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Cómo acaba el metano en el océano

Desde hace más de cien años se quema carbón, petróleo y gas natural. Los hidratos de metano, en cambio, sólo han sido objeto de un controvertido debate recientemente como posible fuente de energía futura a partir del océano

. Representan una nueva y completamente inexplotada reserva de combustible fósil, porque contienen, como su nombre indica, inmensas cantidades de metano, que es el principal componente del gas natural. Los hidratos de metano pertenecen a un grupo de sustancias denominadas clatratos, es decir, sustancias en las que un tipo de molécula forma una estructura similar a una jaula de cristal y encierra otro tipo de molécula. Si la molécula que forma la jaula es agua, se denomina hidrato. Si la molécula atrapada en la jaula de agua es un gas, se trata de un hidrato de gas, en este caso de metano.
Los hidratos de metano sólo pueden formarse en condiciones físicas, químicas y geológicas muy específicas. Las altas presiones del agua y las bajas temperaturas proporcionan las mejores condiciones para la formación de hidrato de metano

. Sin embargo, si el agua está caliente, la presión del agua debe ser muy alta para presionar la molécula de agua en una jaula de clatratos. En este caso, el hidrato sólo se forma a grandes profundidades. Si el agua es muy fría, los hidratos de metano podrían formarse a menor profundidad, o incluso a presión atmosférica. En el océano abierto, donde las temperaturas medias del fondo son de unos 2 a 4 grados centígrados, los hidratos de metano se producen a partir de profundidades de unos 500 metros. 2.16 > El hidrato de metano tiene el aspecto de un trozo de hielo cuando se saca del fondo marino. Este trozo fue recuperado durante una expedición a la «cresta de hidratos» frente a la costa de Oregón, en Estados Unidos.Sorprendentemente, no hay hidrato de metano en las regiones oceánicas más profundas, las zonas con mayores presiones, porque aquí hay muy poco metano disponible. Esto se debe a que el metano en el océano lo producen los microbios del fondo marino que descomponen la materia orgánica que se hunde desde la zona iluminada por el sol cerca de la superficie.

La materia orgánica se compone, por ejemplo, de los restos de algas y animales muertos, así como de sus excrementos. En las zonas más profundas del océano, por debajo de unos 2.000 o 3.000 metros, sólo llega al fondo una cantidad muy pequeña de restos orgánicos porque la mayoría son descompuestos por otros organismos en su descenso por la columna de agua. Como regla general, se puede decir que sólo alrededor del 1% de la materia orgánica producida en la superficie acaba en las profundidades. Cuanto más profundo es el lecho marino, menos materia orgánica se deposita en el fondo. Por tanto, los hidratos de metano se producen principalmente en los taludes continentales, aquellas zonas en las que las placas continentales se encuentran con las regiones de aguas profundas. Aquí hay suficiente materia orgánica que se acumula en el fondo y la combinación de temperatura y presión es favorable. En regiones muy frías como el Ártico, los hidratos de metano se producen incluso en la plataforma continental poco profunda (menos de 200 metros de profundidad) o en la tierra en el permafrost, el suelo ártico congelado que ni siquiera se descongela en verano. 2.17 > El hidrato de metano está presente en todos los océanos y en la tierra. Los puntos verdes muestran la presencia en las regiones de permafrost del norte. Las ocurrencias identificadas por métodos geofísicos se indican en rojo. Las ocurrencias mostradas por los puntos azules fueron verificadas por muestreo directo.Se estima que podría haber más combustible fósil potencial contenido en los hidratos de metano que en las reservas clásicas de carbón, petróleo y gas natural. Dependiendo del modelo matemático empleado, los cálculos actuales de su abundancia oscilan entre 100 y 530.000 gigatoneladas de carbono. Los valores más probables son entre 1000 y 5000 gigatoneladas. Es decir, entre 100 y 500 veces más carbono del que se libera a la atmósfera anualmente por la combustión de carbón, petróleo y gas. Su posible excavación en el futuro presumiblemente sólo produciría una parte de esto como combustible utilizable real, porque muchos depósitos son inaccesibles, o la producción sería demasiado cara o requeriría demasiado esfuerzo. Aun así, India, Japón, Corea y otros países están desarrollando actualmente técnicas de extracción para poder utilizar los hidratos de metano como fuente de energía en el futuro (capítulo 7).2.18 > En los hidratos, el gas (bola grande) está encerrado en una jaula formada por moléculas de agua. Los científicos llaman a este tipo de disposición molecular clatrato.

