Free Press

Hur metan hamnar i havet

Människor har förbränt kol, olja och naturgas i mer än hundra år. Metanhydrater har däremot först nyligen blivit föremål för kontroversiell diskussion som en potentiell framtida energikälla från havet

. De utgör en ny och helt outnyttjad reservoar av fossila bränslen, eftersom de, som namnet antyder, innehåller enorma mängder metan, som är huvudbeståndsdelen i naturgas. Metanhydrater tillhör en grupp ämnen som kallas klatrater – ämnen där en molekyltyp bildar en kristallliknande burstruktur och omsluter en annan molekyltyp. Om den burbildande molekylen är vatten kallas det för ett hydrat. Om den molekyl som är instängd i vattenburen är en gas är det en gashydrat, i detta fall metanhydrat.
Metanhydrater kan endast bildas under mycket specifika fysiska, kemiska och geologiska förhållanden. Högt vattentryck och låga temperaturer ger de bästa förutsättningarna för metanhydratbildning

. Om vattnet är varmt måste dock vattentrycket vara mycket högt för att vattenmolekylen ska kunna pressas in i en klatratbur. I detta fall bildas hydratet endast på stora djup. Om vattnet är mycket kallt kan metanhydraterna tänkas bildas på mindre djup eller till och med vid atmosfärstryck. I det öppna havet, där den genomsnittliga temperaturen i bottenvattnet är cirka 2-4 grader Celsius, uppstår metanhydrater från och med ett djup på cirka 500 meter. 2.16 > Metanhydrat ser ut som en isbit när den tas upp från havsbotten. Den här klumpen hämtades under en expedition till ”hydratryggen” utanför Oregons kust i USA.Överraskande nog finns det ingen metanhydrat i de djupaste havsregionerna, de områden med högst tryck, eftersom det finns mycket lite metan tillgängligt här. Orsaken till detta är att metan i havet produceras av mikrober i havsbottnen som bryter ner organiskt material som sjunker ner från den solbelysta zonen nära ytan.
Organiskt material består till exempel av resterna av döda alger och djur samt deras avföring. I de djupaste delarna av havet, under cirka 2 000-3 000 meter, når endast en mycket liten mängd organiska rester ner till botten eftersom de flesta av dem bryts ner av andra organismer på sin väg ner genom vattenpelaren. Som en tumregel kan man säga att endast cirka 1 procent av det organiska material som produceras vid ytan faktiskt hamnar i djuphavet. Ju djupare havsbotten är, desto mindre organiskt material lägger sig på botten. Metanhydrater förekommer därför främst på kontinentalsluttningarna, de områden där kontinentalplattorna möter djuphavsregionerna. Här finns det tillräckligt med organiskt material som ackumuleras på botten och kombinationen av temperatur och tryck är gynnsam. I mycket kalla områden som Arktis förekommer metanhydrater till och med på den grunda kontinentalsockeln (mindre än 200 meters vattendjup) eller på land i permafrosten, den djupfrusna arktiska jorden som inte ens tinar på sommaren. 2.17 > Metanhydrater förekommer i alla hav samt på land. De gröna prickarna visar förekomsten i de nordliga permafrostområdena. Förekomster som identifierats med geofysiska metoder anges med rött. De förekomster som visas med blå punkter har verifierats genom direkt provtagning.

Det uppskattas att det kan finnas mer potentiellt fossilt bränsle i metanhydraterna än i de klassiska kol-, olje- och naturgasreserverna. Beroende på vilken matematisk modell som används varierar nuvarande beräkningar av deras förekomst mellan 100 och 530 000 gigaton kol. Värden mellan 1 000 och 5 000 gigaton är mest sannolika. Det är ungefär 100 till 500 gånger så mycket kol som årligen släpps ut i atmosfären genom förbränning av kol, olja och gas. En eventuell framtida utgrävning skulle förmodligen bara producera en del av detta som faktiskt användbart bränsle, eftersom många fyndigheter är otillgängliga, eller så skulle produktionen bli för dyr eller kräva för mycket ansträngning. Trots detta arbetar Indien, Japan, Korea och andra länder för närvarande med att utveckla brytningsteknik för att i framtiden kunna använda metanhydrater som energikälla (kapitel 7).2.18 > I hydrater är gasen (den stora bollen) innesluten i en bur som bildas av vattenmolekyler. Forskare kallar den här typen av molekylära arrangemang för ett klatrat.

