekylært arrangement for et clathrat.

Methanhydrater og global opvarmning

I betragtning af, at metanhydrater kun dannes under meget specifikke forhold, er det tænkeligt, at den globale opvarmning, som i øvrigt omfatter opvarmning af havene, kan påvirke stabiliteten af gashydrater. Der er tegn i Jordens historie, der tyder på, at klimaændringer i fortiden kunne have ført til destabilisering af metanhydrater og dermed til frigivelse af metan. Disse indikationer – herunder f.eks. målinger af metanindholdet i iskerner – er stadig kontroversielle. Men uanset hvad, er spørgsmålet meget aktuelt og af særlig interesse for forskere, der beskæftiger sig med at forudsige de mulige virkninger af en temperaturstigning på de nuværende forekomster af metanhydrat.
Methan er en potent drivhusgas, der pr. molekyle er ca. 20 gange mere effektiv end kuldioxid. En øget frigivelse fra havet til atmosfæren vil kunne forstærke drivhuseffekten yderligere. Der er derfor et presserende behov for undersøgelser af metanhydraternes stabilitet i forhold til temperaturudsving samt af metanets adfærd efter frigivelse.

2.19 > Gashydrater opstår, når der produceres tilstrækkeligt med metan ved nedbrydning af organisk materiale i havbunden under lave temperaturer og højt tryk. Disse forhold forekommer fortrinsvis på kontinentalranden. Jo varmere vandet er, jo større skal vanddybden være for at danne hydratet. Dybt inde i havbunden er temperaturen imidlertid for høj til dannelse af metanhydrater på grund af Jordens indre varme.

OxidationMange bakterier bruger metan til at levere energi til deres stofskifte. De optager metan og omdanner det kemisk. I denne proces frigiver metanen elektroner og bliver således oxideret. Nogle bakterier nedbryder methanen ved hjælp af ilt. Dette kaldes aerob oxidation. Andre bakterier har ikke brug for ilt. Denne form for oxidation kaldes anaerob.

Der anvendes forskellige metoder til at forudsige den fremtidige udvikling. Disse omfatter især matematisk modellering. Computermodeller beregner først den hypotetiske mængde af metanhydrater i havbunden ved hjælp af baggrundsdata (organisk indhold, tryk, temperatur). Derefter simulerer computeren opvarmningen af havvandet, f.eks. med 3 eller 5 grader Celsius pr. 100 år. På denne måde er det muligt at bestemme, hvordan metanhydraterne vil opføre sig i forskellige regioner. Beregninger af metanhydratforekomster kan derefter kobles sammen med komplekse matematiske klima- og havmodeller. Med disse computermodeller får vi et overordnet billede af, hvor stærkt metanhydraterne vil nedbrydes under de forskellige scenarier for temperaturstigning. I dag antages det, at i værste fald, med en konstant opvarmning af havet på 3 grader Celsius, vil omkring 85 procent af den metan, der er fanget i havbunden, kunne frigives til vandsøjlen.
Andre, mere følsomme modeller forudsiger, at metanhydrater på store vanddybder ikke er truet af opvarmningen. Ifølge disse modeller er det kun de metanhydrater, der er placeret direkte ved stabilitetszonernes grænser, der primært vil blive påvirket. På disse steder vil en temperaturstigning på kun 1 grad Celsius være tilstrækkelig til at frigøre store mængder metan fra hydraterne. Metanhydraterne i det åbne hav på omkring 500 meters vanddybde og aflejringer i de lavvandede områder i Arktis ville primært blive påvirket.
I forbindelse med Jordens opvarmning forventes det også, at havniveauet vil stige som følge af afsmeltning af polariskapperne og gletsjeris. Dette resulterer uundgåeligt i et større tryk på havbunden. Trykforøgelsen vil dog ikke være tilstrækkelig til at modvirke virkningen af den stigende temperatur til at opløse metanhydraterne. Ifølge de seneste beregninger vil en stigning i havniveauet på ti meter kun kunne bremse opløsningen af metanhydraterne som følge af en opvarmning på én grad celsius med nogle få årtier.
Der anvendes en lang række matematiske modeller til at forudsige konsekvenserne af den globale opvarmning. Resultaterne af simuleringerne er ligeledes meget varierende. Det er derfor vanskeligt at foretage en præcis vurdering af konsekvenserne af den globale opvarmning for gashydratforekomsterne, ikke mindst på grund af de store forskelle i beregningerne af størrelsen af de nuværende gashydratforekomster. Et af de vigtigste mål for den nuværende gashydratforskning er at optimere disse modeller ved at anvende stadig mere præcise inputparametre. For at opnå dette er det nødvendigt med yderligere målinger, ekspeditioner, boringer og analyser.

