Free Press

Jak metan kończy się w oceanie

Ludzie spalają węgiel, ropę i gaz ziemny od ponad stu lat. Hydraty metanu natomiast dopiero od niedawna są przedmiotem kontrowersyjnych dyskusji jako potencjalne przyszłe źródło energii z oceanu

. Stanowią one nowy i zupełnie niewykorzystany rezerwuar paliw kopalnych, ponieważ zawierają, jak sama nazwa wskazuje, ogromne ilości metanu, który jest głównym składnikiem gazu ziemnego. Hydraty metanu należą do grupy substancji zwanych klatratami – substancji, w których jeden rodzaj cząsteczek tworzy strukturę klatkową przypominającą kryształ i zamyka w sobie inny rodzaj cząsteczek. Jeśli cząsteczką tworzącą klatkę jest woda, nazywamy ją hydratem. Jeśli cząsteczka uwięziona w klatce wodnej jest gazem, jest to hydrat gazowy, w tym przypadku hydrat metanu.
Wodany metanu mogą się tworzyć tylko w bardzo specyficznych warunkach fizycznych, chemicznych i geologicznych. Wysokie ciśnienie wody i niskie temperatury zapewniają najlepsze warunki do tworzenia się hydratów metanu

. Jeśli jednak woda jest ciepła, to ciśnienie wody musi być bardzo wysokie, aby wcisnąć cząsteczkę wody w klatkę klatratu. W takim przypadku hydrat tworzy się tylko na dużych głębokościach. Jeśli woda jest bardzo zimna, hydraty metanu mogą powstawać na płytszych głębokościach, a nawet przy ciśnieniu atmosferycznym. Na otwartym oceanie, gdzie średnia temperatura wody na dnie wynosi około 2 do 4 stopni Celsjusza, hydraty metanu występują od głębokości około 500 metrów. 2.16 > Hydrat metanu wygląda jak kawałek lodu, gdy jest wydobywany z dna morskiego. Ta bryła została wydobyta podczas ekspedycji do „grzbietu hydratów” u wybrzeży Oregonu w USA.Zaskakująco, nie ma hydratów metanu w najgłębszych rejonach oceanu, obszarach o najwyższym ciśnieniu, ponieważ jest tam bardzo mało dostępnego metanu. Powodem tego jest fakt, że metan w oceanie jest produkowany przez mikroby w obrębie dna morskiego, które rozkładają materię organiczną, która opada ze strefy nasłonecznionej w pobliżu powierzchni.
Materia organiczna składa się na przykład ze szczątków martwych glonów i zwierząt, a także ich odchodów. W najgłębszych obszarach oceanu, poniżej około 2000 do 3000 metrów, tylko bardzo niewielka ilość szczątków organicznych dociera do dna, ponieważ większość z nich jest rozkładana przez inne organizmy w drodze w dół słupa wody. Z reguły można powiedzieć, że tylko około 1 procent materiału organicznego wytwarzanego na powierzchni rzeczywiście trafia w głębiny morskie. Im głębiej znajduje się dno morskie, tym mniej materii organicznej osiada na dnie. Hydraty metanu występują więc głównie na stokach kontynentalnych, czyli w miejscach, gdzie płyty kontynentalne stykają się z obszarami głębinowymi. Tutaj na dnie gromadzi się wystarczająca ilość materii organicznej, a połączenie temperatury i ciśnienia jest korzystne. W bardzo zimnych regionach, takich jak Arktyka, hydraty metanu występują nawet na płytkim szelfie kontynentalnym (poniżej 200 metrów głębokości wody) lub na lądzie w wiecznej zmarzlinie, czyli głęboko zamarzniętej arktycznej glebie, która nie rozmarza nawet latem. 2.17 > Wodzian metanu występuje we wszystkich oceanach, a także na lądzie. Zielone kropki pokazują występowanie w północnych regionach wiecznej zmarzliny. Miejsca zidentyfikowane metodami geofizycznymi zaznaczone są na czerwono. Występowanie zaznaczone niebieskimi kropkami zostało zweryfikowane przez bezpośrednie pobieranie próbek.

