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Como o metano acaba no oceano

As pessoas têm queimado carvão, petróleo e gás natural por mais de cem anos. Os hidratos de metano, por outro lado, só recentemente foram objecto de discussão controversa como uma potencial fonte de energia futura do oceano

. Eles representam um novo e completamente inexplorado reservatório de combustível fóssil, pois contêm, como o seu nome sugere, imensas quantidades de metano, que é o principal componente do gás natural. Os hidratos de metano pertencem a um grupo de substâncias chamadas clatratos – substâncias em que um tipo de molécula forma uma estrutura tipo gaiola cristalina e encerra outro tipo de molécula. Se a molécula que forma a gaiola é água, ela é chamada de hidrato. Se a molécula presa na gaiola de água é um gás, é um hidrato de gás, neste caso hidrato de metano.
Os hidratos de metano só se podem formar sob condições físicas, químicas e geológicas muito específicas. Altas pressões de água e baixas temperaturas proporcionam as melhores condições para a formação de hidrato de metano

. Se a água estiver quente, no entanto, a pressão da água deve ser muito alta para pressionar a molécula de água para uma jaula de clathrate. Neste caso, o hidrato só se forma a grandes profundidades. Se a água for muito fria, os hidratos de metano podem se formar em profundidades mais rasas, ou mesmo à pressão atmosférica. No mar aberto, onde a temperatura média da água de fundo é de cerca de 2 a 4 graus Celsius, os hidratos de metano ocorrem a partir de profundidades de cerca de 500 metros. 2,16 > O hidrato de metano parece um pedaço de gelo quando é trazido do fundo do mar. Este caroço foi recuperado durante uma expedição à “crista do hidrato” ao largo da costa do Oregon nos EUA.Surpreendentemente, não há hidrato de metano nas regiões oceânicas mais profundas, as áreas com as maiores pressões, porque há muito pouco metano disponível aqui. A razão para isto é porque o metano no oceano é produzido por micróbios no fundo do mar que quebram a matéria orgânica que se afunda da zona iluminada pelo sol perto da superfície.
A matéria orgânica é composta, por exemplo, pelos restos de algas e animais mortos, bem como os seus excrementos. Nas zonas mais profundas do oceano, abaixo de cerca de 2000 a 3000 metros, apenas uma quantidade muito pequena de restos orgânicos chega ao fundo porque a maior parte deles são decompostos por outros organismos no seu percurso através da coluna de água. Como regra geral, pode-se dizer que apenas cerca de 1 por cento da matéria orgânica produzida à superfície acaba de facto no fundo do mar. Quanto mais profundo for o fundo do mar, menos matéria orgânica se deposita no fundo. Portanto, os hidratos de metano ocorrem principalmente nas encostas continentais, aquelas áreas onde as placas continentais se encontram com as regiões profundas do mar. Aqui há acumulação suficiente de matéria orgânica no fundo e a combinação de temperatura e pressão é favorável. Em regiões muito frias como o Ártico, os hidratos de metano ocorrem mesmo na plataforma continental pouco profunda (menos de 200 metros de profundidade de água) ou na terra em permafrost, o solo do Ártico congelado que nem sequer descongela no verão. 2,17 > O hidrato de metano ocorre em todos os oceanos, bem como em terra. Os pontos verdes mostram ocorrências nas regiões de permafrost do norte. As ocorrências identificadas pelos métodos geofísicos são indicadas pelo vermelho. As ocorrências mostradas pelos pontos azuis foram verificadas por amostragem directa.

Estima-se que possa haver mais combustível fóssil potencial contido nos hidratos de metano do que nas reservas clássicas de carvão, petróleo e gás natural. Dependendo do modelo matemático empregado, apresentar cálculos de sua abundância entre 100 e 530.000 gigatoneladas de carbono. Valores entre 1000 e 5000 gigatoneladas são mais prováveis. Isso é cerca de 100 a 500 vezes mais carbono do que o liberado anualmente na atmosfera pela queima de carvão, petróleo e gás. A sua possível escavação futura presumivelmente só produziria uma parte disto como combustível realmente utilizável, porque muitos depósitos são inacessíveis, ou a produção seria muito cara ou exigiria muito esforço. Mesmo assim, a Índia, Japão, Coreia e outros países estão actualmente empenhados no desenvolvimento de técnicas de mineração para poderem utilizar hidratos de metano como fonte de energia no futuro (Capítulo 7).2,18 > Nos hidratos, o gás (bola grande) está encerrado numa gaiola formada por moléculas de água. Os cientistas chamam este tipo de arranjo molecular de clathrate.

