Free Press

Cum ajunge metanul în ocean

Oamenii ard cărbune, petrol și gaze naturale de mai bine de o sută de ani. Pe de altă parte, hidrații de metan au intrat abia recent în discuții controversate ca o potențială sursă viitoare de energie din ocean

. Aceștia reprezintă un rezervor nou și complet neexploatat de combustibil fosil, deoarece conțin, așa cum sugerează și numele lor, cantități imense de metan, care este principalul component al gazului natural. Hidrații de metan aparțin unui grup de substanțe numite clatrați – substanțe în care un tip de moleculă formează o structură de tip cușcă cristalină și înglobează un alt tip de moleculă. În cazul în care molecula care formează cușca este apa, se numește hidrat. Dacă molecula prinsă în cușca de apă este un gaz, este un hidrat de gaz, în acest caz hidrat de metan.
Idații de metan se pot forma numai în condiții fizice, chimice și geologice foarte specifice. Presiunile ridicate ale apei și temperaturile scăzute oferă cele mai bune condiții pentru formarea hidratului de metan

. Cu toate acestea, dacă apa este caldă, presiunea apei trebuie să fie foarte mare pentru a presa molecula de apă într-o cușcă de clatrat. În acest caz, hidratul se formează doar la adâncimi mari. Dacă apa este foarte rece, se poate concepe că hidrații de metan s-ar putea forma la adâncimi mai mici sau chiar la presiune atmosferică. În largul oceanului, unde temperaturile medii ale apei de fund sunt de aproximativ 2 până la 4 grade Celsius, hidrații de metan apar începând de la adâncimi de aproximativ 500 de metri. 2.16 > Hidratul de metan arată ca o bucată de gheață atunci când este adus la suprafață de pe fundul mării. Această bucată a fost recuperată în timpul unei expediții la „creasta de hidrați” din largul coastei Oregon din SUA.În mod surprinzător, nu există hidrat de metan în cele mai adânci regiuni oceanice, zonele cu cele mai mari presiuni, deoarece aici este foarte puțin metan disponibil. Motivul este că metanul din ocean este produs de microbii din fundul mării care descompun materia organică ce se scufundă din zona însorită de lângă suprafață.
Materia organică este compusă, de exemplu, din resturile de alge și animale moarte, precum și din excrementele acestora. În cele mai adânci zone ale oceanului, la o adâncime mai mică de aproximativ 2000 până la 3000 de metri, doar o cantitate foarte mică de resturi organice ajunge pe fundul apei, deoarece majoritatea sunt descompuse de alte organisme în drumul lor în jos prin coloana de apă. Ca regulă generală, se poate spune că doar aproximativ 1 % din materialul organic produs la suprafață ajunge de fapt în adâncuri. Cu cât fundul mării este mai adânc, cu atât mai puțină materie organică se depune pe fund. Prin urmare, hidrații de metan apar în principal pe pantele continentale, acele zone în care plăcile continentale se întâlnesc cu regiunile de mare adâncime. Aici există suficientă materie organică care se acumulează pe fundul apei, iar combinația de temperatură și presiune este favorabilă. În regiunile foarte reci, cum ar fi Arctica, hidrații de metan apar chiar și pe platoul continental de mică adâncime (mai puțin de 200 de metri adâncime a apei) sau pe uscat, în permafrost, solul arctic înghețat care nu se dezgheață nici măcar în timpul verii. 2.17 > Hidrații de metan apar în toate oceanele, precum și pe uscat. Punctele verzi arată prezențe în regiunile nordice de permafrost. Întâlnirile identificate prin metode geofizice sunt indicate cu roșu. Prezențele indicate cu puncte albastre au fost verificate prin eșantionare directă.

Se estimează că ar putea exista mai mult combustibil fosil potențial conținut în hidrații de metan decât în rezervele clasice de cărbune, petrol și gaze naturale. În funcție de modelul matematic utilizat, calculele actuale privind abundența lor variază între 100 și 530.000 de gigatone de carbon. Valorile cuprinse între 1000 și 5000 de gigatone sunt cele mai probabile. Adică de aproximativ 100 până la 500 de ori mai mult carbon decât cel eliberat anual în atmosferă prin arderea cărbunelui, petrolului și gazelor naturale. Posibila lor excavare viitoare ar produce, probabil, doar o parte din această cantitate sub formă de combustibil utilizabil real, deoarece multe depozite sunt inaccesibile, sau producția ar fi prea scumpă sau ar necesita prea mult efort. Chiar și așa, India, Japonia, Coreea și alte țări sunt angajate în prezent în dezvoltarea de tehnici de exploatare minieră pentru a putea utiliza în viitor hidrații de metan ca sursă de energie (capitolul 7).2.18 > În hidrați, gazul (bila mare) este închis într-o cușcă formată din molecule de apă. Oamenii de știință numesc acest tip de aranjament molecular un clatrat.

