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Wie Methan in den Ozean gelangt

Seit mehr als hundert Jahren verbrennt der Mensch Kohle, Öl und Erdgas. Methanhydrate hingegen werden erst seit kurzem als mögliche zukünftige Energiequelle aus dem Meer kontrovers diskutiert

. Sie stellen ein neues und völlig unerschlossenes Reservoir an fossilen Brennstoffen dar, denn sie enthalten, wie ihr Name schon sagt, immense Mengen an Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas. Methanhydrate gehören zu einer Gruppe von Stoffen, die als Clathrate bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um Stoffe, bei denen eine Molekülart eine kristallartige Käfigstruktur bildet und eine andere Molekülart einschließt. Handelt es sich bei dem käfigbildenden Molekül um Wasser, spricht man von einem Hydrat. Ist das im Wasserkäfig eingeschlossene Molekül ein Gas, handelt es sich um ein Gashydrat, in diesem Fall Methanhydrat.
Methanhydrate können sich nur unter ganz bestimmten physikalischen, chemischen und geologischen Bedingungen bilden. Hoher Wasserdruck und niedrige Temperaturen bieten die besten Bedingungen für die Methanhydratbildung

. Ist das Wasser jedoch warm, muss der Wasserdruck sehr hoch sein, um das Wassermolekül in einen Clathratkäfig zu pressen. In diesem Fall bildet sich das Hydrat erst in großen Tiefen. Ist das Wasser sehr kalt, könnten sich die Methanhydrate auch in geringeren Wassertiefen oder sogar bei atmosphärischem Druck bilden. Im offenen Ozean, wo die durchschnittlichen Bodenwassertemperaturen etwa 2 bis 4 Grad Celsius betragen, treten Methanhydrate ab einer Tiefe von etwa 500 Metern auf. 2.16 > Methanhydrat sieht aus wie ein Stück Eis, wenn es vom Meeresboden hochgeholt wird. Dieser Klumpen wurde während einer Expedition zum „Hydratrücken“ vor der Küste von Oregon in den USA geborgen.Überraschenderweise gibt es in den tiefsten Meeresregionen, den Gebieten mit dem höchsten Druck, kein Methanhydrat, da hier nur sehr wenig Methan vorhanden ist. Der Grund dafür ist, dass Methan im Ozean von Mikroben im Meeresboden produziert wird, die organisches Material abbauen, das aus der sonnenbeschienenen Zone nahe der Oberfläche herabsinkt.
Organisches Material besteht zum Beispiel aus den Überresten von abgestorbenen Algen und Tieren sowie deren Ausscheidungen. In den tiefsten Bereichen des Ozeans, unterhalb von etwa 2000 bis 3000 Metern, gelangen nur sehr wenige organische Überreste auf den Meeresboden, da sie auf ihrem Weg durch die Wassersäule größtenteils von anderen Organismen abgebaut werden. Als Faustregel kann man sagen, dass nur etwa 1 Prozent des an der Oberfläche produzierten organischen Materials tatsächlich in der Tiefsee landet. Je tiefer der Meeresboden ist, desto weniger organisches Material setzt sich am Boden ab. Methanhydrate entstehen daher vor allem an den Kontinentalhängen, also dort, wo die Kontinentalplatten auf die Tiefseeregionen treffen. Hier sammelt sich ausreichend organisches Material am Boden an und die Kombination aus Temperatur und Druck ist günstig. In sehr kalten Regionen wie der Arktis kommen Methanhydrate sogar auf dem flachen Kontinentalschelf (weniger als 200 Meter Wassertiefe) oder an Land im Permafrost, dem tiefgefrorenen arktischen Boden, der nicht einmal im Sommer auftaut, vor. 2.17 > Methanhydrat kommt in allen Ozeanen und auch an Land vor. Die grünen Punkte zeigen Vorkommen in den nördlichen Permafrostgebieten. Die mit geophysikalischen Methoden ermittelten Vorkommen sind rot gekennzeichnet. Die durch blaue Punkte gekennzeichneten Vorkommen wurden durch direkte Probenahmen verifiziert.