Hidratos de metano y calentamiento global

Considerando que los hidratos de metano sólo se forman en condiciones muy específicas, es concebible que el calentamiento global, que de hecho incluye el calentamiento de los océanos, pueda afectar a la estabilidad de los hidratos de gas. Hay indicios en la historia de la Tierra que sugieren que los cambios climáticos en el pasado podrían haber provocado la desestabilización de los hidratos de metano y, por tanto, la liberación de metano. Estos indicios -incluidas las mediciones del contenido de metano en los núcleos de hielo, por ejemplo- siguen siendo controvertidos. No obstante, la cuestión es de gran actualidad y reviste especial interés para los científicos que se ocupan de predecir los posibles efectos de un aumento de la temperatura en los actuales depósitos de hidratos de metano.
El metano es un potente gas de efecto invernadero, unas 20 veces más eficaz por molécula que el dióxido de carbono. Una mayor liberación del océano a la atmósfera podría intensificar aún más el efecto invernadero. Por lo tanto, es urgente investigar la estabilidad de los hidratos de metano en función de las fluctuaciones de temperatura, así como el comportamiento del metano tras su liberación.

2.19 > Los hidratos de gas se producen cuando se produce suficiente metano por la degradación de la materia orgánica en el fondo marino en condiciones de baja temperatura y alta presión. Estas condiciones se dan predominantemente en los márgenes continentales. Cuanto más caliente es el agua, mayor debe ser la profundidad del agua para formar el hidrato. Sin embargo, en las profundidades del fondo marino, la temperatura es demasiado alta para la formación de hidratos de metano debido al calor interno de la Tierra.

OxidaciónMuchas bacterias utilizan el metano para obtener energía para su metabolismo. Toman el metano y lo transforman químicamente. En este proceso, el metano libera electrones y se oxida. Algunas bacterias descomponen el metano con la ayuda del oxígeno. Esto se llama oxidación aeróbica. Otras bacterias no necesitan oxígeno. Este tipo de oxidación se denomina anaeróbica.

Para predecir la evolución futura se emplean diversos métodos. Entre ellos se encuentra, en particular, la modelización matemática. Los modelos informáticos calculan primero la cantidad hipotética de hidratos de metano en el fondo marino a partir de datos de fondo (contenido orgánico, presión, temperatura). A continuación, el ordenador simula el calentamiento del agua del mar, por ejemplo, en 3 o 5 grados centígrados cada 100 años. De este modo es posible determinar cómo se comportará el hidrato de metano en diferentes regiones. Los cálculos de los depósitos de hidratos de metano pueden luego acoplarse a complejos modelos matemáticos climáticos y oceánicos. Con estos modelos informáticos podemos hacernos una idea general de la fuerza con la que se romperían los hidratos de metano en los distintos escenarios de aumento de la temperatura. En la actualidad se supone que, en el peor de los casos, con un calentamiento constante del océano de 3 grados centígrados, alrededor del 85% del metano atrapado en el fondo marino podría liberarse en la columna de agua.

