Hydraty metanu

Większość osób pytanych o hydraty (klatraty) metanu robi wielkie oczy - co to w ogóle jest? Kto widział hydraty metanu? Faktycznie, nie bardzo jest gdzie je oglądać. Hydraty metanu to krystaliczna forma wody i metanu - cząsteczki metanu są uwięzione w "klatkach" z cząsteczek wody. Hydraty wyglądają jak lód, a w dotyku mają konsystencję styropianu. Są też łatwopalne, a ze względu na ich olbrzymie zasoby zastanawiano się nawet nad wykorzystaniem ich jako źródła energii.

Hydraty metanu

Rys. Hydraty metanu - "Płonący lód". Wyzwalany przez ciepło metan zapala się, produktem spalania jest woda. W lewym górnym rogu struktura "klatki" z cząsteczek wody wiążących cząsteczkę metanu.

Hydraty metanu są stabilne w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury. I dlatego mało kto je widział - ich pokłady są zgromadzone w stokach oceanicznych, a w większości przypadków przykryte warstwą osadów.

Hydraty metanu

Rys. Zdjęcie głębinowych hydratów metanu

Hydraty metanu są stabilne w temperaturze do +18°C pod wysokim ciśnieniem, panującym na głębokości 1500 metrów W temperaturze +2°C do zachowania stabilności wystarcza już znacznie mniejsze ciśnienie, takie jakie występuje na głębokości 300 metrów. Hydraty metanu w osadach oceanicznych sięgają do pewnej głębokości po dnem oceanicznym - głębiej temperatura wzrasta, uniemożliwiając ich istnienie. 

Występowanie hydratów metanu

Rys. Lokalizacja zlokalizowanych pokładów hydratów metanu. Źródło: wikipedia

Metan, wchodzący w skład hydratów, produkowany jest przez bakterie w procesie fermentacji beztlenowej, a ich pokłady gromadziły się przez dziesiątki milionów lat. Szacunki ilości metanu w złożach (zarówno w formie hydratów, jak i znajdującymi się pod nimi bąbli metanowych) są bardzo przybliżone i wahają się w przedziale 2000-10000 miliardów ton. Warto zaznaczyć, że 1 m3 hydratów metanu po rozłożeniu na wodę i metan da 0.8 m3 wody i 170 m3 metanu.

Co by się stało, gdyby temperatura wzrosła? Będące w stanie stabilności (nasycenia) pokłady hydratów metanu pod wpływem rosnącej temperatury mogą stać się niestabilne. Szczególnie dotyczy to płytko położonych złóż Arktycznych, gdzie wzrost temperatury może następować relatywnie szybko (przez co większość naukowców rozumie czas rzędu 100-1000 lat) .

Stabilność hydratów metanu

Rys. Stabilność pokładów hydratów metanu. Cztery biegnące od górnej do dolnej krawędzi krzywe pokazują zależność temperatury od głębokości dla różnych szerokości geograficznych. Uwagę zwracają niskie temperatury na małych głębokościach w rejonach polarnych. Gruby czarny łuk biegnący od lewego górnego rogu w dół, to granica stabilności hydratów metanu - są one stabilne z lewej strony krzywej. Przykładowe obszary stabilności hydratów metanu pokazują czarne trójkąty. Począwszy od dna oceanicznego w głąb ziemi, temperatura wzrasta, aż osiąga poziom, za którym metan nie może już istnieć w postaci hydratów (choć może istnieć w formie gazowej). Niskie temperatury w rejonach biegunowych zapewniają możliwość istnienia złóż hydratów nawet na niewielkich głębokościach

Pokłady hydratów metanu mogą się formować i istnieć niezależnie od tego, czy temperatura Ziemi jest wyższa czy niższa o kilka stopni. Znaczenie mają przede wszystkim długoterminowe zmiany temperatury Ziemi, które wpływają na zmianę temperatury pod dnem oceanicznym. Zauważmy, że przez dziesiątki milionów lat temperatura planety ochładzała się (Zmiany klimatu w przeszłości Ziemi pl), tworząc bardzo dobre warunki dla narastania hydratów. 