Metanhydrater och global uppvärmning

Med tanke på att metanhydrater endast bildas under mycket specifika förhållanden är det tänkbart att den globala uppvärmningen, som i själva verket innefattar uppvärmning av haven, skulle kunna påverka gashydraternas stabilitet. Det finns indikationer i jordens historia som tyder på att klimatförändringar i det förflutna kan ha lett till destabilisering av metanhydrater och därmed till utsläpp av metan. Dessa indikationer – inklusive mätningar av metanhalten i exempelvis iskärnor – är fortfarande kontroversiella. Men hur som helst är frågan högst aktuell och av särskilt intresse för forskare som ägnar sig åt att förutsäga de möjliga effekterna av en temperaturökning på de nuvarande fyndigheterna av metanhydrater.
Metan är en potent växthusgas, cirka 20 gånger effektivare per molekyl än koldioxid. Ett ökat utsläpp från havet till atmosfären skulle kunna förstärka växthuseffekten ytterligare. Det finns därför ett brådskande behov av undersökningar av metanhydraternas stabilitet i förhållande till temperatursvängningar, liksom av metanens beteende efter det att det frigjorts.

2.19 > Gashydrater uppstår när tillräckligt mycket metan produceras genom nedbrytning av organiskt material i havsbotten vid låg temperatur och högt tryck. Dessa förhållanden förekommer främst på kontinentalsidorna. Ju varmare vattnet är, desto större måste vattendjupet vara för att hydraten ska kunna bildas. Djupt inne i havsbottnen är temperaturen dock för hög för att metanhydrater ska kunna bildas på grund av jordens inre värme.

OxidationMånga bakterier använder metan för att ge energi till sin ämnesomsättning. De tar upp metan och omvandlar det kemiskt. I denna process frigör metanet elektroner och oxideras därmed. Vissa bakterier bryter ner metanet med hjälp av syre. Detta kallas aerob oxidation. Andra bakterier behöver inte syre. Denna typ av oxidation kallas anaerob.

Olika metoder används för att förutsäga den framtida utvecklingen. Till dessa hör framför allt matematisk modellering. Datormodeller beräknar först den hypotetiska mängden metanhydrater i havsbottnen med hjälp av bakgrundsdata (organiskt innehåll, tryck, temperatur). Därefter simulerar datorn havsvattnets uppvärmning, till exempel med 3 eller 5 grader Celsius per 100 år. På detta sätt kan man fastställa hur metanhydraterna kommer att bete sig i olika regioner. Beräkningar av metanhydratavlagringar kan sedan kopplas till komplexa matematiska klimat- och havsmodeller. Med hjälp av dessa datormodeller får vi en allmän uppfattning om hur starkt metanhydraterna skulle brytas ned under de olika scenarierna för temperaturökning. I dag antar man att i värsta fall, med en stadig uppvärmning av havet på 3 grader Celsius, skulle cirka 85 procent av den metan som är instängd i havsbottnen kunna frigöras i vattenpelaren.
Andra, mer känsliga modeller förutspår att metanhydrater på stora vattendjup inte hotas av uppvärmningen. Enligt dessa modeller skulle endast de metanhydrater som ligger direkt vid stabilitetszonernas gränser påverkas i första hand. På dessa platser skulle en temperaturökning på endast 1 grad Celsius vara tillräcklig för att frigöra stora mängder metan från hydraterna. Metanhydraterna i det öppna havet på cirka 500 meters vattendjup och avlagringar i de grunda områdena i Arktis skulle främst påverkas.
I samband med jordens uppvärmning förväntas också havsnivån stiga på grund av att polarisarna och glaciärisen smälter. Detta leder oundvikligen till ett större tryck på havsbotten. Det ökade trycket skulle dock inte vara tillräckligt för att motverka effekten av den ökande temperaturen för att lösa upp metanhydraterna. Enligt de senaste beräkningarna skulle en havsnivåhöjning på tio meter kunna bromsa upplösningen av metanhydraterna som orsakas av en uppvärmning på en grad Celsius endast med några decennier.
En mängd olika matematiska modeller används för att förutsäga konsekvenserna av den globala uppvärmningen. Resultaten av simuleringarna är likaså mycket varierande. Det är därför svårt att exakt utvärdera konsekvenserna av den globala uppvärmningen för gashydratförekomsterna, inte minst på grund av de stora skillnaderna i beräkningarna av storleken på dagens gashydratförekomster. Ett viktigt mål för den nuvarande gashydratforskningen är att optimera dessa modeller genom att använda allt mer exakta ingångsparametrar. För att uppnå detta krävs ytterligare mätningar, expeditioner, borrningar och analyser.

