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a potential future energy source from the ocean

… メタンハイドレートは、その名前が示すように、天然ガスの主成分であるメタンを大量に含んでおり、化石燃料の新しい、まったく未開発の貯蔵庫である。 メタンハイドレートは、クラスレートと呼ばれる物質の一種で、ある種の分子が結晶のようなカゴ構造を形成し、別の種の分子を取り囲んでいる物質である。 カゴを形成する分子が水の場合、ハイドレートと呼ばれる。 メタンハイドレートは、物理的、化学的、地質学的に非常に特殊な条件下でしか形成されない。 高い水圧と低い温度は、メタンハイドレート形成に最適な条件です

メタンハイドレート形成. しかし、水が温かい場合、水分子をクラスレートのカゴに押し込むためには、水圧を非常に高くする必要がある。 この場合、水和物は大深度でしか形成されない。 水が非常に冷たい場合は、水深が浅くても、あるいは大気圧でもメタンハイドレートは形成される可能性がある。 平均水温が2〜4℃の外洋では、メタンハイドレートは水深500m付近から発生する。 2.16 > 海底から引き上げられたメタンハイドレートは、氷の塊のように見える。 この塊は、米国オレゴン州沖の「ハイドレート海嶺」を探検した際に回収された。 意外なことに、最も圧力の高い深海域にはメタンハイドレートが存在しないのですが、これはここで利用できるメタンが非常に少ないからです。
有機物とは、例えば、藻類や動物の死骸や排泄物などです。 水深2000～3000m以下の深海では、有機物のほとんどは他の生物によって分解されるため、海底に到達する有機物はごくわずかな量にとどまります。 目安としては、表層で作られた有機物のうち、実際に深海に到達するのは1％程度と言われています。 海底が深ければ深いほど、有機物の沈降量は少なくなる。 そのため、メタンハイドレートは主に大陸プレートと深海の接点である大陸棚斜面で発生する。 ここでは、海底に十分な有機物が蓄積され、温度と圧力の組み合わせが有利に働く。 北極のような極寒の地では、浅い大陸棚（水深200m以下）や陸上の永久凍土（夏でも融けない深い凍土）でもメタンハイドレートが生成されることがある。 2.17 > メタンハイドレートは陸上だけでなく、全海洋で発生する。 緑の点は北部の永久凍土地帯での発生を示す。 物理学的手法で確認されたものは赤で表示されている。 青い点は、直接サンプリングして確認したもの。 メタンハイドレートには、従来の石炭、石油、天然ガスの埋蔵量よりも多くの化石燃料が含まれている可能性があると推定される。 採用する数学的モデルにもよるが、現在の計算では100から53万ギガトンの炭素が存在するとされている。 1000ギガトンから5000ギガトンの間が最も可能性が高い。 これは、石炭や石油、ガスの燃焼によって大気中に放出される炭素の100倍から500倍程度に相当する。 なぜなら、多くの鉱床はアクセス不能であり、また、その生産には多大なコストと労力を要するからである。 しかし、インド、日本、韓国などでは、将来的にメタンハイドレートをエネルギー源として利用するために、採掘技術の開発が進められている（第7章）。 2.18 > ハイドレートは、ガス（大玉）が水分子でできたカゴの中に入っている。 科学者はこのような分子配置をクラスレートと呼んでいる。

メタンハイドレートと地球温暖化

メタンハイドレートが非常に特殊な条件下でしか形成されないことを考えると、地球温暖化、つまり海の温暖化がガスハイドレートの安定性に影響を与える可能性が考えられます。 地球の歴史を振り返ると、過去の気候変動によってメタンハイドレートが不安定化し、メタンが放出された可能性が示唆されている。 氷床コアのメタン含有量測定など、これらの兆候はまだ議論の余地がある。 4657>メタンは強力な温室効果ガスであり、1分子あたり二酸化炭素の約20倍もの温室効果がある。 海から大気への放出が増加すれば、温室効果はさらに強まる可能性がある。 そのため、メタンハイドレートの温度変動に対する安定性や放出後のメタン挙動に関する研究が急務となっている。

2.19 > ガスハイドレートは、低温高圧条件下で海底の有機物が分解して十分なメタンが生成されると発生する。 このような条件は、主に大陸縁辺で発生する。 水温が高いほど、ハイドレートを形成するためには水深を大きくする必要がある。

酸化多くの細菌はメタンを代謝のためのエネルギー源として利用している。 メタンを取り込み、化学的に変化させる。 その際、メタンは電子を放出するため、酸化される。 一部の細菌は、酸素の力を借りてメタンを分解する。 これは好気性酸化と呼ばれる。 一方、酸素を必要としないバクテリアもいます。 このような酸化を嫌気性酸化という。