Złoża zaczną się destabilizować wraz ze wzrostem temperatury. Z początku zjawisko to powinno zachodzić powoli - wydzielający się metan będzie trafiał do oceanu. Metan jest gazem cieplarnianym ponad 20 razy silniejszym od dwutlenku węgla (w horyzoncie 100 lat, dla 20 lat ponad 60 razy silniejszym - wynika to z relatywnie krótkiego czasu życia metanu w atmosferze), więc jego obecność w atmosferze nakręciłaby spiralę efektu cieplarnianego.
Metan jednak nie opuści oceanu od razu.. Wydzielający się gaz zacznie odtleniać wodę w reakcji CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. W utlenianiu metanu będą też uczestniczyć bakterie wykorzystujące metan jako źródło energii - obecnie pochłaniają one 90% metanu, który wyzwala się z pokładów hydratów. Nasilenie się emisji metanu z dna oceanicznego będzie jednak oznaczać odtlenianie głębin oceanicznych, co z kolei będzie sprzyjać rozwojowi bakterii siarkowych i prowadzić do odtworzenia warunków charakterystycznych dla epizodów Wielkich Wymierań pl .

wyzwalający się z dna metan

Rys. Wyzwalający się z dna metan

Kiedy już wzrośnie temperatura przy dnie oceanicznym złoża zaczną się ogrzewać w dość szybkim tempie. Badania dna oceanicznego w rejonach zajmowanych przez hydraty pokazują, że nie jest to monolit, lecz jest w nim dużo pęknięć i szczelin. Przyspieszają one penetrację temperatury w głąb złoża, ułatwiają też ulatnianie się metanu.

Pęknięcia w dnie oceanicznym w obszarze złóż hydratów.

Rys. Pęknięcia w dnie oceanicznym w obszarze złóż hydratów.

Kiedy proces ucieczki metanu zacznie się nasilać, zmniejszenie ciśnienia gazu w złożu może spowodować jego gwałtowną destabilizację. W takiej sytuacji metan nie mógłby być wychwycony w wodzie, lecz dotarłby do atmosfery.

Jak dużo metanu może się wyzwolić w takiej sytuacji? Szacuje się, że przy wzroście temperatury planety o 3-5°C może nastąpić wyzwolenie 1000-4000 miliardów ton metanu. To ilość, która po dostaniu się do atmosfery, mogłaby podnieść temperaturę Ziemi o kolejnych 5-7 stopni. W przypadku szybkiego wyzwolenia się dużego złoża do atmosfery mogłoby trafić jednorazowo kilka miliardów ton metanu. 

Dodatkowym efektem wyzwolenia się bąbla metanu byłoby powstanie wywołanych przez osunięcie fal tsunami. Jeszcze 6000 lat p.n.e. rozpad złóż hydratów metanu doprowadził do przesunięcia się w Morza Norweskim skał ze stoku kontynentalnego o objętości ocenianej na 5300 km3 o 800 km, co wywołało potężną falę, której, efekty są do dziś zauważalne na północy Anglii. Zagrożone są między innymi Bahamy, które od wschodu opadają stokiem 5000 m w głąb oceanu i klatraty są w ich wypadku utrzymującym je spoiwem.

Trzeba jednak przyznać, że nawet tsunami nie jest tak przerażające jak inne zdarzenia, towarzyszące destabilizacji złoża . Metan jest lżejszy od powietrza, jednak wymieszany z kroplami wody ma większą gęstość i gromadzi się przy powierzchni. Po wymieszaniu z powietrzem, przy stężeniu 5-15% metan tworzy mieszaninę wybuchową (podobnie, jak w bombie paliwowo-powietrznej). Zapłon wyzwolonego metanu wyzwoliłby energię równą eksplozji o mocy 100 gigaton, czyli 1000 razy większej od największych bomb wodorowych (o mocy 100 megaton), tyle, że bez opadu promieniotwórczego. Aby narobić kłopotów na skalę kontynentalną, wystarczyłoby nawet wielokrotnie mniejsze złoże.

Naukowcy uważają, że wyzwolenie się hydratów metanu było istotnym elementem szeregu tzw. Wielkich Wymierań w historii Ziemi. Jednocześnie rozważa się wykorzystanie tych złóż jako alternatywnego paliwa pl , którego zasoby prawdopodobnie są większe od całości paliw kopalnych.

Przeczytaj więcej o hydratach metanu ang .

Mówi się, że do życia potrzebna jest woda. Mówi się również, że do życia potrzebny jest tlen. Co się stanie, gdy tlenu zabraknie w wodzie? Przeczytaj o zagrożeniu odtleniania oceanów i zagładzie życia wodnego w artykule odtlenienie oceanów i zagłada życia .

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto