Free Press

Hogyan kerül a metán az óceánba

Az emberek több mint száz éve égetik a szenet, a kőolajat és a földgázt. A metánhidrátok viszont csak a közelmúltban kerültek ellentmondásos viták tárgyává, mint az óceánból származó potenciális jövőbeli energiaforrás

. A fosszilis tüzelőanyagok új és teljesen kiaknázatlan készletét jelentik, mivel – mint a nevük is mutatja – hatalmas mennyiségű metánt tartalmaznak, amely a földgáz fő alkotóeleme. A metánhidrátok a klatrátoknak nevezett anyagok csoportjába tartoznak – olyan anyagok, amelyekben egy molekulatípus kristályszerű ketrecszerkezetet alkot, és egy másik molekulatípust zár körül. Ha a ketrecképző molekula víz, akkor hidrátnak nevezzük. Ha a vízketrecbe zárt molekula gáz, akkor gázhidrátról, jelen esetben metánhidrátról van szó.
A metánhidrátok csak nagyon speciális fizikai, kémiai és geológiai körülmények között alakulhatnak ki. A magas víznyomás és az alacsony hőmérséklet biztosítja a legjobb feltételeket a metánhidrátok kialakulásához

. Ha azonban a víz meleg, a víznyomásnak nagyon nagynak kell lennie ahhoz, hogy a vízmolekulát a klatrát ketrecbe préselje. Ebben az esetben a hidrát csak nagy mélységben alakul ki. Ha a víz nagyon hideg, a metánhidrátok elképzelhető, hogy sekélyebb vízmélységben, vagy akár légköri nyomáson is kialakulhatnak. A nyílt óceánban, ahol a fenékvíz átlagos hőmérséklete 2-4 Celsius-fok körül van, a metánhidrátok körülbelül 500 méteres mélységtől kezdve fordulnak elő. 2.16 > A metánhidrát úgy néz ki, mint egy jégdarab, amikor feljön a tengerfenékről. Ezt a darabot az amerikai Oregon partjainál lévő “hidrátgerincre” irányuló expedíció során emelték ki.Meglepő módon a legmélyebb óceáni régiókban, a legnagyobb nyomású területeken nincs metánhidrát, mert itt nagyon kevés metán áll rendelkezésre. Ennek az az oka, hogy az óceánban a metánt a tengerfenéken élő mikrobák termelik, amelyek lebontják a felszín közeli napfényes zónából lesüllyedő szerves anyagokat.
A szerves anyagok például elpusztult algák és állatok maradványaiból, valamint ürülékeikből állnak. Az óceán legmélyebb területein, körülbelül 2000-3000 méter mélység alatt a szerves maradványok csak nagyon kis része jut le a fenékre, mert a legtöbbjüket a vízoszlopban lefelé haladva más élőlények lebontják. Ökölszabályként elmondható, hogy a felszínen keletkező szerves anyagnak csak körülbelül 1 százaléka kerül a mélytengerbe. Minél mélyebb a tengerfenék, annál kevesebb szerves anyag ülepedik le a fenéken. A metánhidrátok ezért elsősorban a kontinentális lejtőkön fordulnak elő, azokon a területeken, ahol a kontinentális lemezek találkoznak a mélytengeri régiókkal. Itt elegendő szerves anyag halmozódik fel a fenéken, és a hőmérséklet és a nyomás kombinációja kedvező. Az olyan nagyon hideg régiókban, mint az Északi-sarkvidék, a metánhidrátok még a sekély kontinentális talapzaton (kevesebb mint 200 méteres vízmélységben) vagy a szárazföldön a permafrosztban, a mélyen fagyott sarkvidéki talajban is előfordulnak, amely még nyáron sem olvad fel. 2.17 > A metánhidrát az összes óceánban és a szárazföldön is előfordul. A zöld pontok az északi permafroszt régiókban lévő előfordulásokat mutatják. A geofizikai módszerekkel azonosított előfordulásokat piros színnel jelölik. A kék pontokkal jelölt előfordulásokat közvetlen mintavétellel igazolták.

Becslések szerint a metánhidrátokban több potenciális fosszilis tüzelőanyag lehet, mint a klasszikus szén-, olaj- és földgázkészletekben. Az alkalmazott matematikai modelltől függően a bőségükre vonatkozó jelenlegi számítások 100 és 530 000 gigatonna szén között mozognak. Az 1000 és 5000 gigatonna közötti értékek a legvalószínűbbek. Ez körülbelül 100-500-szor annyi szenet jelent, mint amennyit a szén, az olaj és a földgáz elégetése évente a légkörbe juttat. Az esetleges jövőbeni kitermelésük vélhetően ennek csak egy részét termelné ki ténylegesen felhasználható üzemanyagként, mert sok lelőhely megközelíthetetlen, vagy a kitermelés túl drága lenne, illetve túl nagy erőfeszítést igényelne. Ennek ellenére India, Japán, Korea és más országok jelenleg is foglalkoznak a bányászati technikák fejlesztésével annak érdekében, hogy a jövőben a metánhidrátokat energiaforrásként hasznosíthassák (7. fejezet).2.18 > A hidrátokban a gáz (nagy gömb) egy vízmolekulák által alkotott ketrecbe van zárva. A tudósok ezt a fajta molekuláris elrendeződést klatrátnak nevezik.

