Free Press

Miten metaani päätyy mereen

Ihmiset ovat polttaneet hiiltä, öljyä ja maakaasua jo yli sata vuotta. Metaanihydraatit sen sijaan ovat vasta hiljattain tulleet kiistanalaisen keskustelun kohteeksi mahdollisena tulevaisuuden energialähteenä merestä

. Ne edustavat uutta ja täysin hyödyntämätöntä fossiilisen polttoaineen varantoa, sillä ne sisältävät nimensä mukaisesti valtavia määriä metaania, joka on maakaasun pääkomponentti. Metaanihydraatit kuuluvat klatraateiksi kutsuttujen aineiden ryhmään – aineisiin, joissa yksi molekyylityyppi muodostaa kiteisen häkkirakenteen ja sulkee sisäänsä toisen molekyylityypin. Jos häkkimuotoinen molekyyli on vesi, sitä kutsutaan hydraatiksi. Jos vesihäkkiin sulkeutunut molekyyli on kaasu, kyseessä on kaasuhydraatti, tässä tapauksessa metaanihydraatti.
Metaanihydraatit voivat muodostua vain hyvin erityisissä fysikaalisissa, kemiallisissa ja geologisissa olosuhteissa. Korkeat vedenpaineet ja matalat lämpötilat tarjoavat parhaat olosuhteet metaanihydraatin muodostumiselle

. Jos vesi on lämmintä, veden paineen on kuitenkin oltava hyvin korkea, jotta vesimolekyyli saadaan puristettua klatraattihäkkiin. Tällöin hydraatti muodostuu vasta suurissa syvyyksissä. Jos vesi on hyvin kylmää, metaanihydraatit voivat mahdollisesti muodostua matalammissa syvyyksissä tai jopa ilmakehän paineessa. Avomerellä, jossa pohjaveden keskilämpötila on noin 2-4 celsiusastetta, metaanihydraatteja muodostuu noin 500 metrin syvyydestä alkaen. 2.16 > Metaanihydraatti näyttää jäänpalalta, kun se nostetaan merenpohjasta. Tämä möykky nostettiin retkikunnan aikana ”hydraattiharjanteelle” Oregonin rannikon edustalla Yhdysvalloissa.Yllättävää kyllä, metaanihydraattia ei ole syvimmillä merialueilla, alueilla, joilla on korkeimmat paineet, koska siellä on hyvin vähän metaania. Syynä tähän on se, että valtamerten metaania tuottavat merenpohjassa olevat mikrobit, jotka hajottavat orgaanista ainesta, joka vajoaa alas auringon valaisemasta vyöhykkeestä lähelle pintaa.
Organinen aines koostuu esimerkiksi kuolleiden levien ja eläinten jäännöksistä sekä niiden ulosteista. Meren syvimmillä alueilla, noin 2000-3000 metrin syvyydessä, vain hyvin pieni osa orgaanisista jäännöksistä päätyy pohjaan, koska muut eliöt hajottavat suurimman osan niistä matkallaan alaspäin vesipatsaassa. Nyrkkisääntönä voidaan sanoa, että vain noin 1 prosentti pinnalla syntyvästä orgaanisesta aineksesta päätyy syvänteeseen. Mitä syvemmällä merenpohja on, sitä vähemmän orgaanista ainesta laskeutuu pohjaan. Metaanihydraatteja esiintyy siis pääasiassa mannerlaatoilla eli alueilla, joilla mannerlaatat kohtaavat syvänmeren alueet. Täällä pohjaan kertyy riittävästi orgaanista ainesta, ja lämpötilan ja paineen yhdistelmä on suotuisa. Erittäin kylmillä alueilla, kuten arktisella alueella, metaanihydraatteja esiintyy jopa matalalla mannerjalustalla (alle 200 metrin syvyydessä) tai maalla ikiroudassa, arktisen alueen syväjäätyneessä maaperässä, joka ei sula edes kesällä. 2.17 > Metaanihydraattia esiintyy kaikissa valtamerissä sekä maalla. Vihreät pisteet osoittavat esiintymiä pohjoisilla ikirouta-alueilla. Geofysikaalisilla menetelmillä tunnistetut esiintymät on merkitty punaisella. Sinisillä pisteillä osoitetut esiintymät on todennettu suoralla näytteenotolla.