Szacuje się, że w hydratach metanu może znajdować się więcej potencjalnego paliwa kopalnego niż w klasycznych zasobach węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego. W zależności od zastosowanego modelu matematycznego, obecne obliczenia ich zasobności wahają się od 100 do 530 000 gigaton węgla. Najbardziej prawdopodobne są wartości pomiędzy 1000 a 5000 gigaton. Jest to około 100 do 500 razy więcej węgla niż jest uwalniane rocznie do atmosfery w wyniku spalania węgla, ropy i gazu. Ich ewentualne przyszłe wydobycie przyniosłoby przypuszczalnie tylko część tej ilości jako rzeczywiste paliwo użytkowe, ponieważ wiele złóż jest niedostępnych, albo produkcja byłaby zbyt droga lub wymagałaby zbyt dużego wysiłku. Mimo to Indie, Japonia, Korea i inne kraje są obecnie zaangażowane w rozwój technik wydobywczych, aby w przyszłości móc wykorzystać hydraty metanu jako źródło energii (rozdz. 7).2.18 > W hydratach, gaz (duża kula) jest zamknięty w klatce utworzonej przez cząsteczki wody. Naukowcy nazywają tego rodzaju układ molekularny klatratem.Metan jest silnym gazem cieplarnianym, około 20 razy bardziej efektywnym w przeliczeniu na cząsteczkę niż dwutlenek węgla. Zwiększone uwalnianie go z oceanu do atmosfery mogłoby jeszcze bardziej zintensyfikować efekt cieplarniany. Dlatego pilnie potrzebne są badania stabilności hydratów metanu w zależności od wahań temperatury, a także zachowania metanu po jego uwolnieniu.

2.19 > Hydraty gazowe powstają, gdy w wyniku degradacji materii organicznej na dnie morza w warunkach niskiej temperatury i wysokiego ciśnienia wytwarza się wystarczająca ilość metanu. Warunki te występują głównie na obrzeżach kontynentalnych. Im cieplejsza woda, tym większa musi być jej głębokość, aby mógł powstać hydrat. W głębi dna morskiego temperatura jest jednak zbyt wysoka do tworzenia się hydratów metanu z powodu wewnętrznego ciepła Ziemi.

OksydacjaWiele bakterii wykorzystuje metan do dostarczania energii dla swojego metabolizmu. Pobierają one metan i przekształcają go chemicznie. W tym procesie metan uwalnia elektrony i jest w ten sposób utleniany. Niektóre bakterie rozkładają metan przy pomocy tlenu. Jest to tzw. utlenianie tlenowe. Inne bakterie nie potrzebują tlenu. Ten rodzaj utleniania nazywany jest beztlenowym.

Do przewidywania przyszłego rozwoju stosuje się różne metody. Należą do nich w szczególności modelowanie matematyczne. Modele komputerowe obliczają najpierw hipotetyczną ilość hydratów metanu w dnie morskim na podstawie danych podstawowych (zawartość substancji organicznych, ciśnienie, temperatura). Następnie komputer symuluje ocieplenie wody morskiej np. o 3 lub 5 stopni Celsjusza w ciągu 100 lat. W ten sposób można określić, jak hydrat metanu będzie się zachowywał w różnych regionach. Obliczenia dotyczące złóż hydratów metanu można następnie połączyć z kompleksowymi matematycznymi modelami klimatu i oceanu. Dzięki tym modelom komputerowym uzyskuje się ogólne wyobrażenie o tym, jak silnie hydraty metanu ulegną rozpadowi przy różnych scenariuszach wzrostu temperatury. Obecnie przyjmuje się, że w najgorszym przypadku, przy stałym ociepleniu oceanu o 3 stopnie Celsjusza, około 85 procent metanu uwięzionego w dnie morskim mogłoby zostać uwolnione do słupa wody.
Inne, bardziej wrażliwe modele przewidują, że hydratom metanu na dużych głębokościach wodnych ocieplenie nie zagraża. Według tych modeli ucierpiałyby przede wszystkim hydraty metanu znajdujące się bezpośrednio na granicach stref stabilności. W tych miejscach wzrost temperatury o zaledwie 1 stopień Celsjusza wystarczyłby do uwolnienia dużych ilości metanu z hydratów. Ucierpiałyby przede wszystkim hydraty metanu na otwartym oceanie na głębokości około 500 metrów oraz złoża w płytkich regionach Arktyki.
W trakcie ocieplania się Ziemi oczekuje się również, że poziom morza podniesie się z powodu topnienia polarnych czap lodowych i lodu lodowcowego. Nieuchronnie prowadzi to do zwiększenia ciśnienia na dnie morskim. Wzrost ciśnienia nie jest jednak wystarczający, aby zrównoważyć wpływ rosnącej temperatury na rozpuszczanie hydratów metanu. Według najnowszych obliczeń wzrost poziomu morza o dziesięć metrów mógłby spowolnić rozpuszczanie hydratów metanu spowodowane ociepleniem o jeden stopień Celsjusza tylko o kilka dekad.
Do przewidywania skutków globalnego ocieplenia stosuje się wiele różnych modeli matematycznych. Wyniki symulacji są również bardzo zmienne. Trudno jest więc precyzyjnie ocenić konsekwencje globalnego ocieplenia dla złóż hydratów gazowych, choćby ze względu na duże różnice w obliczeniach wielkości obecnych złóż hydratów gazowych. Jednym z głównych celów prowadzonych obecnie badań nad hydratami gazowymi jest optymalizacja tych modeli poprzez zastosowanie coraz dokładniejszych parametrów wejściowych. Aby to osiągnąć, niezbędne są dalsze pomiary, ekspedycje, wiercenia i analizy.