Extra InfoBakterier omdanner metan

Hvad sker der, når metanhydrat smelter?

Det er ikke al den metan, der frigives fra ustabile metanhydrater, der ender i atmosfæren. Den største del bliver sandsynligvis nedbrudt under sin opstigning gennem sedimenterne og i vandsøjlen. Denne nedbrydning formidles af to biologiske processer:

• anaerob oxidation af methan af bakterier og arkæa (tidligere kaldet archaebakterier) i havbunden;
• aerob oxidation af methan af bakterier i vandsøjlen.

Under den anaerobe oxidation af metan i sedimentet bruger mikroberne sulfat (SO42-), svovlsyre-saltet, der findes i store mængder i havvand, til nedbrydningen af metan. I denne proces omdannes methan til bicarbonat (HCO3-). Hvis bikarbonaten reagerer yderligere med calciumioner (Ca2+) i havvandet, udfældes calciumcarbonat (CaCO3), som forbliver lagret i havbunden over lange perioder. Det ville være den ideelle situation, fordi det ville gøre den potente drivhusgas metan (CH4) uskadelig. Samtidig produceres der svovlbrinte (H2S) fra sulfat, som giver energi til kemosyntetiske samfund, herunder symbiotiske muslinger og rørorme. Under aerob oxidation i vandsøjlen nedbryder bakterier imidlertid metan ved hjælp af ilt (O2). I denne proces dannes der kuldioxid, som opløses i vandet. Kuldioxid bidrager til forsuring af havene. Desuden forbruger aerob oxidation af metan ilt. Udtømningen af ilt i vandsøjlen kan skabe eller udvide iltminimumszoner i havet, hvilket er en trussel for fisk og andre følsomme organismer. Grove skøn tyder på, at anaerob og aerob oxidation af metan i øjeblikket tilsammen omdanner omkring 90 % af den metan, der produceres i havbunden, inden den når ud i atmosfæren. Jo langsommere methanen vandrer gennem havbunden eller gennem vandsøjlen, jo mere effektivt er mikroberne i stand til at omdanne den. En forudsætning for denne form for nedbrydning er, at metanmolekylerne er opløst i vand. Metan kan kun nedbrydes af bakterierne i denne form. Hvis metanen frigøres hurtigt fra hydraterne, kan den stige op i form af gasbobler, der ikke er tilgængelige for mikroorganismerne. Det mikrobielle metanfilter vil således fejle, i hvert fald delvist, hvis metanhydraterne nedbrydes meget hurtigt, og der frigives store mængder metan på én gang.
Der er også et problem på lav vanddybde, hvor metanboblerne ikke kan opløses fuldstændigt i vandet over den korte afstand fra havbunden til atmosfæren. For bedre at forstå sådanne processer og for at kunne lave forudsigelser om de mikrobielle filters funktioner er forskerne i øjeblikket i gang med at undersøge naturlige metankilder på havbunden, såkaldte kolde siver, som konstant frigiver større mængder metan. Det drejer sig bl.a. om gashydratforekomster nær overfladen, muddervulkaner og naturlige gasudsivninger i lavvandede havområder. Disse siver er en slags naturlig model, hvor metanens adfærd i havet kan studeres. Hvis vi forstår, hvordan naturen reagerer på disse metanudsivninger på havbunden, vil det hjælpe os til at vurdere konsekvenserne af større metanudslip fra gashydrater. De data, der opnås ved metanudsivningerne, bør også bidrage til at forbedre præcisionen af matematiske metanhydratsimuleringer. 2.20 > Store mængder metanhydrat er ikke kun lagret i havbunden, men også på land, især i den evigt frosne permafrostbund i den russiske tundra, som her i den russiske republik Komi. Forskere er bekymrede for, at permafrostjorden kan smelte som følge af den globale opvarmning og dermed frigive metanhydraterne.