Extra infoBakterier omvandlar metan

Vad händer när metanhydrater smälter?

Inte all metan som frigörs från instabila metanhydrater hamnar i atmosfären. Den största delen bryts sannolikt ner under sin uppgång genom sedimenten och i vattenpelaren. Denna nedbrytning förmedlas av två biologiska processer:

• anaerob oxidation av metan av bakterier och arkéer (tidigare kallade arkebakterier) i havsbotten;
• aerob oxidation av metan av bakterier i vattenpelaren.

Under den anaeroba oxidationen av metan i sedimentet använder mikroberna sulfat (SO42-), saltet av svavelsyra som finns i stora mängder i havsvatten, för nedbrytningen av metan. I denna process omvandlas metan till bikarbonat (HCO3-). Om bikarbonaten vidare reagerar med kalciumjoner (Ca2+) i havsvattnet bildas kalciumkarbonat (CaCO3) som lagras i havsbottnen under långa perioder. Detta skulle vara den ideala situationen, eftersom det skulle göra den potenta växthusgasen metan (CH4) ofarlig. Samtidigt produceras vätesulfid (H2S) från sulfatet, vilket ger energi till kemosyntetiska samhällen, inklusive symbiotiska musslor och tubmaskar. Vid aerob oxidation i vattenpelaren bryter dock bakterier ner metan med hjälp av syre (O2). I denna process bildas koldioxid som löses upp i vattnet. Koldioxid bidrar till försurning av haven. Dessutom förbrukar aerob oxidation av metan syre. Syrebristen i vattenpelaren kan skapa eller utvidga syreminimala zoner i havet, vilket är ett hot mot fiskar och andra känsliga organismer. Grova uppskattningar tyder på att anaerob och aerob oxidation av metan tillsammans för närvarande omvandlar cirka 90 procent av den metan som produceras på havsbotten innan den når atmosfären. Ju långsammare metan vandrar genom havsbottnen eller genom vattenpelaren, desto effektivare är mikroberna när det gäller att omvandla det. En förutsättning för denna typ av nedbrytning är att metanmolekylerna är lösta i vatten. Metan kan endast brytas ned av bakterierna i denna form. Om metanet frigörs snabbt från hydraterna kan det stiga upp i form av gasbubblor som inte är tillgängliga för mikroorganismerna. Det mikrobiella metanfiltret skulle alltså misslyckas, åtminstone delvis, om metanhydraterna bryts ned mycket snabbt och stora mängder metan frigörs på en gång.
Det finns också ett problem på grunda vattendjup, där metanbubblorna inte kan lösas upp helt i vattnet under den korta sträckan från havsbotten till atmosfären. För att bättre förstå sådana processer och för att kunna göra förutsägelser om de mikrobiella filtrens funktioner undersöker forskarna för närvarande naturliga metankällor på havsbotten, så kallade kalla sippor, som ständigt släpper ut större mängder metan. Dessa inkluderar gashydratavlagringar nära ytan, lervulkaner och naturliga gasläckage i grunda havsområden. Dessa sippror är ett slags naturlig modell där metanens beteende i havet kan studeras. Om vi förstår hur naturen reagerar på dessa metanutsläpp på havsbotten kommer det att hjälpa oss att uppskatta konsekvenserna av större metanutsläpp från gashydrater. De uppgifter som erhålls vid metanutsläppen bör också bidra till att förbättra precisionen i matematiska simuleringar av metanhydrater. 2.20 > Stora mängder metanhydrater lagras inte bara i havsbottnen utan även på land, särskilt i den ryska tundrans evigt frusna permafrostbotten, som här i den ryska republiken Komi. Forskarna är oroliga för att permafrostjordarna kan smälta på grund av den globala uppvärmningen och därmed frigöra metanhydraterna.