Metánhidrátok és a globális felmelegedés

Azt figyelembe véve, hogy a metánhidrátok csak nagyon speciális körülmények között alakulnak ki, elképzelhető, hogy a globális felmelegedés – ami tulajdonképpen az óceánok felmelegedését is magában foglalja – hatással lehet a gázhidrátok stabilitására. A Föld történetében vannak arra utaló jelek, hogy a múltban bekövetkezett éghajlati változások a metánhidrátok destabilizációjához és ezáltal a metán felszabadulásához vezethettek. Ezek a jelek – beleértve például a jégmagok metántartalmának mérését – még mindig ellentmondásosak. Ám akárhogy is legyen, a kérdés rendkívül aktuális, és különösen érdekli azokat a tudósokat, akik a hőmérséklet-emelkedésnek a metánhidrát jelenlegi lelőhelyeire gyakorolt lehetséges hatásainak előrejelzésével foglalkoznak.
A metán erős üvegházhatású gáz, molekulánként mintegy hússzor hatékonyabb, mint a szén-dioxid. Az óceánból a légkörbe történő fokozott kibocsátás tovább fokozhatja az üvegházhatást. Ezért sürgősen szükség van a metánhidrátok stabilitásának vizsgálatára a hőmérséklet-ingadozások függvényében, valamint a metán felszabadulása utáni viselkedésére.

2.19 > A gázhidrátok akkor keletkeznek, amikor a tengerfenéken a szerves anyagok lebomlása során alacsony hőmérsékleten és nagy nyomáson elegendő metán keletkezik. Ezek a feltételek túlnyomórészt a kontinentális peremeken fordulnak elő. Minél melegebb a víz, annál nagyobb vízmélységnek kell lennie a hidrát kialakulásához. A tengerfenék mélyén azonban a Föld belső hője miatt a hőmérséklet túl magas a metánhidrátok kialakulásához.

OxidációSok baktérium használja a metánt, hogy energiát szolgáltasson anyagcseréjéhez. Felveszik a metánt, és kémiailag átalakítják. E folyamat során a metán elektronokat szabadít fel, és így oxidálódik. Egyes baktériumok oxigén segítségével bontják le a metánt. Ezt aerob oxidációnak nevezik. Más baktériumoknak nincs szükségük oxigénre. Ezt a fajta oxidációt anaerobnak nevezik.

A jövőbeli fejlődés előrejelzésére különböző módszereket alkalmaznak. Ezek közé tartozik különösen a matematikai modellezés. A számítógépes modellek először a háttéradatok (szervesanyag-tartalom, nyomás, hőmérséklet) alapján kiszámítják a metánhidrátok feltételezett mennyiségét a tengerfenéken. Ezután a számítógép szimulálja a tengervíz felmelegedését, például 3 vagy 5 Celsius-fokkal 100 év alatt. Így meghatározható, hogy a metánhidrát hogyan fog viselkedni a különböző régiókban. A metánhidrát-lelőhelyekre vonatkozó számításokat ezután összetett matematikai éghajlati és óceánmodellekkel lehet összekapcsolni. Ezekkel a számítógépes modellekkel nagyjából képet kaphatunk arról, hogy a különböző hőmérséklet-emelkedési forgatókönyvek esetén milyen erősen bomlanának le a metánhidrátok. Ma azt feltételezik, hogy a legrosszabb esetben, az óceán állandó, 3 Celsius-fokos felmelegedése esetén a tengerfenéken rekedt metán mintegy 85 százaléka kerülhetne a vízoszlopba.
Más, érzékenyebb modellek azt jósolják, hogy a nagy vízmélységekben lévő metánhidrátokat nem fenyegeti a felmelegedés. E modellek szerint elsősorban csak azok a metánhidrátok lennének érintettek, amelyek közvetlenül a stabilitási zónák határán helyezkednek el. Ezeken a helyeken már 1 Celsius-fokos hőmérséklet-emelkedés is elegendő lenne ahhoz, hogy nagy mennyiségű metán szabaduljon fel a hidrátokból. A nyílt óceánban, mintegy 500 méteres vízmélységben található metánhidrátok, valamint az Északi-sarkvidék sekély régióiban található lelőhelyek lennének elsősorban érintettek.
A Föld felmelegedése során várhatóan a tengerszint is emelkedni fog a sarki jégsapkák és a gleccserjég olvadása miatt. Ez elkerülhetetlenül nagyobb nyomást eredményez a tengerfenéken. A nyomásnövekedés azonban nem lenne elegendő ahhoz, hogy ellensúlyozza a növekvő hőmérsékletnek a metánhidrátok feloldására gyakorolt hatását. A legújabb számítások szerint a tengerszint tíz méteres emelkedése csak néhány évtizeddel tudná lassítani az egy Celsius-fokos felmelegedés okozta metánhidrát-feloldódást.
A globális felmelegedés következményeinek előrejelzésére sokféle matematikai modellt használnak. A szimulációk eredményei szintén nagyon változatosak. Ezért nehéz pontosan felmérni a globális felmelegedés gázhidrátlelőhelyekre gyakorolt következményeit, nem utolsósorban azért, mert a jelenlegi gázhidrátlelőhelyek méretére vonatkozó számítások között nagy különbségek vannak. A jelenlegi gázhidrátkutatás egyik fő célja e modellek optimalizálása egyre pontosabb bemeneti paraméterek alkalmazásával. Ehhez további mérések, expedíciók, fúrások és elemzések elengedhetetlenek.