Hidratos de metano e aquecimento global

Considerando que os hidratos de metano só se formam sob condições muito específicas, é concebível que o aquecimento global, que de fato inclui o aquecimento dos oceanos, poderia afetar a estabilidade dos hidratos de gás. Há indicações na história da Terra que sugerem que as mudanças climáticas do passado poderiam ter levado à desestabilização dos hidratos de metano e, portanto, à liberação de metano. Estas indicações – incluindo medições do teor de metano em núcleos de gelo, por exemplo – ainda são controversas. No entanto, seja como for, a questão é altamente tópica e de particular interesse para os cientistas preocupados em prever os possíveis impactos de um aumento de temperatura nos depósitos atuais de hidrato de metano.
O metano é um potente gás de efeito estufa, cerca de 20 vezes mais eficaz por molécula do que o dióxido de carbono. Uma maior liberação do oceano para a atmosfera poderia intensificar ainda mais o efeito estufa. Investigações da estabilidade dos hidratos de metano em função das flutuações de temperatura, bem como do comportamento do metano após a sua libertação, são portanto urgentemente necessárias.

2,19 > Os hidratos de gás ocorrem quando é produzido metano suficiente pela degradação da matéria orgânica no fundo do mar sob condições de baixa temperatura e alta pressão. Estas condições ocorrem predominantemente nas margens continentais. Quanto mais quente a água, maior a profundidade da água deve ser para formar o hidrato. No fundo do fundo do mar, no entanto, a temperatura é demasiado elevada para a formação de hidratos de metano devido ao calor interno da Terra.

OxidaçãoMuitas bactérias utilizam o metano para fornecer energia ao seu metabolismo. Elas absorvem o metano e o transformam quimicamente. Neste processo, o metano libera elétrons e é assim oxidado. Algumas bactérias quebram o metano com a ajuda do oxigénio. Isto é chamado oxidação aeróbica. Outras bactérias não precisam de oxigénio. Este tipo de oxidação é chamado anaeróbico.

Vários métodos são empregados para prever o desenvolvimento futuro. Estes incluem, em particular, a modelação matemática. Os modelos computadorizados calculam primeiro a quantidade hipotética de hidratos de metano no fundo do mar usando dados de fundo (conteúdo orgânico, pressão, temperatura). Em seguida, o computador simula o aquecimento da água do mar, por exemplo, em 3 ou 5 graus Celsius por 100 anos. Desta forma, é possível determinar como o hidrato de metano se comportará em diferentes regiões. Os cálculos dos depósitos de hidratos de metano podem ser combinados com modelos matemáticos complexos de clima e oceanos. Com estes modelos computorizados obtemos uma ideia geral de quão fortemente os hidratos de metano se decomporiam sob os vários cenários de aumento de temperatura. Hoje assume-se que no pior caso, com um aquecimento constante do oceano de 3 graus Celsius, cerca de 85% do metano aprisionado no fundo do mar poderia ser liberado na coluna de água.
Outros modelos mais sensíveis prevêem que os hidratos de metano em grandes profundidades de água não são ameaçados pelo aquecimento. Segundo estes modelos, apenas os hidratos de metano que se encontram directamente nos limites das zonas de estabilidade seriam afectados em primeiro lugar. Nesses locais, um aumento de temperatura de apenas 1 grau Celsius seria suficiente para liberar grandes quantidades de metano dos hidratos. Os hidratos de metano em mar aberto a cerca de 500 metros de profundidade e os depósitos nas regiões pouco profundas do Ártico seriam principalmente afectados.
No decurso do aquecimento da Terra, espera-se também que o nível do mar suba devido ao derretimento das calotas polares e do gelo glacial. Isto inevitavelmente resulta numa maior pressão no fundo do mar. O aumento da pressão, no entanto, não seria suficiente para neutralizar o efeito do aumento da temperatura para dissolver os hidratos de metano. De acordo com os últimos cálculos, uma elevação do nível do mar de dez metros poderia retardar a dissolução dos hidratos de metano causada por um aquecimento de um grau Celsius apenas por algumas décadas.
Uma grande variedade de modelos matemáticos são usados para prever as consequências do aquecimento global. Os resultados das simulações são igualmente muito variáveis. É portanto difícil avaliar com precisão as conseqüências do aquecimento global para os depósitos de hidratos de gás, sobretudo devido às grandes diferenças nos cálculos do tamanho dos depósitos atuais de hidratos de gás. Um dos principais objetivos da pesquisa atual de hidratos de gás é otimizar esses modelos, utilizando parâmetros de entrada cada vez mais precisos. Para isso, são essenciais outras medições, expedições, perfurações e análises.

Extra InfoBactérias convertem metano

O que acontece quando o hidrato de metano derrete?

Não todo o metano que é libertado pelos hidratos de metano instáveis acaba na atmosfera. A maior porção é susceptível de ser decomposta durante a sua subida através dos sedimentos e na coluna de água. Esta decomposição é mediada por dois processos biológicos:

• oxidação anaeróbica do metano por bactérias e arquebactérias (anteriormente chamadas arquebactérias) no fundo do mar;
• oxidação anaeróbica do metano por bactérias na coluna de água.

Durante a oxidação anaeróbica do metano no sedimento os micróbios usam sulfato (SO42-), o sal do ácido sulfúrico que está presente em grandes quantidades na água do mar, para a decomposição do metano. Neste processo o metano é convertido em bicarbonato (HCO3-). Se o bicarbonato reagir ainda mais com iões de cálcio (Ca2+) na água do mar, o carbonato de cálcio (CaCO3) precipita-se, o qual permanece armazenado no fundo do mar durante longos períodos de tempo. Essa seria a situação ideal, pois tornaria inofensivo o potente gás metano de efeito estufa (CH4). Ao mesmo tempo, o sulfureto de hidrogénio (H2S) é produzido a partir do sulfato, que fornece energia às comunidades quimiossintéticas, incluindo amêijoas simbióticas e tubeworms. Durante a oxidação aeróbica na coluna de água, no entanto, as bactérias decompõem o metano com a ajuda de oxigénio (O2). Neste processo, é produzido dióxido de carbono, que se dissolve na água. O dióxido de carbono contribui para a acidificação dos oceanos. Além disso, a oxidação aeróbica do metano consome oxigénio. O esgotamento do oxigénio na coluna de água pode criar ou expandir zonas mínimas de oxigénio no oceano, que são uma ameaça para os peixes e outros organismos sensíveis. Estimativas aproximadas sugerem que a oxidação anaeróbica e aeróbica do metano em conjunto convertem actualmente cerca de 90 por cento do metano produzido no fundo do mar antes do metano poder chegar à atmosfera. Quanto mais lentamente o metano migra através do fundo do mar ou através da coluna de água, mais eficazes são os micróbios na sua conversão. Um pré-requisito para este tipo de degradação é que as moléculas de metano sejam dissolvidas na água. O metano só pode ser degradado pelas bactérias nesta forma. Se o metano for liberado rapidamente pelos hidratos, ele pode subir na forma de bolhas de gás que não são acessíveis pelos microrganismos. Assim, o filtro microbiano de metano falharia, pelo menos em parte, se os hidratos de metano se decompusessem muito rapidamente e grandes quantidades de metano fossem libertadas de uma só vez.

Há também um problema em águas pouco profundas, onde as bolhas de metano não se podem dissolver completamente na água ao longo da curta distância do fundo do mar até à atmosfera. Para melhor compreender tais processos e para poder fazer previsões sobre as funções dos filtros microbianos, os pesquisadores estão atualmente investigando fontes naturais de metano no fundo do mar, os chamados “frios infiltrações”, que constantemente liberam maiores quantidades de metano. Estes incluem depósitos de hidratos de gás próximos à superfície, vulcões de lama e infiltrações de gás natural em regiões marinhas pouco profundas. Estes infiltrações são uma espécie de modelo natural onde o comportamento do metano no oceano pode ser estudado. Se entendermos como a natureza reage a estes infiltrações de metano no fundo do mar, isso nos ajudará a estimar as conseqüências de maiores liberações de metano dos hidratos de gás. Os dados obtidos nas infiltrações de metano também devem ajudar a melhorar a precisão das simulações matemáticas de hidratos de metano. 2,20 > Grandes quantidades de hidrato de metano são armazenadas não só no fundo do mar, mas também em terra, especialmente no solo permafrost perpetuamente congelado da tundra russa, tal como aqui na República Russa de Komi. Os cientistas estão preocupados que os solos permafrost possam derreter devido ao aquecimento global e assim liberar os hidratos de metano.O desaparecimento dos hidratos de metano

poderiam ter consequências fatais. Os hidratos de gás actuam como um cimento que preenche os poros entre as partículas finas do sedimento e estabiliza o fundo do mar. Se os hidratos de metano se decompõem, a estabilidade do fundo do mar é reduzida devido à falta de cimento e à possível geração de excesso de pressão nos poros. No pior dos casos, grandes partes das margens continentais falham. Os deslizamentos de terra submarinos resultantes podem causar tsunamis severos.
Os movimentos maciços de massa ocorreram durante a última era glacial e a seguinte deglaciação. O gatilho provavelmente não foi sempre o aquecimento da atmosfera, mas também o oposto. Como grandes quantidades de água foram armazenadas no gelo durante a última era glacial, o nível do mar era cerca de 120 metros mais baixo do que é hoje. Especialmente nas regiões oceânicas pouco profundas, a pressão da água era tão baixa que quantidades maciças de hidrato de metano poderiam ter sido desestabilizadas. Evidências directas de tais falhas de declive causadas pela decomposição dos hidratos de gás ainda não foram encontradas. Existem, contudo, algumas indicações que sugerem um processo no passado. Sinais de infiltração de fluidos são quase sempre encontrados nas proximidades de falhas de taludes. Estes taludes foram possivelmente desestabilizados por gases liberados por hidratos de gás em decomposição e líquidos. Os investigadores também vêem, no entanto, a possibilidade de uma relação inversa: é concebível que as falhas de inclinação e a consequente redução da pressão sobre os sedimentos subjacentes causaram a dissociação dos hidratos de metano nas margens continentais, libertando assim grandes quantidades de gás livre. As quedas teriam sido a causa, e não o resultado da fuga de gás. Estas incertezas evidenciam a necessidade de mais pesquisas. É, contudo, bastante certo que o desaparecimento dos hidratos de metano poderia levar a sérios problemas.

Emissões de metano do Ártico – um foco principal da futura pesquisa de hidratos de gás

No campo da pesquisa sobre emissões de metano hoje, o Ártico é uma das regiões mais importantes do mundo. Acredita-se que o metano ocorre lá tanto na forma de gás hidratado no mar quanto como gás livre preso no congelado permafrost. Os depósitos de metano no permafrost e nos hidratos são considerados muito sensíveis nas regiões de prateleira rasa, porque com as pressões relativamente baixas seria necessária apenas uma pequena mudança de temperatura para liberar grandes quantidades de metano. Além disso, novos metanos estão sendo produzidos continuamente porque as regiões árticas são ricas em material orgânico que é decomposto por micróbios no sedimento. A atividade desses micróbios e, portanto, as taxas de liberação biológica de metano também são estimuladas por aumentos de temperatura. Assim, as emissões de metano no Ártico têm múltiplas fontes. Consórcios científicos internacionais estão agora sendo estabelecidos envolvendo pesquisadores de várias disciplinas – químicos, biólogos, geólogos, geofísicos, meteorologistas – que estão tratando intensivamente deste problema. Ninguém ainda pode dizer com certeza como a liberação de metano no Ártico irá se desenvolver com o aquecimento global, seja no oceano ou em terra. Esta pesquisa ainda está na sua infância.