将来の発展を予測するために、さまざまな方法が採用されている。 特に数学的なモデル化です。 コンピューターモデルは、まずバックグラウンドデータ（有機物含有量、圧力、温度）を使って、海底のメタンハイドレートの仮想的な量を計算します。 次に、海水が100年ごとに3℃あるいは5℃上昇することをシミュレーションする。 こうすることで、メタンハイドレートが地域によってどのような挙動を示すかを知ることができるのです。 メタンハイドレートがどのように堆積していくかは、複雑な数学的気候・海洋モデルと連動して計算することができる。 このコンピューターモデルによって、気温上昇のさまざまなシナリオのもとで、メタンハイドレートがどの程度分解されるのか、おおよその見当がつくようになる。 現在では、最悪の場合、海水温が3℃上昇すると、海底に閉じ込められているメタンの約85%が水柱に放出されると想定されています。
また、より感度の高いモデルでは、水深の大きなメタンハイドレートは温暖化の影響を受けないという予測も出ています。 これらのモデルによれば、安定帯の境界に直接位置するメタンハイドレートのみが主に影響を受ける。 これらの場所では、わずか1℃の温度上昇で、ハイドレートから大量のメタンが放出される。 水深500m前後の外洋にあるメタンハイドレートや、北極の浅い場所にある堆積物が主に影響を受ける。
また、地球温暖化の過程で、極地の氷冠や氷河の融解により海面が上昇することが予測されている。 その結果、必然的に海底の圧力が高くなる。 しかし、この圧力上昇は、温度上昇によってメタンハイドレートが溶解する効果を打ち消すには十分ではない。 最新の計算では、10メートルの海面上昇は、摂氏1度の温暖化によるメタンハイドレートの溶解を数十年しか遅らせない。
地球温暖化の結果を予測するために、さまざまな数学モデルが使用されている。 シミュレーションの結果も同様に非常に多様である。 そのため、地球温暖化がガスハイドレート層に及ぼす影響を正確に評価することは難しい。 現在のガスハイドレート研究の大きな目標の一つは、より正確な入力パラメータを用いて、これらのモデルを最適化することである。 そのためには、さらなる測定、探査、掘削、分析が不可欠である。

Extra Infoメタンを変換するバクテリア

メタンハイドレートが溶けるとどうなるのか

不安定なメタンハイドレートから放出されたメタンのすべてが大気中に出ていくわけではありません。 大部分は堆積物や水柱の中を上昇する間に分解されるようです。

• 海底のバクテリアと古細菌によるメタンの嫌気性酸化、
• 水柱のバクテリアによるメタンの嫌気性酸化である。

堆積物中のメタンの嫌気性酸化では、微生物は海水中に大量に存在する硫酸の塩である硫酸塩（SO42-）をメタン分解に利用する。 このとき、メタンは重炭酸塩（HCO3-）に変換される。 この重炭酸塩がさらに海水中のカルシウムイオン（Ca2+）と反応すると炭酸カルシウム（CaCO3）が析出し、海底に長期にわたって貯留される。 温室効果ガスであるメタン（CH4）が無害化されるのだから、理想的な状態だ。 同時に、硫酸塩から硫化水素（H2S）が生成され、共生する貝やチューブワームなどの化学合成生物群集のエネルギー源となる。 一方、水柱での好気性酸化では、バクテリアは酸素（O2）の助けを借りてメタンを分解する。 その際、二酸化炭素が発生し、水中に溶け出す。 二酸化炭素は海洋酸性化の原因となる。 さらに、メタンの好気性酸化は、酸素を消費する。 水柱の酸素が枯渇すると、海洋に酸素欠乏帯が発生または拡大し、魚類やその他の敏感な生物にとって脅威となる可能性がある。 大まかな推定では、現在、海底で生成されたメタンの約90％は、嫌気性酸化と好気性酸化を併用して、大気中に到達する前に変換されていると考えられる。 海底や水柱をゆっくりと移動するメタンほど、微生物による変換効果が高い。 このような分解を行うためには、メタン分子が水に溶けていることが大前提となる。 メタンはこの形態でなければバクテリアによって分解されない。 もし、ハイドレートからメタンが急激に放出されると、微生物が近づけない気泡の形で上昇する可能性がある。 また、水深の浅いところでは、海底から大気までの短い距離でメタンの気泡が完全に水に溶けきらないという問題もある
。 このようなプロセスをより深く理解し、微生物フィルターの機能を予測できるようにするため、研究者たちは現在、海底にある天然のメタン源、いわゆるコールドシープを調査中で、常に大量のメタンが放出されている。 例えば、地表近くのガスハイドレート層、泥火山、浅い海域の天然ガス湧出層などである。 これらの湧出現象は、海洋におけるメタンの挙動を研究するための一種の自然モデルである。 このような海底のメタン湧出に自然がどのように反応するかを理解すれば、ガスハイドレートからより大量のメタンが放出された場合の影響を推定するのに役立つだろう。 また、メタン湧出域で得られたデータは、数学的なメタンハイドレートシミュレーションの精度向上に役立つはずである。 2.20 > 大量のメタンハイドレートは海底だけでなく、陸上、特にここロシアのコミ共和国のようなロシアのツンドラの永久凍土の地中に貯蔵されている。 科学者たちは、地球温暖化によって永久凍土が溶け、メタンハイドレートが放出されることを懸念しています。 The disappearance of methane hydrates

– Hydrate mining