On arvioitu, että metaanihydraattien sisältämää potentiaalista fossiilista polttoainetta voisi olla enemmän kuin klassisissa hiili-, öljy- ja maakaasuvarannoissa. Käytetystä matemaattisesta mallista riippuen nykyiset laskelmat niiden runsaudesta vaihtelevat 100 ja 530 000 gigatonnin välillä. Todennäköisimpiä ovat arvot 1000 ja 5000 gigatonnin välillä. Tämä on noin 100-500 kertaa enemmän hiiltä kuin mitä hiilen, öljyn ja kaasun poltosta vapautuu vuosittain ilmakehään. Niiden mahdollisesta tulevasta louhinnasta saataisiin oletettavasti vain osa tästä varsinaiseksi käyttökelpoiseksi polttoaineeksi, koska monet esiintymät ovat saavuttamattomissa tai niiden tuottaminen olisi liian kallista tai vaatisi liikaa työtä. Intiassa, Japanissa, Koreassa ja muissa maissa kehitetään kuitenkin parhaillaan louhintatekniikoita, jotta metaanihydraatteja voitaisiin tulevaisuudessa käyttää energialähteenä (luku 7).2.18 > Hydraateissa kaasu (suuri pallo) on suljettu vesimolekyylien muodostamaan häkkiin. Tutkijat kutsuvat tällaista molekyylijärjestelyä klatraatiksi.

Metaanihydraatit ja ilmaston lämpeneminen

Kun otetaan huomioon, että metaanihydraatit muodostuvat vain hyvin erityisissä olosuhteissa, on ajateltavissa, että ilmaston lämpeneminen, johon itse asiassa kuuluu myös valtamerten lämpeneminen, voisi vaikuttaa kaasuhydraattien vakauteen. Maapallon historiassa on viitteitä siitä, että menneisyyden ilmastomuutokset ovat voineet johtaa metaanihydraattien epävakauteen ja siten metaanin vapautumiseen. Nämä viitteet – mukaan luettuina esimerkiksi metaanipitoisuuden mittaukset jääsydämissä – ovat edelleen kiistanalaisia. Oli miten oli, asia on kuitenkin erittäin ajankohtainen, ja se kiinnostaa erityisesti tutkijoita, jotka pyrkivät ennustamaan lämpötilan nousun mahdollisia vaikutuksia nykyisiin metaanihydraattiesiintymiin.
Metaani on voimakas kasvihuonekaasu, noin 20 kertaa tehokkaampi molekyyliä kohti kuin hiilidioksidi. Lisääntynyt vapautuminen merestä ilmakehään voisi voimistaa kasvihuoneilmiötä entisestään. Siksi tarvitaan kiireellisesti tutkimuksia metaanihydraattien stabiilisuudesta lämpötilan vaihteluiden mukaan sekä metaanin käyttäytymisestä sen vapautumisen jälkeen.

2.19 > Kaasuhydraatteja syntyy, kun orgaanisen aineksen hajoaminen merenpohjassa tuottaa riittävästi metaania matalassa lämpötilassa ja korkeassa paineessa. Nämä olosuhteet vallitsevat pääasiassa mannerlaidoilla. Mitä lämpimämpää vesi on, sitä suurempia vesisyvyyksien on oltava hydraatin muodostumiseksi. Syvällä merenpohjassa lämpötila on kuitenkin liian korkea metaanihydraattien muodostumiseen maapallon sisäisen lämmön vuoksi.

HapettuminenMonet bakteerit käyttävät metaania saadakseen energiaa aineenvaihduntaansa. Ne ottavat metaania ja muuttavat sitä kemiallisesti. Tässä prosessissa metaani luovuttaa elektroneja ja hapettuu siten. Jotkut bakteerit hajottavat metaanin hapen avulla. Tätä kutsutaan aerobiseksi hapettumiseksi. Toiset bakteerit eivät tarvitse happea. Tällaista hapettumista kutsutaan anaerobiseksi.