Otros modelos más sensibles predicen que los hidratos de metano a grandes profundidades de agua no se ven amenazados por el calentamiento. Según estos modelos, sólo los hidratos de metano situados directamente en los límites de las zonas de estabilidad se verían principalmente afectados. En estos lugares, un aumento de la temperatura de sólo 1 grado Celsius sería suficiente para liberar grandes cantidades de metano de los hidratos. Los hidratos de metano en el océano abierto, a unos 500 metros de profundidad, y los depósitos en las regiones poco profundas del Ártico se verían afectados principalmente.
En el curso del calentamiento de la Tierra, también se espera que el nivel del mar aumente debido al derretimiento de los casquetes polares y del hielo glacial. Esto provoca inevitablemente una mayor presión en el fondo del mar. El aumento de la presión, sin embargo, no sería suficiente para contrarrestar el efecto del aumento de la temperatura para disolver los hidratos de metano. Según los cálculos más recientes, un aumento del nivel del mar de diez metros podría ralentizar la disolución de los hidratos de metano provocada por un calentamiento de un grado centígrado sólo durante unas décadas.
Para predecir las consecuencias del calentamiento global se utiliza una gran variedad de modelos matemáticos. Los resultados de las simulaciones son igualmente muy variables. Por lo tanto, es difícil evaluar con precisión las consecuencias del calentamiento global para los depósitos de hidratos de gas, sobre todo por las grandes diferencias en los cálculos del tamaño de los depósitos de hidratos de gas actuales. Uno de los principales objetivos de la investigación actual sobre los hidratos de gas es optimizar estos modelos utilizando parámetros de entrada cada vez más precisos. Para conseguirlo, es esencial realizar más mediciones, expediciones, perforaciones y análisis.

Información extraLas bacterias convierten el metano

¿Qué ocurre cuando se funde el hidrato de metano?

No todo el metano que se libera de los hidratos de metano inestables acaba en la atmósfera. Es probable que la mayor parte se descomponga durante su ascenso a través de los sedimentos y en la columna de agua. Esta descomposición está mediada por dos procesos biológicos:

• Oxidación anaeróbica del metano por parte de bacterias y arqueas (antes llamadas arqueobacterias) dentro del fondo marino;
• Oxidación anaeróbica del metano por parte de bacterias en la columna de agua.

Durante la oxidación anaeróbica del metano en el sedimento los microbios utilizan sulfato (SO42-), la sal del ácido sulfúrico que está presente en grandes cantidades en el agua de mar, para la descomposición del metano. En este proceso el metano se convierte en bicarbonato (HCO3-). Si el bicarbonato reacciona además con los iones de calcio (Ca2+) del agua de mar, se precipita carbonato de calcio (CaCO3), que permanece almacenado en el fondo marino durante largos periodos de tiempo. Esa sería la situación ideal, porque convertiría en inocuo el potente gas de efecto invernadero metano (CH4). Al mismo tiempo, se produce sulfuro de hidrógeno (H2S) a partir del sulfato, que proporciona energía a las comunidades quimiosintéticas, incluidas las almejas simbióticas y los gusanos tubícolas. Sin embargo, durante la oxidación aeróbica en la columna de agua, las bacterias descomponen el metano con la ayuda del oxígeno (O2). En este proceso se produce dióxido de carbono, que se disuelve en el agua. El dióxido de carbono contribuye a la acidificación del océano. Además, la oxidación aeróbica del metano consume oxígeno. El agotamiento del oxígeno en la columna de agua podría crear o ampliar las zonas mínimas de oxígeno en el océano, que son una amenaza para los peces y otros organismos sensibles. Estimaciones aproximadas sugieren que la oxidación anaeróbica y aeróbica del metano convierten actualmente, de forma conjunta, alrededor del 90% del metano producido en el fondo marino antes de que pueda llegar a la atmósfera. Cuanto más lentamente migre el metano por el fondo marino o por la columna de agua, más eficaces serán los microbios para convertirlo. Un requisito previo para este tipo de degradación es que las moléculas de metano estén disueltas en el agua. El metano sólo puede ser degradado por las bacterias en esta forma. Si el metano se desprende rápidamente de los hidratos, podría subir en forma de burbujas de gas que no son accesibles para los microorganismos. Por tanto, el filtro microbiano de metano fallaría, al menos en parte, si los hidratos de metano se descomponen muy rápidamente y se liberan grandes cantidades de metano a la vez.