Extra InfoBaktériumok alakítják át a metánt

Mi történik, amikor a metánhidrát elolvad?

Az instabil metánhidrátokból felszabaduló metán nem mind kerül a légkörbe. A legnagyobb része valószínűleg lebomlik az üledékekben és a vízoszlopban való felemelkedése során. Ezt a bomlást két biológiai folyamat közvetíti:

• a metán anaerob oxidációja baktériumok és archaea (korábbi nevén archaebaktériumok) által a tengerfenéken;
• a metán anaerob oxidációja baktériumok által a vízoszlopban.

A metán anaerob oxidációja során az üledékben a mikrobák a metán bontásához szulfátot (SO42-), a kénsav sóját használják, amely nagy mennyiségben van jelen a tengervízben. Ebben a folyamatban a metán bikarbonáttá (HCO3-) alakul át. Ha a bikarbonát tovább reagál a tengervízben lévő kalciumionokkal (Ca2+), kalcium-karbonát (CaCO3) csapódik ki, amely hosszú időn keresztül a tengerfenéken tárolva marad. Ez lenne az ideális helyzet, mert ártalmatlanná tenné az erős üvegházhatású metánt (CH4). Ugyanakkor a szulfátból hidrogén-szulfid (H2S) keletkezik, amely energiát biztosít a kemoszintetikus közösségeknek, köztük a szimbiotikus kagylóknak és a csőférgeknek. A vízoszlopban zajló aerob oxidáció során azonban a baktériumok oxigén (O2) segítségével bontják le a metánt. E folyamat során szén-dioxid keletkezik, amely feloldódik a vízben. A szén-dioxid hozzájárul az óceánok savasodásához. Továbbá a metán aerob oxidációja oxigént fogyaszt. A vízoszlopban lévő oxigén kimerülése oxigénminimum-zónákat hozhat létre vagy terjeszthet ki az óceánban, ami veszélyt jelent a halakra és más érzékeny élőlényekre. Durva becslések szerint a metán anaerob és aerob oxidációja együttesen jelenleg a tengerfenéken keletkező metán mintegy 90 százalékát alakítja át, mielőtt az a légkörbe jutna. Minél lassabban vándorol a metán a tengerfenéken vagy a vízoszlopon keresztül, annál hatékonyabban alakítják át a mikrobák. Az ilyen jellegű lebontás előfeltétele, hogy a metánmolekulák vízben oldódjanak. A metánt a baktériumok csak ebben a formában tudják lebontani. Ha a metán gyorsan kiszabadul a hidrátokból, akkor gázbuborékok formájában emelkedhet fel, amelyekhez a mikroorganizmusok nem férnek hozzá. A mikrobiális metánszűrő tehát legalábbis részben kudarcot vallana, ha a metánhidrátok nagyon gyorsan lebomlanának, és egyszerre nagy mennyiségű metán szabadulna fel.
A sekély vízmélységekben is probléma van, ahol a metánbuborékok nem tudnak teljesen feloldódni a vízben a tengerfenéktől a légkörig tartó rövid úton. Annak érdekében, hogy jobban megértsük ezeket a folyamatokat, és előrejelzéseket tudjunk tenni a mikrobiális szűrők működésével kapcsolatban, a kutatók jelenleg a tengerfenéken található természetes metánforrásokat, az úgynevezett hideg szivárgásokat vizsgálják, amelyek folyamatosan nagyobb mennyiségű metánt bocsátanak ki. Ezek közé tartoznak a felszínközeli gázhidrát-lelőhelyek, az iszapvulkánok és a sekélytengeri régiókban található természetes gázszivárgások. Ezek a szivárgások egyfajta természetes modellt jelentenek, ahol tanulmányozható a metán viselkedése az óceánban. Ha megértjük, hogyan reagál a természet ezekre a tengerfenéki metánszivárgásokra, az segíteni fog a gázhidrátokból származó nagyobb metánkibocsátások következményeinek megbecslésében. A metánszivárgásoknál nyert adatoknak segíteniük kell a matematikai metánhidrát-szimulációk pontosságának javításában is. 2.20 > Nagy mennyiségű metánhidrátot nemcsak a tengerfenéken, hanem a szárazföldön is tárolnak, különösen az orosz tundra örökké fagyott permafroszt talajában, mint például itt, az orosz Komi köztársaságban. A tudósok attól tartanak, hogy a globális felmelegedés miatt a permafroszt talajok felolvadhatnak, és ezáltal felszabadulhatnak a metánhidrátok.