Extra InfoBakterie przekształcają metan

Co się dzieje, gdy hydrat metanu się topi?

Nie cały metan, który jest uwalniany z niestabilnych hydratów metanu, trafia do atmosfery. Największa jego część jest prawdopodobnie rozkładana podczas jego unoszenia się przez osady i w słupie wody. W tym rozkładzie pośredniczą dwa procesy biologiczne:

• beztlenowe utlenianie metanu przez bakterie i archaea (dawniej zwane archaebakteriami) w obrębie dna morskiego;
• beztlenowe utlenianie metanu przez bakterie w słupie wody.

Podczas beztlenowego utleniania metanu w osadach drobnoustroje wykorzystują do rozkładu metanu siarczan (SO42-), sól kwasu siarkowego, który występuje w dużych ilościach w wodzie morskiej. W procesie tym metan przekształca się w wodorowęglan (HCO3-). Jeśli ten wodorowęglan reaguje dalej z jonami wapnia (Ca2+) w wodzie morskiej, wytrąca się węglan wapnia (CaCO3), który przez długi czas pozostaje zmagazynowany na dnie morza. Byłaby to idealna sytuacja, ponieważ w ten sposób silny gaz cieplarniany metan (CH4) stałby się nieszkodliwy. W tym samym czasie z siarczanu powstaje siarkowodór (H2S), który dostarcza energii chemosyntetyzującym społecznościom, w tym symbiotycznym małżom i rurkoczułkowcom. Natomiast podczas tlenowego utleniania w słupie wody bakterie rozkładają metan przy udziale tlenu (O2). W tym procesie wytwarzany jest dwutlenek węgla, który rozpuszcza się w wodzie. Dwutlenek węgla przyczynia się do zakwaszenia oceanów. Ponadto, tlenowe utlenianie metanu zużywa tlen. Wyczerpanie tlenu w słupie wody może spowodować powstanie lub rozszerzenie stref minimum tlenowego w oceanie, co stanowi zagrożenie dla ryb i innych wrażliwych organizmów. Z przybliżonych szacunków wynika, że beztlenowe i tlenowe utlenianie metanu przekształca obecnie łącznie około 90 procent metanu powstającego na dnie morza, zanim trafi on do atmosfery. Im wolniej metan przemieszcza się po dnie morza lub w słupie wody, tym skuteczniejsze są mikroby w jego przekształcaniu. Warunkiem wstępnym dla tego rodzaju degradacji jest to, że cząsteczki metanu są rozpuszczone w wodzie. Metan może być rozkładany przez bakterie tylko w takiej postaci. W przypadku gwałtownego uwolnienia metanu z hydratów, mógłby on unieść się w postaci pęcherzyków gazu, do których mikroorganizmy nie mają dostępu. Mikrobiologiczny filtr metanu zawiódłby więc, przynajmniej częściowo, gdyby hydraty metanu rozpadły się bardzo szybko i uwolnione zostałyby jednorazowo duże ilości metanu.
Problem pojawia się również na niewielkich głębokościach, gdzie pęcherzyki metanu nie są w stanie całkowicie rozpuścić się w wodzie na niewielkiej odległości od dna morskiego do atmosfery. Aby lepiej zrozumieć takie procesy i móc przewidzieć funkcje filtrów mikrobiologicznych, naukowcy badają obecnie naturalne źródła metanu na dnie morza, tzw. zimne sączki, które stale uwalniają większe ilości metanu. Należą do nich przypowierzchniowe złoża hydratów gazowych, wulkany błotne oraz naturalne wycieki gazu w płytkich regionach morskich. Wycieki te stanowią rodzaj naturalnego modelu, na którym można badać zachowanie metanu w oceanie. Jeśli zrozumiemy, jak przyroda reaguje na te wycieki metanu na dnie morza, pomoże nam to oszacować konsekwencje uwolnienia większych ilości metanu z hydratów gazowych. Dane uzyskane przy wyciekach metanu powinny również pomóc w zwiększeniu precyzji matematycznych symulacji hydratów metanu. 2.20 > Duże ilości hydratów metanu są zmagazynowane nie tylko na dnie morza, ale również na lądzie, zwłaszcza w wiecznie zamarzniętym gruncie wiecznej zmarzliny w rosyjskiej tundrze, takiej jak tutaj w rosyjskiej republice Komi. Naukowcy obawiają się, że z powodu globalnego ocieplenia gleby wiecznej zmarzliny mogą się roztopić i w ten sposób uwolnić hydraty metanu. Zanik hydratów metanu