Metanhydraternes forsvinden

kan få fatale konsekvenser. Gashydrater virker som en cement, der fylder porerne mellem de fine sedimentpartikler og stabiliserer havbunden. Hvis metanhydraterne nedbrydes, reduceres stabiliteten af havbunden på grund af den manglende cement og den mulige dannelse af et for højt poretryk. I værste fald bryder store dele af kontinentalranden sammen. De deraf følgende undersøiske jordskred kan forårsage alvorlige tsunamier.
Massive massebevægelser fandt sted under den sidste istid og den efterfølgende deglaciation. Den udløsende faktor var sandsynligvis ikke altid opvarmning af atmosfæren, men også det modsatte. Fordi store vandmængder blev lagret i isen under den sidste istid, var havniveauet omkring 120 meter lavere end i dag. Især i de lavvandede havområder var vandtrykket så lavt, at enorme mængder metanhydrat kunne være blevet destabiliseret. Der er endnu ikke fundet direkte beviser for sådanne skråningsbrud forårsaget af nedbrydende gashydrater. Der er dog nogle indikationer, der tyder på, at der har været en proces i fortiden. Tegn på sivende væsker findes næsten altid i nærheden af skråningsbrud. Disse skråninger blev muligvis destabiliseret af gasser, der blev frigivet af nedbrydende gashydrater og væsker. Forskerne ser dog også muligheden for en omvendt sammenhæng: Det er tænkeligt, at skråningsbrud og det deraf følgende fald i trykket på de underliggende sedimenter forårsagede opløsningen af metanhydrater ved kontinentalranden og dermed frigjorde store mængder af fri gas. Skråningerne ville have været årsagen snarere end resultatet af gasudstrømningen. Disse usikkerheder understreger behovet for yderligere forskning. Det er dog temmelig sikkert, at metanhydraternes forsvinden kan føre til alvorlige problemer.

Methanemissioner fra Arktis – et hovedfokus for fremtidig gashydratforskning

Med hensyn til forskning i metanemissioner er Arktis i dag en af de vigtigste regioner på verdensplan. Man mener, at metan forekommer der både i form af gashydrat i havet og som fri gas, der er fanget i den dybfrosne permafrost. Metanaflejringer i permafrost og hydrater anses for at være meget følsomme i de ekspansive områder med lavt bundlag, fordi der med det relativt lave tryk kun skal en lille temperaturændring til at frigøre store mængder metan. Desuden produceres der hele tiden ny metan, fordi de arktiske områder er rige på organisk materiale, som nedbrydes af mikrober i sedimentet. Aktiviteten af disse mikrober og dermed den biologiske frigivelse af metan stimuleres også af temperaturstigninger. Metanemissionerne i Arktis har derfor flere kilder. Der er nu ved at blive etableret internationale videnskabelige konsortier med deltagelse af forskere fra forskellige fagområder – kemikere, biologer, geologer, geofysikere og meteorologer – som beskæftiger sig intensivt med dette problem. Ingen kan endnu med sikkerhed sige, hvordan metanudslippet i Arktis vil udvikle sig i takt med den globale opvarmning, hverken i havet eller på land. Denne forskning er stadig i sin vorden.