Es wird geschätzt, dass in den Methanhydraten mehr potenzielle fossile Brennstoffe enthalten sein könnten als in den klassischen Kohle-, Erdöl- und Erdgasreserven. Je nach verwendetem mathematischen Modell liegen die derzeitigen Berechnungen zwischen 100 und 530.000 Gigatonnen Kohlenstoff. Am wahrscheinlichsten sind Werte zwischen 1000 und 5000 Gigatonnen. Das ist etwa das 100- bis 500-fache der Menge an Kohlenstoff, die jährlich durch die Verbrennung von Kohle, Öl und Gas in die Atmosphäre abgegeben wird. Ihr möglicher zukünftiger Abbau würde vermutlich nur einen Teil davon als tatsächlich nutzbaren Brennstoff hervorbringen, weil viele Lagerstätten unzugänglich sind oder die Förderung zu teuer oder zu aufwändig wäre. Dennoch beschäftigen sich Indien, Japan, Korea und andere Länder derzeit mit der Entwicklung von Abbautechniken, um Methanhydrate in Zukunft als Energiequelle nutzen zu können (Kapitel 7).2.18 > Bei Hydraten ist das Gas (große Kugel) von einem Käfig aus Wassermolekülen umgeben. Wissenschaftler nennen diese Art der Molekülanordnung ein Clathrat.

Methanhydrate und globale Erwärmung

Angesichts der Tatsache, dass sich Methanhydrate nur unter ganz bestimmten Bedingungen bilden, ist es denkbar, dass die globale Erwärmung, zu der ja auch die Erwärmung der Ozeane gehört, die Stabilität der Gashydrate beeinflusst. In der Erdgeschichte gibt es Hinweise darauf, dass klimatische Veränderungen in der Vergangenheit zur Destabilisierung von Methanhydraten und damit zur Freisetzung von Methan geführt haben könnten. Diese Hinweise – unter anderem Messungen des Methangehalts in Eisbohrkernen – sind noch umstritten. Wie dem auch sei, das Thema ist hochaktuell und von besonderem Interesse für Wissenschaftler, die sich mit der Vorhersage möglicher Auswirkungen eines Temperaturanstiegs auf die vorhandenen Methanhydratvorkommen beschäftigen.
Methan ist ein starkes Treibhausgas, das pro Molekül etwa 20-mal wirksamer ist als Kohlendioxid. Eine verstärkte Freisetzung aus dem Ozean in die Atmosphäre könnte den Treibhauseffekt weiter verstärken. Untersuchungen zur Stabilität von Methanhydraten in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen sowie zum Verhalten von Methan nach seiner Freisetzung sind daher dringend erforderlich.

2.19 > Gashydrate entstehen, wenn durch den Abbau von organischem Material im Meeresboden unter niedrigen Temperatur- und Hochdruckbedingungen ausreichend Methan gebildet wird. Diese Bedingungen treten vor allem an den Kontinentalrändern auf. Je wärmer das Wasser ist, desto größer muss die Wassertiefe sein, um ein Hydrat zu bilden. In der Tiefe des Meeresbodens ist die Temperatur für die Bildung von Methanhydraten aufgrund der inneren Wärme der Erde jedoch zu hoch.

OxidationViele Bakterien nutzen Methan, um Energie für ihren Stoffwechsel zu gewinnen. Sie nehmen Methan auf und wandeln es chemisch um. Dabei gibt das Methan Elektronen ab und wird so oxidiert. Einige Bakterien bauen das Methan mit Hilfe von Sauerstoff ab. Dies wird als aerobe Oxidation bezeichnet. Andere Bakterien benötigen keinen Sauerstoff. Diese Art der Oxidation wird als anaerob bezeichnet.