Tulevan kehityksen ennustamiseen käytetään erilaisia menetelmiä. Näitä ovat erityisesti matemaattinen mallintaminen. Tietokonemallit laskevat ensin merenpohjassa olevien metaanihydraattien hypoteettisen määrän käyttäen taustatietoja (orgaanisen aineksen pitoisuus, paine, lämpötila). Sitten tietokone simuloi meriveden lämpenemistä esimerkiksi 3 tai 5 celsiusastetta 100 vuodessa. Näin voidaan määrittää, miten metaanihydraatti käyttäytyy eri alueilla. Metaanihydraattiesiintymiä koskevat laskelmat voidaan sitten yhdistää monimutkaisiin matemaattisiin ilmasto- ja valtamerimalleihin. Näiden tietokonemallien avulla saadaan karkea käsitys siitä, kuinka voimakkaasti metaanihydraatit hajoaisivat eri lämpötilan noususkenaarioissa. Nykyisin oletetaan, että pahimmassa tapauksessa, kun valtameret lämpenevät tasaisesti 3 celsiusastetta, noin 85 prosenttia merenpohjaan loukkuun jääneestä metaanista voisi vapautua vesipatsaaseen.
Toiset, herkemmät mallit ennustavat, että suurissa vesisyvyyksissä sijaitsevia metaanihydraatteja ei uhkaa lämpeneminen. Näiden mallien mukaan se vaikuttaisi ensisijaisesti vain niihin metaanihydraatteihin, jotka sijaitsevat suoraan stabiliteettivyöhykkeiden rajoilla. Näissä paikoissa vain yhden celsiusasteen lämpötilan nousu riittäisi vapauttamaan suuria määriä metaania hydraateista. Metaanihydraatit avomerellä noin 500 metrin vesisyvyydessä ja arktisen alueen matalilla alueilla sijaitsevat esiintymät kärsisivät pääasiassa.
Maailman lämmetessä odotetaan myös, että merenpinta nousee napajäätiköiden ja jäätiköiden sulamisen vuoksi. Tämä johtaa väistämättä siihen, että paine merenpohjassa kasvaa. Paineen nousu ei kuitenkaan riittäisi kumoamaan lämpötilan nousun vaikutusta metaanihydraattien liuottamiseen. Uusimpien laskelmien mukaan merenpinnan kymmenen metrin nousu voisi hidastaa yhden celsiusasteen lämpenemisen aiheuttamaa metaanihydraattien liukenemista vain muutamalla vuosikymmenellä.
Maailman lämpenemisen seurausten ennustamiseen käytetään monenlaisia matemaattisia malleja. Simulaatioiden tulokset ovat niin ikään hyvin vaihtelevia. Siksi on vaikea arvioida tarkasti ilmaston lämpenemisen seurauksia kaasuhydraattiesiintymille, eikä vähiten siksi, että nykyisten kaasuhydraattiesiintymien kokoa koskevissa laskelmissa on suuria eroja. Yksi nykyisen kaasuhydraattitutkimuksen tärkeimmistä tavoitteista on optimoida näitä malleja käyttämällä yhä tarkempia syöttöparametreja. Tämän saavuttamiseksi tarvitaan lisää mittauksia, tutkimusretkiä, kairauksia ja analyysejä.

Extra InfoBakteerit muuttavat metaania

Mitä tapahtuu, kun metaanihydraatti sulaa?

Ei kaikki epävakaista metaanihydraateista vapautuva metaani päädy ilmakehään. Suurin osa hajoaa todennäköisesti sen noustessa sedimenttien läpi ja vesipatsaassa. Tätä hajoamista välittävät kaksi biologista prosessia:

• metaanin anaerobinen hapettuminen merenpohjassa olevien bakteerien ja arkeoiden (aiemmin arkebakteereiksi kutsuttujen) toimesta;
• metaanin anaerobinen hapettuminen vesipatsaassa olevien bakteerien toimesta.

Metaanin anaerobisessa hapettumisessa sedimentissä mikrobit käyttävät metaanin hajottamiseen sulfaattia (SO42-), rikkihapon suolaa, jota on runsaasti merivedessä. Tässä prosessissa metaani muuttuu bikarbonaatiksi (HCO3-). Jos bikarbonaatti reagoi edelleen meriveden kalsiumionien (Ca2+) kanssa, muodostuu kalsiumkarbonaattia (CaCO3), joka varastoituu merenpohjaan pitkiksi ajoiksi. Tämä olisi ihanteellinen tilanne, koska se tekisi voimakkaan kasvihuonekaasun metaanin (CH4) vaarattomaksi. Samalla sulfaatista syntyy rikkivetyä (H2S), joka tuottaa energiaa kemosynteettisille yhteisöille, kuten symbioottisille simpukoille ja putkimadoille. Aerobisessa hapetuksessa vesipatsaassa bakteerit kuitenkin hajottavat metaanin hapen (O2) avulla. Tässä prosessissa syntyy hiilidioksidia, joka liukenee veteen. Hiilidioksidi vaikuttaa osaltaan meren happamoitumiseen. Lisäksi metaanin aerobinen hapettuminen kuluttaa happea. Hapen väheneminen vesipatsaassa voi synnyttää tai laajentaa hapen minimivyöhykkeitä valtameressä, mikä on uhka kaloille ja muille herkille eliöille. Karkeat arviot viittaavat siihen, että metaanin anaerobinen ja aerobinen hapetus yhdessä muuttavat tällä hetkellä noin 90 prosenttia merenpohjassa tuotetusta metaanista ennen kuin se pääsee ilmakehään. Mitä hitaammin metaani kulkeutuu merenpohjan tai vesipatsaan läpi, sitä tehokkaammin mikrobit muuntavat sitä. Tällaisen hajoamisen edellytyksenä on, että metaanimolekyylit ovat liuenneet veteen. Bakteerit voivat hajottaa metaania vain tässä muodossa. Jos metaani vapautuu nopeasti hydraateista, se voi nousta kaasukuplina, joihin mikro-organismit eivät pääse käsiksi. Mikrobiologinen metaanisuodatin epäonnistuisi siis ainakin osittain, jos metaanihydraatit hajoavat hyvin nopeasti ja suuria määriä metaania vapautuu kerralla.
Ongelma on myös matalissa vesisyvyyksissä, joissa metaanikuplat eivät voi liueta veteen kokonaan lyhyen matkan aikana merenpohjasta ilmakehään. Ymmärtääkseen paremmin tällaisia prosesseja ja voidakseen tehdä ennusteita mikrobisuodattimien toiminnasta tutkijat tutkivat parhaillaan merenpohjan luonnollisia metaanilähteitä, niin sanottuja kylmiä vuotoja, joista vapautuu jatkuvasti suurempia määriä metaania. Tällaisia ovat muun muassa maanpinnan läheiset kaasuhydraattiesiintymät, mutavyöryt ja matalilla merialueilla sijaitsevat luonnonkaasun vuotokohdat. Nämä vuotokohdat ovat eräänlainen luonnollinen malli, jossa voidaan tutkia metaanin käyttäytymistä meressä. Jos ymmärrämme, miten luonto reagoi näihin merenpohjan metaanivuotoihin, se auttaa meitä arvioimaan kaasuhydraattien suurempien metaanipäästöjen seurauksia. Metaanivuodoista saatujen tietojen pitäisi myös auttaa parantamaan matemaattisten metaanihydraattisimulaatioiden tarkkuutta. 2.20 > Suuria metaanihydraattimääriä varastoituu merenpohjan lisäksi myös maalle, erityisesti Venäjän tundran ikuisesti jäätyneeseen ikiroutaiseen maahan, kuten täällä Venäjän Komin tasavallassa. Tutkijat ovat huolissaan siitä, että ikirouta voi sulaa ilmaston lämpenemisen vuoksi ja vapauttaa siten metaanihydraatteja.