A metánhidrátok eltűnése

végzetes következményekkel járhatnak. A gázhidrátok cementként viselkednek, amely kitölti a finom üledékszemcsék közötti pórusokat, és stabilizálja a tengerfeneket. Ha a metánhidrátok lebomlanak, a hiányzó cement és az esetlegesen kialakuló pórusnyomás miatt csökken a tengerfenék stabilitása. A legrosszabb esetben a kontinentális peremek nagy részei összeomlanak. Az így keletkező tenger alatti földcsuszamlások súlyos szökőárakat okozhatnak.
Az utolsó jégkorszak és az azt követő eljegesedés során hatalmas tömegmozgások történtek. A kiváltó ok valószínűleg nem mindig a légkör felmelegedése volt, hanem az ellenkezője is. Mivel az utolsó jégkorszak alatt nagy mennyiségű víz tárolódott a jégben, a tengerszint mintegy 120 méterrel alacsonyabb volt, mint ma. Különösen a sekély óceáni régiókban volt olyan alacsony a víznyomás, hogy hatalmas mennyiségű metánhidrát destabilizálódhatott. A bomló gázhidrátok által okozott ilyen lejtőomlások közvetlen bizonyítékait még nem találták meg. Vannak azonban olyan jelek, amelyek egy ilyen folyamatra utalnak a múltban. Szivárgó folyadékok nyomai szinte mindig megtalálhatók a lejtőomlások közelében. Ezeket a lejtőket valószínűleg a bomló gázhidrátok és folyadékok által kibocsátott gázok destabilizálták. A kutatók azonban határozottan látják a fordított összefüggés lehetőségét is: elképzelhető, hogy a lejtőszakadások és az ebből eredő nyomáscsökkenés az alatta lévő üledékekre a kontinentális peremeken a metánhidrátok felbomlását okozták, és ezáltal nagy mennyiségű szabad gáz szabadult fel. A lejtőomlások inkább okai, mint következményei lettek volna a gáz kiszabadulásának. Ezek a bizonytalanságok rávilágítanak a további kutatások szükségességére. Az azonban meglehetősen biztos, hogy a metánhidrátok eltűnése komoly problémákhoz vezethet.

A sarkvidéki metánkibocsátás – a jövőbeni gázhidrát-kutatás elsődleges fókuszpontja

A metánkibocsátás kutatása terén ma a sarkvidék a világ egyik legfontosabb régiója. Úgy vélik, hogy a metán mind a tengerben lévő gázhidrátok formájában, mind a mélyen fagyott permafrosztban csapdába esett szabad gázként előfordul ott. A permafrosztban és a hidrátokban lévő metánlelőhelyeket nagyon érzékenynek tartják az expanzív, sekély talapzatú régiókban, mivel a viszonylag alacsony nyomás miatt csak kis hőmérsékletváltozásra lenne szükség ahhoz, hogy nagy mennyiségű metán szabaduljon fel. Ráadásul folyamatosan új metán keletkezik, mivel a sarkvidéki régiók gazdagok szerves anyagokban, amelyeket az üledékben lévő mikrobák lebontanak. E mikrobák aktivitását és így a metán biológiai felszabadulási arányát is serkenti a hőmérséklet emelkedése. A sarkvidéki metánkibocsátásnak tehát több forrása is van. Jelenleg nemzetközi tudományos konzorciumok jönnek létre, amelyekben különböző tudományágak – vegyészek, biológusok, geológusok, geofizikusok, meteorológusok – kutatói vesznek részt, és amelyek intenzíven foglalkoznak ezzel a problémával. Még senki sem tudja biztosan megmondani, hogy a globális felmelegedés hatására hogyan fog alakulni a metánfelszabadulás az Északi-sarkvidéken, akár az óceánban, akár a szárazföldön. Ez a kutatás még gyerekcipőben jár.