Zur Vorhersage der zukünftigen Entwicklung werden verschiedene Methoden eingesetzt. Dazu gehört vor allem die mathematische Modellierung. Computermodelle berechnen zunächst die hypothetische Menge an Methanhydraten im Meeresboden anhand von Hintergrunddaten (organischer Gehalt, Druck, Temperatur). Dann simuliert der Computer die Erwärmung des Meerwassers, zum Beispiel um 3 oder 5 Grad Celsius pro 100 Jahre. Auf diese Weise lässt sich bestimmen, wie sich das Methanhydrat in verschiedenen Regionen verhalten wird. Berechnungen von Methanhydratvorkommen können dann mit komplexen mathematischen Klima- und Ozeanmodellen gekoppelt werden. Mit diesen Computermodellen erhalten wir eine grobe Vorstellung davon, wie stark die Methanhydrate unter den verschiedenen Szenarien des Temperaturanstiegs zusammenbrechen würden. Heute geht man davon aus, dass im schlimmsten Fall, bei einer stetigen Erwärmung des Ozeans um 3 Grad Celsius, rund 85 Prozent des im Meeresboden eingeschlossenen Methans in die Wassersäule freigesetzt werden könnten.
Andere, empfindlichere Modelle sagen voraus, dass Methanhydrate in großen Wassertiefen durch die Erwärmung nicht gefährdet sind. Nach diesen Modellen wären nur die Methanhydrate, die sich direkt an den Grenzen der Stabilitätszonen befinden, in erster Linie betroffen. An diesen Stellen würde ein Temperaturanstieg von nur 1 Grad Celsius ausreichen, um große Mengen Methan aus den Hydraten freizusetzen. Betroffen wären vor allem die Methanhydrate im offenen Ozean in etwa 500 Metern Wassertiefe und die Vorkommen in den flachen Regionen der Arktis.
Im Zuge der Erwärmung der Erde wird auch ein Anstieg des Meeresspiegels durch das Abschmelzen der Polkappen und des Gletschereises erwartet. Dies führt zwangsläufig zu einem höheren Druck am Meeresboden. Der Druckanstieg würde jedoch nicht ausreichen, um dem Effekt der steigenden Temperatur entgegenzuwirken und die Methanhydrate aufzulösen. Nach neuesten Berechnungen könnte ein Meeresspiegelanstieg von zehn Metern die durch eine Erwärmung um ein Grad Celsius verursachte Auflösung der Methanhydrate nur um wenige Jahrzehnte verlangsamen.

Zur Vorhersage der Folgen der globalen Erwärmung wird eine Vielzahl von mathematischen Modellen verwendet. Die Ergebnisse der Simulationen sind ebenfalls sehr unterschiedlich. Eine genaue Abschätzung der Folgen der globalen Erwärmung für die Gashydratvorkommen ist daher schwierig, nicht zuletzt wegen der großen Unterschiede in den Berechnungen zur Größe der heutigen Gashydratvorkommen. Ein wichtiges Ziel der aktuellen Gashydratforschung ist es, diese Modelle durch immer genauere Eingabeparameter zu optimieren. Um dies zu erreichen, sind weitere Messungen, Expeditionen, Bohrungen und Analysen notwendig.

Extra InfoBakterien wandeln Methan um

Was passiert, wenn Methanhydrat schmilzt?

Nicht alles Methan, das aus instabilen Methanhydraten freigesetzt wird, gelangt in die Atmosphäre. Der größte Teil wird wahrscheinlich während seines Aufstiegs durch die Sedimente und in der Wassersäule abgebaut. Dieser Abbau wird durch zwei biologische Prozesse vermittelt:

• anaerobe Oxidation von Methan durch Bakterien und Archaeen (früher Archaebakterien genannt) im Meeresboden;
• aerobe Oxidation von Methan durch Bakterien in der Wassersäule.

