Free Press

Hoe methaan in de oceaan terechtkomt

Mensen verbranden al meer dan honderd jaar steenkool, olie en aardgas. Methaanhydraten daarentegen staan pas sinds kort ter discussie als een potentiële toekomstige energiebron uit de oceaan

. Zij vertegenwoordigen een nieuw en volledig onaangeboord reservoir van fossiele brandstof, omdat zij, zoals hun naam doet vermoeden, immense hoeveelheden methaan bevatten, dat het hoofdbestanddeel van aardgas is. Methaanhydraten behoren tot een groep stoffen die clathraten worden genoemd – stoffen waarin een bepaald type molecuul een kristalachtige kooistructuur vormt en een ander type molecuul omsluit. Als het kooivormende molecuul water is, wordt het een hydraat genoemd. Als het molecuul dat in de waterkooi opgesloten zit een gas is, is het een gashydraat, in dit geval methaanhydraat.
Methaanhydraten kunnen zich alleen vormen onder zeer specifieke fysische, chemische en geologische omstandigheden. Hoge waterdrukken en lage temperaturen bieden de beste omstandigheden voor methaanhydraatvorming

. Als het water warm is, moet de waterdruk echter zeer hoog zijn om de watermolecule in een clathraatkooi te persen. In dit geval vormt het hydraat zich alleen op grote diepte. Als het water erg koud is, is het denkbaar dat het methaanhydraat zich vormt op geringere waterdiepten, of zelfs bij atmosferische druk. In de open oceaan, waar de gemiddelde temperatuur van het bodemwater ongeveer 2 tot 4 graden Celsius bedraagt, komen methaanhydraten voor vanaf een diepte van ongeveer 500 meter. 2.16 > Methaanhydraat ziet eruit als een stuk ijs als het van de zeebodem naar boven wordt gehaald. Dit brokje werd opgehaald tijdens een expeditie naar de “hydrate ridge” voor de kust van Oregon in de VS.Verrassend genoeg is er geen methaanhydraat in de diepste oceaangebieden, de gebieden met de hoogste druk, omdat er hier heel weinig methaan beschikbaar is. De reden hiervoor is dat methaan in de oceaan wordt geproduceerd door microben in de zeebodem die organisch materiaal afbreken dat van de zonverlichte zone bij het oppervlak naar beneden zinkt.
Organisch materiaal bestaat bijvoorbeeld uit de overblijfselen van dode algen en dieren, evenals hun uitwerpselen. In de diepste delen van de oceaan, beneden ongeveer 2000 tot 3000 meter, bereikt slechts een zeer kleine hoeveelheid organische resten de bodem, omdat de meeste daarvan worden afgebroken door andere organismen op hun weg naar beneden door de waterkolom. Als vuistregel kan worden gesteld dat slechts ongeveer 1% van het aan de oppervlakte geproduceerde organisch materiaal daadwerkelijk in de diepzee terechtkomt. Hoe dieper de zeebodem is, hoe minder organisch materiaal er op de bodem terechtkomt. Methaanhydraten komen daarom vooral voor op de continentale hellingen, de gebieden waar de continentale platen de diepzeegebieden raken. Hier hoopt zich voldoende organisch materiaal op de bodem op en is de combinatie van temperatuur en druk gunstig. In zeer koude streken zoals het Noordpoolgebied komen methaanhydraten zelfs voor op het ondiepe continentale plat (minder dan 200 meter waterdiepte) of op het land in de permafrost, de diepgevroren Arctische bodem die zelfs in de zomer niet ontdooit. 2.17 > Methaanhydraat komt voor in alle oceanen en ook op het land. De groene stippen geven aan waar het voorkomt in de noordelijke permafrostgebieden. Voorkomens die met geofysische methoden zijn geïdentificeerd, zijn met rood aangegeven. De met blauwe stippen aangegeven plaatsen zijn geverifieerd door rechtstreekse bemonstering.

Geschat wordt dat er meer potentiële fossiele brandstof in de methaanhydraten aanwezig zou kunnen zijn dan in de klassieke kolen-, olie- en aardgasreserves. Afhankelijk van het gebruikte wiskundige model liggen de huidige berekeningen van hun overvloed tussen 100 en 530.000 gigaton koolstof. Waarden tussen 1000 en 5000 gigaton zijn het meest waarschijnlijk. Dat is ongeveer 100 tot 500 maal zoveel koolstof als jaarlijks bij de verbranding van kolen, olie en gas in de atmosfeer vrijkomt. Bij eventuele toekomstige opgravingen zou vermoedelijk slechts een deel hiervan als daadwerkelijk bruikbare brandstof worden geproduceerd, omdat veel afzettingen ontoegankelijk zijn, of de productie te duur zou zijn of te veel inspanning zou vergen. Desondanks zijn India, Japan, Korea en andere landen momenteel bezig met de ontwikkeling van mijnbouwtechnieken om methaanhydraten in de toekomst als energiebron te kunnen gebruiken (hoofdstuk 7).2.18 > In hydraten is het gas (de grote bal) ingesloten in een kooi gevormd door watermoleculen. Wetenschappers noemen dit soort moleculaire rangschikking een clathraat.