Hidrații de metan și încălzirea globală

Considerând că hidrații de metan se formează numai în condiții foarte specifice, este de conceput că încălzirea globală, care de fapt include încălzirea oceanelor, ar putea afecta stabilitatea hidraților de gaz. Există indicii în istoria Pământului care sugerează că schimbările climatice din trecut ar fi putut duce la destabilizarea hidraților de metan și, prin urmare, la eliberarea de metan. Aceste indicii – inclusiv măsurătorile conținutului de metan în carote de gheață, de exemplu – sunt încă controversate. Cu toate acestea, oricum ar fi, problema este de mare actualitate și prezintă un interes deosebit pentru oamenii de știință preocupați de predicția posibilelor efecte ale unei creșteri a temperaturii asupra depozitelor actuale de hidrați de metan.
Metanul este un gaz cu efect de seră puternic, de aproximativ 20 de ori mai eficient pe moleculă decât dioxidul de carbon. O eliberare crescută din ocean în atmosferă ar putea intensifica și mai mult efectul de seră. Prin urmare, sunt necesare de urgență investigații privind stabilitatea hidraților de metan în funcție de fluctuațiile de temperatură, precum și privind comportamentul metanului după ce este eliberat.

2.19 > Hidrații de gaz apar atunci când o cantitate suficientă de metan este produsă prin degradarea materiei organice în fundul mării în condiții de temperatură scăzută și presiune ridicată. Aceste condiții apar cu precădere pe marginile continentale. Cu cât apa este mai caldă, cu atât adâncimea apei trebuie să fie mai mare pentru a forma hidrații. Cu toate acestea, în adâncul fundului mării, temperatura este prea ridicată pentru formarea hidraților de metan din cauza căldurii interne a Pământului.

OxidareMulte bacterii folosesc metanul pentru a-și furniza energie pentru metabolismul lor. Ele preiau metanul și îl transformă chimic. În acest proces, metanul eliberează electroni și este astfel oxidat. Unele bacterii descompun metanul cu ajutorul oxigenului. Aceasta se numește oxidare aerobă. Alte bacterii nu au nevoie de oxigen. Acest tip de oxidare se numește anaerobă.

Se folosesc diverse metode pentru a prezice evoluția viitoare. Printre acestea se numără, în special, modelarea matematică. Modelele computerizate calculează mai întâi cantitatea ipotetică de hidrați de metan din fundul mării folosind date de bază (conținut organic, presiune, temperatură). Apoi, computerul simulează încălzirea apei mării, de exemplu, cu 3 sau 5 grade Celsius la 100 de ani. În acest fel, este posibil să se determine modul în care se va comporta hidratul de metan în diferite regiuni. Calculele privind depozitele de hidrat de metan pot fi apoi cuplate cu modele matematice complexe ale climei și ale oceanelor. Cu ajutorul acestor modele computerizate ne putem face o idee generală despre cât de puternic se vor descompune hidrații de metan în diferite scenarii de creștere a temperaturii. În prezent, se presupune că, în cel mai rău caz, cu o încălzire constantă a oceanului de 3 grade Celsius, aproximativ 85% din metanul prins în fundul mării ar putea fi eliberat în coloana de apă.
Alte modele, mai sensibile, prevăd că hidrații de metan de la mari adâncimi ale apei nu sunt amenințați de încălzire. Conform acestor modele, doar hidrații de metan care se află direct la limitele zonelor de stabilitate ar fi afectați în primul rând. În aceste locuri, o creștere a temperaturii de numai 1 grad Celsius ar fi suficientă pentru a elibera cantități mari de metan din hidrați. Ar fi afectate în principal hidrații de metan din largul oceanului, la aproximativ 500 de metri adâncime, și depozitele din regiunile puțin adânci ale Arcticii.
În cursul încălzirii Pământului, se așteaptă, de asemenea, ca nivelul mării să crească din cauza topirii calotelor polare și a ghețarilor. Acest lucru duce în mod inevitabil la o presiune mai mare pe fundul mării. Cu toate acestea, creșterea presiunii nu ar fi suficientă pentru a contracara efectul creșterii temperaturii de dizolvare a hidraților de metan. Conform celor mai recente calcule, o creștere a nivelului mării cu zece metri ar putea încetini dizolvarea hidraților de metan cauzată de o încălzire de un grad Celsius doar cu câteva decenii.
O mare varietate de modele matematice sunt folosite pentru a prezice consecințele încălzirii globale. Rezultatele simulărilor sunt, de asemenea, foarte variabile. Prin urmare, este dificil să se evalueze cu precizie consecințele încălzirii globale pentru depozitele de hidrați de gaz, nu în ultimul rând din cauza diferențelor mari în calculele privind dimensiunea depozitelor actuale de hidrați de gaz. Un obiectiv major al cercetărilor actuale privind hidrații de gaz este optimizarea acestor modele prin utilizarea unor parametri de intrare din ce în ce mai preciși. Pentru a realiza acest lucru, sunt esențiale măsurători, expediții, foraje și analize suplimentare.

Informații suplimentareBacteriile transformă metanul

Ce se întâmplă atunci când hidrații de metan se topesc?

Nu tot metanul eliberat de hidrații instabili de metan ajunge în atmosferă. Cea mai mare parte este probabil să se descompună în timpul ascensiunii sale prin sedimente și în coloana de apă. Această descompunere este mediată de două procese biologice:

• oxidarea anaerobă a metanului de către bacterii și archaea (numite anterior archaebacterii) în interiorul fundului mării;
• oxidarea anaerobă a metanului de către bacteriile din coloana de apă.

În timpul oxidării anaerobe a metanului în sediment, microbii folosesc pentru descompunerea metanului sulfatul (SO42-), sarea acidului sulfuric care este prezentă în cantități mari în apa de mare. În acest proces, metanul este transformat în bicarbonat (HCO3-). Dacă bicarbonatul reacționează în continuare cu ionii de calciu (Ca2+) din apa de mare, se precipită carbonatul de calciu (CaCO3), care rămâne depozitat în fundul mării pentru perioade lungi de timp. Aceasta ar fi situația ideală, deoarece ar face ca puternicul gaz cu efect de seră, metanul (CH4), să devină inofensiv. În același timp, din sulfat se produce hidrogen sulfurat (H2S), care furnizează energie comunităților chimiosintetice, inclusiv scoicilor simbiotice și viermilor tubari. Cu toate acestea, în timpul oxidării aerobe din coloana de apă, bacteriile descompun metanul cu ajutorul oxigenului (O2). În acest proces, se produce dioxid de carbon, care se dizolvă în apă. Dioxidul de carbon contribuie la acidificarea oceanelor. În plus, oxidarea aerobă a metanului consumă oxigen. Scăderea oxigenului din coloana de apă ar putea crea sau extinde zonele de minim de oxigen din ocean, care reprezintă o amenințare pentru pești și alte organisme sensibile. Estimări aproximative sugerează că, în prezent, oxidarea anaerobă și aerobă a metanului transformă împreună aproximativ 90 % din metanul produs în fundul mării înainte ca acesta să ajungă în atmosferă. Cu cât metanul migrează mai încet prin fundul mării sau prin coloana de apă, cu atât mai eficient sunt microbii în transformarea lui. O condiție prealabilă pentru acest tip de degradare este ca moleculele de metan să fie dizolvate în apă. Metanul poate fi degradat de bacterii numai în această formă. În cazul în care metanul este eliberat rapid din hidrați, acesta ar putea să se ridice sub formă de bule de gaz care nu sunt accesibile microorganismelor. Astfel, filtrul microbian de metan ar eșua, cel puțin parțial, dacă hidrații de metan se descompun foarte rapid și se eliberează deodată cantități mari de metan.

Există, de asemenea, o problemă la adâncimi mici de apă, unde bulele de metan nu se pot dizolva complet în apă pe distanța scurtă de la fundul mării până în atmosferă. Pentru a înțelege mai bine astfel de procese și pentru a putea face predicții cu privire la funcțiile filtrelor microbiene, cercetătorii investighează în prezent sursele naturale de metan de pe fundul mării, așa-numitele scurgeri reci, care eliberează în mod constant cantități mai mari de metan. Printre acestea se numără depozitele de hidrați de gaz din apropierea suprafeței, vulcanii de noroi și scurgeri de gaze naturale din regiunile marine de mică adâncime. Aceste scurgeri reprezintă un fel de model natural în care poate fi studiat comportamentul metanului în ocean. Dacă înțelegem cum reacționează natura la aceste scurgeri de metan de pe fundul mării, ne va ajuta să estimăm consecințele unor eliberări mai mari de metan din hidrații de gaz. Datele obținute la scurgeri de metan ar trebui, de asemenea, să contribuie la îmbunătățirea preciziei simulărilor matematice ale hidratului de metan. 2.20 > Cantități mari de hidrat de metan sunt stocate nu numai în fundul mării, ci și pe uscat, în special în solul de permafrost perpetuu înghețat din tundra rusă, cum ar fi aici, în republica rusă Komi. Oamenii de știință sunt îngrijorați de faptul că solurile de permafrost s-ar putea topi din cauza încălzirii globale și astfel ar putea elibera hidrații de metan.Dispariția hidraților de metan

ar putea avea consecințe fatale. Hidrații de gaz acționează ca un ciment care umple porii dintre particulele fine de sedimente și stabilizează fundul mării. În cazul în care hidrații de metan se descompun, stabilitatea fundului mării este redusă din cauza lipsei cimentului și a posibilei generări a unei presiuni excesive a porilor. În cel mai rău caz, părți mari de margini continentale cedează. Alunecările de teren submarine rezultate ar putea provoca tsunami grave.
Mișcări masive de masă au avut loc în timpul ultimei ere glaciare și a deglacierii care a urmat. Probabil că declanșatorul nu a fost întotdeauna încălzirea atmosferei, ci și contrariul. Deoarece cantități mari de apă au fost stocate în gheață în timpul ultimei ere glaciare, nivelul mării a fost cu aproximativ 120 de metri mai jos decât este în prezent. În special în regiunile oceanice de mică adâncime, presiunea apei era atât de scăzută încât cantități masive de hidrat de metan ar fi putut fi destabilizate. Dovezile directe ale unor astfel de cedări de versanți cauzate de hidrații de gaz în descompunere nu au fost încă găsite. Cu toate acestea, există unele indicii care sugerează un proces în trecut. Semnele de scurgere a fluidelor se găsesc aproape întotdeauna în apropierea cedărilor de versanți. Este posibil ca aceste pante să fi fost destabilizate de gazele eliberate de hidrații de gaz și lichidele în descompunere. Cu toate acestea, cercetătorii văd, de asemenea, cu siguranță, posibilitatea unei relații inverse: este posibil ca ruperea pantelor și reducerea rezultată a presiunii asupra sedimentelor subiacente să fi provocat disocierea hidraților de metan la marginile continentale, eliberând astfel cantități mari de gaz liber. Prăbușirile ar fi fost mai degrabă cauza decât rezultatul scăpării gazului. Aceste incertitudini evidențiază necesitatea unor cercetări suplimentare. Cu toate acestea, este destul de sigur că dispariția hidraților de metan ar putea duce la probleme grave.

Emisiile de metan din Arctica – un obiectiv principal al viitoarelor cercetări privind hidrații de gaz

În domeniul cercetării emisiilor de metan în prezent, Arctica este una dintre cele mai importante regiuni la nivel mondial. Se crede că metanul se găsește acolo atât sub formă de hidrat de gaz în mare, cât și sub formă de gaz liber prins în permafrostul înghețat la mare adâncime. Depozitele de metan din permafrost și hidrați sunt considerate a fi foarte sensibile în regiunile expansive de mică adâncime, deoarece, având în vedere presiunile relativ scăzute, ar fi nevoie doar de o mică schimbare de temperatură pentru a elibera cantități mari de metan. În plus, se produce continuu metan nou, deoarece regiunile arctice sunt bogate în materie organică, care este descompusă de microbii din sedimente. Activitatea acestor microbi și, prin urmare, ratele biologice de eliberare a metanului sunt, de asemenea, stimulate de creșterile de temperatură. Prin urmare, emisiile de metan în Arctica au surse multiple. În prezent, sunt create consorții științifice internaționale care implică cercetători din diferite discipline – chimiști, biologi, geologi, geofizicieni, meteorologi – care abordează intensiv această problemă. Nimeni nu poate spune încă cu certitudine cum va evolua eliberarea de metan în Arctica odată cu încălzirea globală, fie în ocean, fie pe uscat. Această cercetare se află încă în fază incipientă.