mogą mieć fatalne skutki. Hydraty gazowe działają jak cement, który wypełnia pory między drobnymi cząsteczkami osadów i stabilizuje dno morskie. Jeśli hydraty metanu ulegną rozpadowi, stabilność dna morskiego zostanie zmniejszona z powodu brakującego cementu i możliwego wytworzenia nadmiernego ciśnienia porowego. W najgorszym przypadku może dojść do zawalenia się dużych fragmentów brzegów kontynentalnych. Powstałe w ten sposób podmorskie osuwiska mogą powodować poważne tsunami.
Masywne ruchy masowe miały miejsce podczas ostatniej epoki lodowcowej i następującej po niej deglacjacji. Czynnikiem wywołującym było prawdopodobnie nie zawsze ocieplenie atmosfery, ale wręcz przeciwnie. Ponieważ podczas ostatniej epoki lodowcowej w lodzie zgromadzono duże ilości wody, poziom morza był o około 120 metrów niższy niż obecnie. Szczególnie w rejonach płytkich oceanów ciśnienie wody było tak niskie, że mogło dojść do destabilizacji ogromnych ilości hydratów metanu. Jak dotąd nie znaleziono bezpośrednich dowodów na takie załamania zboczy spowodowane przez rozkładające się hydraty gazowe. Istnieją jednak pewne przesłanki sugerujące, że proces ten miał miejsce w przeszłości. Ślady wyciekających płynów są prawie zawsze znajdowane w pobliżu załamań zboczy. Stoki te zostały prawdopodobnie zdestabilizowane przez gazy uwolnione z rozkładających się hydratów gazowych i cieczy. Naukowcy zdecydowanie dostrzegają jednak również możliwość odwrotnej zależności: można sobie wyobrazić, że załamania zboczy i związane z tym obniżenie ciśnienia na leżące pod nimi osady spowodowały dysocjację hydratów metanu na obrzeżach kontynentalnych, uwalniając w ten sposób duże ilości wolnego gazu. Osunięcia byłyby raczej przyczyną niż skutkiem ucieczki gazu. Te niewiadome podkreślają potrzebę dalszych badań. Jest jednak dość pewne, że zanik hydratów metanu mógłby doprowadzić do poważnych problemów.

Emisja metanu z Arktyki – główny przedmiot przyszłych badań nad hydratami gazowymi

W dziedzinie badań nad emisją metanu Arktyka jest dziś jednym z najważniejszych regionów na świecie. Uważa się, że metan występuje tam zarówno w postaci hydratów gazowych w morzu, jak i jako wolny gaz uwięziony w głęboko zamarzniętej wiecznej zmarzlinie. Uważa się, że złoża metanu w wiecznej zmarzlinie i hydratach są bardzo wrażliwe w ekspansywnych rejonach płytkiego szelfu, ponieważ przy stosunkowo niskich ciśnieniach wystarczyłaby niewielka zmiana temperatury, aby uwolnić duże ilości metanu. Ponadto, nowy metan jest stale produkowany, ponieważ regiony arktyczne są bogate w materię organiczną, która jest rozkładana przez mikroby w osadach. Aktywność tych mikrobów, a tym samym biologiczne tempo uwalniania metanu, jest również stymulowane przez wzrost temperatury. Dlatego emisje metanu w Arktyce mają wiele źródeł. Obecnie powstają międzynarodowe konsorcja naukowe, w skład których wchodzą badacze z różnych dziedzin – chemicy, biolodzy, geolodzy, geofizycy, meteorolodzy – które intensywnie zajmują się tym problemem. Nikt nie może jeszcze z całą pewnością powiedzieć, jak wraz z globalnym ociepleniem będzie się kształtować uwalnianie metanu w Arktyce, czy to w oceanie, czy na lądzie. Badania w tym zakresie są jeszcze w powijakach.