Methaanhydraten en opwarming van de aarde

Gezien het feit dat methaanhydraten zich slechts onder zeer specifieke omstandigheden vormen, is het denkbaar dat de opwarming van de aarde, die in feite de opwarming van de oceanen omvat, de stabiliteit van gashydraten beïnvloedt. Er zijn aanwijzingen in de geschiedenis van de aarde die erop wijzen dat klimaatveranderingen in het verleden tot destabilisatie van methaanhydraten en dus tot het vrijkomen van methaan zouden kunnen hebben geleid. Deze aanwijzingen – waaronder metingen van het methaangehalte in ijskernen bijvoorbeeld – zijn nog steeds omstreden. Hoe het ook zij, de kwestie is uiterst actueel en van bijzonder belang voor wetenschappers die zich bezighouden met het voorspellen van de mogelijke effecten van een temperatuurstijging op de huidige afzettingen van methaanhydraat.
Methaan is een krachtig broeikasgas, per molecuul ongeveer 20 maal effectiever dan kooldioxide. Een toename van het vrijkomen van methaan uit de oceaan in de atmosfeer zou het broeikaseffect nog kunnen versterken. Onderzoek naar de stabiliteit van methaanhydraten in afhankelijkheid van temperatuurschommelingen, alsmede naar het gedrag van methaan nadat het is vrijgekomen, is dan ook dringend noodzakelijk.

2.19 > Gashydraten ontstaan wanneer voldoende methaan wordt geproduceerd door afbraak van organisch materiaal in de zeebodem onder omstandigheden van lage temperatuur en hoge druk. Deze omstandigheden doen zich voornamelijk voor op de continentale randen. Hoe warmer het water, hoe groter de waterdiepte moet zijn om het hydraat te vormen. Diep in de zeebodem is de temperatuur echter te hoog voor de vorming van methaanhydraten vanwege de interne warmte van de aarde.

OxidatieVeel bacteriën gebruiken methaan om energie te leveren voor hun stofwisseling. Zij nemen methaan op en zetten het chemisch om. In dit proces geeft het methaan elektronen af en wordt zo geoxideerd. Sommige bacteriën breken het methaan af met behulp van zuurstof. Dit wordt aërobe oxidatie genoemd. Andere bacteriën hebben geen zuurstof nodig. Deze vorm van oxidatie wordt anaëroob genoemd.

Er worden verschillende methoden gebruikt om de toekomstige ontwikkeling te voorspellen. Daartoe behoren met name wiskundige modellen. Computermodellen berekenen eerst de hypothetische hoeveelheid methaanhydraten in de zeebodem aan de hand van achtergrondgegevens (organisch gehalte, druk, temperatuur). Vervolgens simuleert de computer de opwarming van het zeewater, bijvoorbeeld met 3 of 5 graden Celsius per 100 jaar. Op deze manier kan worden bepaald hoe het methaanhydraat zich in verschillende regio’s zal gedragen. Berekeningen van methaanhydraatafzettingen kunnen vervolgens worden gekoppeld aan complexe wiskundige klimaat- en oceaanmodellen. Met deze computermodellen krijgen we een globaal idee van hoe sterk de methaanhydraten zouden afbreken onder de verschillende scenario’s van temperatuurstijging. Vandaag wordt aangenomen dat in het slechtste geval, bij een gestage opwarming van de oceaan met 3 graden Celsius, ongeveer 85 procent van het in de zeebodem opgesloten methaan in de waterkolom zou kunnen vrijkomen.
Andere, gevoeliger modellen voorspellen dat methaanhydraten op grote waterdiepten niet door opwarming worden bedreigd. Volgens deze modellen zouden alleen de methaanhydraten die zich direct aan de grenzen van de stabiliteitszones bevinden, de grootste gevolgen ondervinden. Op deze plaatsen zou een temperatuurstijging van slechts 1 graad Celsius voldoende zijn om grote hoeveelheden methaan uit de hydraten te doen vrijkomen. De methaanhydraten in de open oceaan op ongeveer 500 meter waterdiepte en de afzettingen in de ondiepe gebieden van het Noordpoolgebied zouden voornamelijk worden getroffen.
In de loop van de opwarming van de aarde zal naar verwachting ook het zeeniveau stijgen als gevolg van het smelten van de poolijskappen en het gletsjerijs. Dit leidt onvermijdelijk tot een grotere druk op de zeebodem. De drukstijging zou echter niet voldoende zijn om het effect van de stijgende temperatuur op het oplossen van de methaanhydraten tegen te gaan. Volgens de laatste berekeningen zou een zeespiegelstijging van tien meter het oplossen van methaanhydraten als gevolg van een opwarming van één graad Celsius slechts met enkele tientallen jaren kunnen vertragen.

Er worden allerlei wiskundige modellen gebruikt om de gevolgen van de opwarming van de aarde te voorspellen. De resultaten van de simulaties zijn eveneens zeer variabel. Het is daarom moeilijk om de gevolgen van de opwarming van de aarde voor de gashydraatvoorkomens precies in te schatten, niet in de laatste plaats vanwege de grote verschillen in de berekeningen van de omvang van de huidige gashydraatvoorkomens. Een belangrijk doel van het huidige gashydraatonderzoek is het optimaliseren van deze modellen door steeds nauwkeuriger invoerparameters te gebruiken. Om dit te bereiken zijn verdere metingen, expedities, boringen en analyses van essentieel belang.

Extra InfoBacteriën zetten methaan om

Wat gebeurt er als methaanhydraat smelt?

Niet al het methaan dat vrijkomt uit onstabiele methaanhydraten komt in de atmosfeer terecht. Het grootste deel zal waarschijnlijk worden afgebroken tijdens zijn stijging door de sedimenten en in de waterkolom. Deze afbraak verloopt via twee biologische processen:

• anaërobe oxidatie van methaan door bacteriën en archaea (vroeger archaebacteriën genoemd) in de zeebodem;
• aërobe oxidatie van methaan door bacteriën in de waterkolom.

Tijdens de anaërobe oxidatie van methaan in het sediment gebruiken de microben sulfaat (SO42-), het zout van zwavelzuur dat in grote hoeveelheden aanwezig is in zeewater, voor de methaanafbraak. In dit proces wordt methaan omgezet in bicarbonaat (HCO3-). Als het bicarbonaat verder reageert met calciumionen (Ca2+) in het zeewater, slaat calciumcarbonaat (CaCO3) neer, dat gedurende lange perioden in de zeebodem opgeslagen blijft. Dat zou de ideale situatie zijn, want dan zou het krachtige broeikasgas methaan (CH4) onschadelijk worden gemaakt. Tegelijkertijd wordt uit het sulfaat waterstofsulfide (H2S) geproduceerd, dat energie levert aan chemosynthetische gemeenschappen, waaronder symbiotische kokkels en kokerwormen. Tijdens aërobe oxidatie in de waterkolom breken bacteriën methaan af met behulp van zuurstof (O2). Bij dit proces ontstaat kooldioxide, dat oplost in het water. Kooldioxide draagt bij tot de verzuring van de oceanen. Bovendien verbruikt aërobe oxidatie van methaan zuurstof. De uitputting van zuurstof in de waterkolom kan zuurstofminimumzones in de oceaan doen ontstaan of uitbreiden, die een bedreiging vormen voor vissen en andere gevoelige organismen. Ruwe schattingen suggereren dat anaerobe en aerobe oxidatie van methaan samen momenteel ongeveer 90 procent van het in de zeebodem geproduceerde methaan omzetten voordat het de atmosfeer kan bereiken. Hoe trager het methaan door de zeebodem of door de waterkolom migreert, hoe efficiënter de microben zijn bij de omzetting ervan. Een eerste vereiste voor dit soort afbraak is dat de methaanmoleculen in water zijn opgelost. Methaan kan alleen in deze vorm door de bacteriën worden afgebroken. Als het methaan snel uit de hydraten vrijkomt, zou het kunnen opstijgen in de vorm van gasbellen die niet toegankelijk zijn voor de micro-organismen. Het microbiële methaanfilter zou dus, althans gedeeltelijk, falen als de methaanhydraten zeer snel afbreken en er in één keer grote hoeveelheden methaan vrijkomen.

Er is ook een probleem bij ondiepe waterdiepten, waar de methaanbellen niet volledig in het water kunnen oplossen over de korte afstand van de zeebodem tot de atmosfeer. Om dergelijke processen beter te begrijpen en voorspellingen te kunnen doen over de functies van de microbiële filters, onderzoeken onderzoekers momenteel natuurlijke methaanbronnen op de zeebodem, de zogenaamde cold seeps, waar voortdurend grotere hoeveelheden methaan vrijkomen. Het gaat onder meer om gashydraatafzettingen in de nabijheid van de oppervlakte, moddervulkanen en natuurlijke gasbronnen in ondiepe mariene gebieden. Deze seeps vormen een soort natuurlijk model waarin het gedrag van methaan in de oceaan kan worden bestudeerd. Als we begrijpen hoe de natuur reageert op deze methaanbronnen op de zeebodem, zullen we de gevolgen van het vrijkomen van grotere hoeveelheden methaan uit gashydraten beter kunnen inschatten. De gegevens die bij de methaanbronnen worden verkregen, moeten ook helpen om de nauwkeurigheid van wiskundige simulaties van methaanhydraten te verbeteren. 2.20 > Grote hoeveelheden methaanhydraat zijn niet alleen in de zeebodem opgeslagen, maar ook op het land, met name in de eeuwig bevroren permafrostbodem van de Russische toendra’s, zoals hier in de Russische republiek Komi. Wetenschappers vrezen dat de permafrostgronden door de opwarming van de aarde kunnen smelten en zo de methaanhydraten kunnen vrijmaken.Het verdwijnen van methaanhydraten

zou fatale gevolgen kunnen hebben. Gashydraten werken als een cement dat de poriën tussen de fijne sedimentdeeltjes vult en de zeebodem stabiliseert. Als de methaanhydraten uiteenvallen, vermindert de stabiliteit van de zeebodem door het ontbrekende cement en het mogelijke ontstaan van overdruk in de poriën. In het ergste geval bezwijken grote delen van de continentale marges. De daaruit voortvloeiende onderzeese aardverschuivingen kunnen zware tsunami’s veroorzaken.
Massale massabewegingen hebben plaatsgevonden tijdens de laatste ijstijd en de daaropvolgende deglaciatie. De aanleiding was waarschijnlijk niet altijd de opwarming van de atmosfeer, maar ook het omgekeerde. Omdat tijdens de laatste ijstijd grote hoeveelheden water in het ijs waren opgeslagen, lag het zeeniveau ongeveer 120 meter lager dan tegenwoordig. Vooral in de ondiepe oceaangebieden was de waterdruk zo laag dat enorme hoeveelheden methaanhydraat gedestabiliseerd konden zijn. Directe bewijzen voor dergelijke door ontbindende gashydraten veroorzaakte hellingsbreuken zijn nog niet gevonden. Er zijn echter enkele aanwijzingen die op een dergelijk proces in het verleden wijzen. Tekenen van doorsijpelende vloeistoffen worden bijna altijd gevonden in de buurt van hellingsbreuken. Deze hellingen werden mogelijk gedestabiliseerd door gassen die vrijkwamen uit ontbindende gashydraten en vloeistoffen. Onderzoekers zien echter ook zeker de mogelijkheid van een omgekeerde relatie: het is denkbaar dat door het instorten van hellingen en de daaruit voortvloeiende drukverlaging op de onderliggende sedimenten methaanhydraten aan de continentale randen uit elkaar zijn gevallen, waardoor grote hoeveelheden vrij gas zijn vrijgekomen. De instortingen zouden eerder de oorzaak dan het gevolg van het ontsnappen van gas zijn geweest. Deze onzekerheden onderstrepen de noodzaak van verder onderzoek. Het is echter vrij zeker dat het verdwijnen van methaanhydraten tot ernstige problemen zou kunnen leiden.

Methaanemissies uit het Noordpoolgebied – een belangrijk aandachtspunt voor toekomstig onderzoek naar gashydraten

Op het gebied van onderzoek naar methaanemissies is het Noordpoolgebied vandaag de dag een van de belangrijkste regio’s ter wereld. Aangenomen wordt dat methaan daar voorkomt zowel in de vorm van gashydraten in zee als in de vorm van vrij gas dat gevangen zit in de diepgevroren permafrost. Methaanafzettingen in permafrost en hydraten worden als zeer gevoelig beschouwd in de expansieve ondiep-laaggebieden, omdat er bij de relatief lage druk slechts een kleine temperatuursverandering nodig zou zijn om grote hoeveelheden methaan te doen vrijkomen. Bovendien wordt er voortdurend nieuw methaan geproduceerd omdat de arctische gebieden rijk zijn aan organisch materiaal dat door microben in het sediment wordt afgebroken. De activiteit van deze microben en dus de biologische uitstoot van methaan worden ook gestimuleerd door temperatuurstijgingen. De methaanemissies in het Noordpoolgebied hebben dus meerdere bronnen. Er worden nu internationale wetenschappelijke consortia opgericht waarbij onderzoekers uit verschillende disciplines – chemici, biologen, geologen, geofysici, meteorologen – betrokken zijn en die zich intensief met dit probleem bezighouden. Niemand kan nog met zekerheid zeggen hoe het vrijkomen van methaan in het Noordpoolgebied zich met de opwarming van de aarde zal ontwikkelen, noch in de oceaan, noch op het land. Dit onderzoek staat nog in de kinderschoenen.