Metanhydraternas försvinnande

kan få ödesdigra konsekvenser. Gashydrater fungerar som ett cement som fyller porerna mellan de fina sedimentpartiklarna och stabiliserar havsbotten. Om metanhydraterna sönderdelas minskar havsbottens stabilitet på grund av det saknade cementet och den möjliga genereringen av ett överdrivet poraltryck. I värsta fall kan stora delar av kontinentala marginaler brytas samman. De undervattensjordskred som uppstår kan orsaka allvarliga tsunamis.
Massiva massrörelser inträffade under den senaste istiden och den efterföljande deglaciationen. Den utlösande faktorn var förmodligen inte alltid en uppvärmning av atmosfären, utan även det motsatta. Eftersom stora mängder vatten lagrades i isen under den senaste istiden var havsnivån cirka 120 meter lägre än i dag. Särskilt i de grunda havsområdena var vattentrycket så lågt att enorma mängder metanhydrat kunde ha destabiliserats. Direkta bevis för sådana släntbrott orsakade av sönderfallande gashydrater har ännu inte hittats. Det finns dock vissa indikationer som tyder på en process i det förflutna. Tecken på sipprande vätskor finns nästan alltid i närheten av släntbrott. Dessa sluttningar destabiliserades möjligen av gaser som frigjordes av sönderfallande gashydrater och vätskor. Forskarna ser dock även möjligheten av ett omvänt förhållande: det är tänkbart att släntbrott och den därav följande minskningen av trycket på underliggande sediment orsakade upplösningen av metanhydrater vid kontinentalmarginalerna och därmed frigjorde stora mängder fri gas. Slamningarna skulle då ha varit orsaken snarare än resultatet av gasutflödet. Dessa osäkerheter understryker behovet av ytterligare forskning. Det är dock ganska säkert att metanhydraternas försvinnande skulle kunna leda till allvarliga problem.

Metanutsläpp från Arktis – ett huvudfokus för framtida forskning om gashydrater

I dagens forskning om metanutsläpp är Arktis en av de viktigaste regionerna i världen. Man tror att metan förekommer där både i form av gashydrater i havet och som fri gas som är instängd i den djupfrysta permafrosten. Metanavlagringar i permafrost och hydrater anses vara mycket känsliga i de expansiva områdena med grunt skrov, eftersom det med det relativt låga trycket bara skulle krävas en liten temperaturförändring för att frigöra stora mängder metan. Dessutom produceras ständigt ny metan eftersom de arktiska områdena är rika på organiskt material som bryts ner av mikrober i sedimenten. Aktiviteten hos dessa mikrober och därmed den biologiska frisättningen av metan stimuleras också av temperaturhöjningar. Metanutsläppen i Arktis har därför flera olika källor. Internationella vetenskapliga konsortier håller nu på att bildas med forskare från olika discipliner – kemister, biologer, geologer, geofysiker och meteorologer – som intensivt arbetar med detta problem. Ingen kan ännu med säkerhet säga hur metanutsläppen i Arktis kommer att utvecklas i takt med den globala uppvärmningen, vare sig i havet eller på land. Denna forskning är fortfarande i sin linda.