Bei der anaeroben Oxidation von Methan im Sediment verwenden die Mikroben Sulfat (SO42-), das Salz der Schwefelsäure, das in großen Mengen im Meerwasser vorhanden ist, für den Methanabbau. Bei diesem Prozess wird Methan in Bikarbonat (HCO3-) umgewandelt. Reagiert das Bikarbonat weiter mit Kalziumionen (Ca2+) im Meerwasser, fällt Kalziumkarbonat (CaCO3) aus, das über lange Zeiträume im Meeresboden gespeichert bleibt. Das wäre der Idealfall, denn damit würde das starke Treibhausgas Methan (CH4) unschädlich gemacht. Gleichzeitig entsteht aus dem Sulfat Schwefelwasserstoff (H2S), der chemosynthetische Gemeinschaften, darunter symbiotische Muscheln und Röhrenwürmer, mit Energie versorgt. Bei der aeroben Oxidation in der Wassersäule hingegen bauen Bakterien das Methan mit Hilfe von Sauerstoff (O2) ab. Bei diesem Prozess entsteht Kohlendioxid, das sich im Wasser auflöst. Kohlendioxid trägt zur Versauerung der Ozeane bei. Außerdem verbraucht die aerobe Oxidation von Methan Sauerstoff. Die Verarmung des Sauerstoffs in der Wassersäule könnte Sauerstoffminimumzonen im Ozean schaffen oder ausweiten, die eine Bedrohung für Fische und andere empfindliche Organismen darstellen. Grobe Schätzungen deuten darauf hin, dass die anaerobe und aerobe Oxidation von Methan zusammen derzeit etwa 90 Prozent des im Meeresboden produzierten Methans umwandeln, bevor es in die Atmosphäre gelangen kann. Je langsamer das Methan durch den Meeresboden oder die Wassersäule wandert, desto effektiver können es die Mikroben umwandeln. Voraussetzung für diese Art des Abbaus ist, dass die Methanmoleküle in Wasser gelöst sind. Nur in dieser Form kann das Methan von den Bakterien abgebaut werden. Wenn das Methan schnell aus den Hydraten freigesetzt wird, könnte es in Form von Gasblasen aufsteigen, die für die Mikroorganismen nicht zugänglich sind. Der mikrobielle Methanfilter würde also zumindest teilweise versagen, wenn die Methanhydrate sehr schnell zerfallen und große Mengen Methan auf einmal freigesetzt werden.

Ein weiteres Problem besteht in geringen Wassertiefen, wo sich die Methanblasen auf dem kurzen Weg vom Meeresboden zur Atmosphäre nicht vollständig im Wasser auflösen können. Um solche Prozesse besser zu verstehen und Vorhersagen über die Funktion der mikrobiellen Filter treffen zu können, untersuchen Forscher derzeit natürliche Methanquellen am Meeresboden, so genannte Cold Seeps, die ständig größere Mengen Methan freisetzen. Dazu gehören oberflächennahe Gashydratvorkommen, Schlammvulkane und natürliche Gasaustritte in flachen Meeresgebieten. Diese Quellen sind eine Art natürliches Modell, an dem sich das Verhalten von Methan im Ozean studieren lässt. Wenn wir verstehen, wie die Natur auf diese Methanaustritte am Meeresboden reagiert, können wir die Folgen größerer Methanfreisetzungen aus Gashydraten besser abschätzen. Die an den Methanaustritten gewonnenen Daten dürften auch dazu beitragen, die Genauigkeit der mathematischen Methanhydratsimulationen zu verbessern. 2.20 > Große Mengen von Methanhydrat sind nicht nur im Meeresboden, sondern auch an Land gespeichert, insbesondere im ewig gefrorenen Permafrostboden der russischen Tundra, wie hier in der russischen Republik Komi. Wissenschaftler befürchten, dass die Permafrostböden durch die globale Erwärmung auftauen und damit die Methanhydrate freisetzen könnten.Das Verschwinden von Methanhydraten