También existe un problema a poca profundidad, donde las burbujas de metano no pueden disolverse completamente en el agua a lo largo de la corta distancia que hay desde el fondo marino hasta la atmósfera. Para comprender mejor estos procesos y poder hacer predicciones sobre las funciones de los filtros microbianos, los investigadores estudian actualmente las fuentes naturales de metano en el fondo marino, las llamadas filtraciones frías, que liberan constantemente grandes cantidades de metano. Entre ellas se encuentran los depósitos de hidratos de gas cercanos a la superficie, los volcanes de lodo y las filtraciones de gas natural en regiones marinas poco profundas. Estas filtraciones son una especie de modelo natural donde se puede estudiar el comportamiento del metano en el océano. Si entendemos cómo reacciona la naturaleza ante estas filtraciones de metano en el fondo marino, nos ayudará a estimar las consecuencias de las grandes emisiones de metano de los hidratos de gas. Los datos obtenidos en las filtraciones de metano también deberían ayudar a mejorar la precisión de las simulaciones matemáticas de los hidratos de metano. 2.20 > Grandes cantidades de hidrato de metano se almacenan no sólo en el fondo marino, sino también en tierra, especialmente en el suelo permafrost perpetuamente congelado de la tundra rusa, como aquí en la república rusa de Komi. A los científicos les preocupa que los suelos de permafrost puedan derretirse debido al calentamiento global y liberar así los hidratos de metano.La desaparición de los hidratos de metano

podrían tener consecuencias fatales. Los hidratos de gas actúan como un cemento que rellena los poros entre las finas partículas de sedimento y estabiliza el fondo marino. Si los hidratos de metano se descomponen, la estabilidad del fondo marino se reduce debido a la falta de cemento y a la posible generación de un exceso de presión de poros. En el peor de los casos, grandes partes de los márgenes continentales fallan. Los desprendimientos submarinos resultantes podrían provocar graves tsunamis.
Durante la última glaciación y la siguiente deglaciación se produjeron masivos movimientos de masas. El desencadenante probablemente no fue siempre el calentamiento de la atmósfera, sino también lo contrario. Debido a que durante la última glaciación se almacenaron grandes cantidades de agua en el hielo, el nivel del mar era unos 120 metros más bajo que el actual. Especialmente en las regiones oceánicas poco profundas, la presión del agua era tan baja que podrían haberse desestabilizado cantidades masivas de hidrato de metano. Todavía no se han encontrado evidencias directas de tales fallos en los taludes causados por la descomposición de los hidratos de gas. Sin embargo, hay algunos indicios que sugieren un proceso en el pasado. Casi siempre se encuentran indicios de filtración de fluidos en las proximidades de las fallas de los taludes. Estos taludes fueron posiblemente desestabilizados por los gases liberados por la descomposición de los hidratos de gas y los líquidos. Sin embargo, los investigadores también ven definitivamente la posibilidad de una relación inversa: es concebible que los desprendimientos de los taludes y la consiguiente reducción de la presión sobre los sedimentos subyacentes hayan provocado la disociación de los hidratos de metano en los márgenes continentales, liberando así grandes cantidades de gas libre. Los desprendimientos habrían sido la causa y no el resultado del escape de gas. Estas incertidumbres ponen de manifiesto la necesidad de seguir investigando. Sin embargo, es bastante seguro que la desaparición de los hidratos de metano podría acarrear graves problemas.

Emisiones de metano en el Ártico: un objetivo primordial de la futura investigación sobre los hidratos de gas

En el campo de la investigación sobre las emisiones de metano actualmente, el Ártico es una de las regiones más importantes del mundo. Se cree que el metano se encuentra allí tanto en forma de hidrato de gas en el mar como en forma de gas libre atrapado en el permafrost congelado. Se considera que los depósitos de metano en el permafrost y los hidratos son muy sensibles en las regiones expansivas de baja profundidad, porque con las presiones relativamente bajas sólo haría falta un pequeño cambio de temperatura para liberar grandes cantidades de metano. Además, se produce continuamente nuevo metano porque las regiones árticas son ricas en materia orgánica que es descompuesta por los microbios de los sedimentos. La actividad de estos microbios y, por tanto, las tasas de liberación biológica de metano también se ven estimuladas por el aumento de la temperatura. De ahí que las emisiones de metano en el Ártico tengan múltiples fuentes. Actualmente se están creando consorcios científicos internacionales en los que participan investigadores de diversas disciplinas -químicos, biólogos, geólogos, geofísicos, meteorólogos- que se ocupan intensamente de este problema. Nadie puede decir todavía con certeza cómo evolucionará la liberación de metano en el Ártico con el calentamiento global, ni en el océano ni en la tierra. Esta investigación está todavía en sus inicios.