Metaanihydraattien katoaminen

voi olla kohtalokkaita seurauksia. Kaasuhydraatit toimivat kuin sementti, joka täyttää hienojen sedimenttihiukkasten väliset huokoset ja vakauttaa merenpohjaa. Jos metaanihydraatit hajoavat, merenpohjan vakaus heikkenee puuttuvan sementin ja mahdollisen huokosylipaineen syntymisen vuoksi. Pahimmassa tapauksessa suuri osa mannerlaidoista romahtaa. Tästä johtuvat merenalaiset maanvyörymät saattavat aiheuttaa vakavia tsunameja.
Massiivisia massaliikkeitä tapahtui viimeisen jääkauden ja sitä seuranneen deglaation aikana. Laukaisevana tekijänä ei luultavasti aina ollut ilmakehän lämpeneminen, vaan myös päinvastoin. Koska jäähän varastoitui suuria määriä vettä viimeisen jääkauden aikana, merenpinta oli noin 120 metriä nykyistä alempana. Etenkin matalilla merialueilla vedenpaine oli niin alhainen, että valtavat määrät metaanihydraattia saattoivat horjua. Suoria todisteita tällaisista kaasuhydraattien hajoamisen aiheuttamista rinteiden rikkoutumisista ei ole vielä löydetty. On kuitenkin olemassa joitakin viitteitä, jotka viittaavat tällaiseen prosessiin menneisyydessä. Merkkejä vuotavista nesteistä löydetään lähes aina rinteiden sortumien läheisyydestä. Näitä rinteitä ovat mahdollisesti horjuttaneet hajoavista kaasuhydraateista ja nesteistä vapautuneet kaasut. Tutkijat pitävät kuitenkin ehdottomasti mahdollisena myös käänteistä suhdetta: on ajateltavissa, että rinteiden rikkoontuminen ja siitä johtuva pohjasedimenttien paineen aleneminen ovat aiheuttaneet metaanihydraattien hajoamisen mannerjyrkänteillä, mikä on vapauttanut suuria määriä vapaata kaasua. Rinteet olisivat olleet pikemminkin syy kuin seuraus kaasun vapautumisesta. Nämä epävarmuustekijät korostavat lisätutkimusten tarvetta. On kuitenkin melko varmaa, että metaanihydraattien katoaminen voisi johtaa vakaviin ongelmiin.

Arktisen alueen metaanipäästöt – tulevan kaasuhydraattitutkimuksen ensisijainen kohde

Metaanipäästöjen tutkimuksessa arktinen alue on nykyään yksi tärkeimmistä alueista maailmanlaajuisesti. Metaania uskotaan esiintyvän siellä sekä kaasuhydraattina meressä että vapaana kaasuna syväjäätyneessä ikiroudassa. Ikiroudan metaaniesiintymiä ja metaanihydraatteja pidetään hyvin herkkinä laajoilla matalilla hyllyalueilla, koska suhteellisen alhaisen paineen vuoksi riittäisi pieni lämpötilan muutos, jotta suuria määriä metaania vapautuisi. Lisäksi uutta metaania syntyy jatkuvasti, koska arktisilla alueilla on runsaasti orgaanista ainesta, jota mikrobit hajottavat sedimentissä. Lämpötilan nousu stimuloi myös näiden mikrobien toimintaa ja siten metaanin biologista vapautumisnopeutta. Arktisen alueen metaanipäästöillä on siis useita lähteitä. Nyt perustetaan kansainvälisiä tieteellisiä yhteenliittymiä, joissa on mukana eri tieteenalojen tutkijoita – kemistit, biologit, geologit, geofyysikot ja meteorologit – jotka käsittelevät tätä ongelmaa intensiivisesti. Kukaan ei voi vielä sanoa varmuudella, miten metaanipäästöt arktisella alueella kehittyvät ilmaston lämpenemisen myötä joko meressä tai maalla. Tämä tutkimus on vielä lapsenkengissä.