könnten fatale Folgen haben. Gashydrate wirken wie ein Zement, der die Poren zwischen den feinen Sedimentpartikeln füllt und den Meeresboden stabilisiert. Zersetzen sich die Methanhydrate, verringert sich die Stabilität des Meeresbodens durch den fehlenden Zement und die mögliche Entstehung von Porenüberdruck. Im schlimmsten Fall brechen große Teile der Kontinentalränder weg. Die daraus resultierenden submarinen Erdrutsche können schwere Tsunamis verursachen.
Massive Massenbewegungen traten während der letzten Eiszeit und der folgenden Deglazialisierung auf. Der Auslöser war wahrscheinlich nicht immer die Erwärmung der Atmosphäre, sondern auch das Gegenteil. Weil während der letzten Eiszeit große Mengen Wasser im Eis gespeichert wurden, lag der Meeresspiegel rund 120 Meter tiefer als heute. Vor allem in den flachen Meeresregionen war der Wasserdruck so niedrig, dass große Mengen Methanhydrat destabilisiert werden konnten. Direkte Beweise für solche durch sich zersetzende Gashydrate verursachten Hangrutschungen wurden bisher nicht gefunden. Es gibt jedoch einige Hinweise, die auf einen Prozess in der Vergangenheit hindeuten. Anzeichen von austretenden Flüssigkeiten finden sich fast immer in der Nähe von Hangrutschungen. Möglicherweise wurden diese Hänge durch Gase destabilisiert, die von sich zersetzenden Gashydraten und Flüssigkeiten freigesetzt wurden. Die Forscher sehen aber durchaus auch die Möglichkeit eines umgekehrten Zusammenhangs: Es ist denkbar, dass Hangrutschungen und die daraus resultierende Druckverminderung auf darunter liegende Sedimente die Zersetzung von Methanhydraten an den Kontinentalrändern verursachten und dadurch große Mengen an freiem Gas freigesetzt wurden. Die Einbrüche wären dann eher die Ursache als die Folge des Gasaustritts gewesen. Diese Ungewissheiten machen deutlich, dass weitere Forschungen notwendig sind. Es ist jedoch ziemlich sicher, dass das Verschwinden von Methanhydraten zu ernsthaften Problemen führen könnte.

Methanemissionen aus der Arktis – ein Schwerpunkt der künftigen Gashydratforschung

Auf dem Gebiet der Methanemissionsforschung ist die Arktis heute eine der wichtigsten Regionen weltweit. Man geht davon aus, dass Methan dort sowohl in Form von Gashydraten im Meer als auch als freies Gas im tiefgefrorenen Permafrost eingeschlossen vorkommt. Methanvorkommen in Permafrost und Hydraten gelten in den ausgedehnten Flachmeerregionen als sehr empfindlich, denn bei den relativ niedrigen Drücken würde schon eine kleine Temperaturänderung große Mengen Methan freisetzen. Darüber hinaus wird ständig neues Methan produziert, da die arktischen Regionen reich an organischem Material sind, das von Mikroben im Sediment zersetzt wird. Die Aktivität dieser Mikroben und damit die biologischen Freisetzungsraten von Methan werden ebenfalls durch Temperaturerhöhungen stimuliert. Die Methanemissionen in der Arktis haben also mehrere Quellen. Inzwischen werden internationale wissenschaftliche Konsortien gebildet, an denen Forscher aus verschiedenen Disziplinen – Chemiker, Biologen, Geologen, Geophysiker, Meteorologen – beteiligt sind, die sich intensiv mit diesem Problem befassen. Noch kann niemand mit Sicherheit sagen, wie sich die Methanfreisetzung in der Arktis mit der globalen Erwärmung entwickeln wird, weder im Meer noch an Land. Diese Forschung steckt noch in den Kinderschuhen.