Ny undersøgelse viser, hvordan metan bryder gennem iskolde barrierer på havbunden

Metan, hovedbestanddelen af ​​naturgas, er den reneste afbrænding af alle fossile brændstoffer, men når det udsendes til atmosfæren, er det en meget kraftigere drivhusgas end kuldioxid. Efter nogle skøn, havbundsmetan indeholdt i frosne formationer langs de kontinentale marginer kan svare til eller overstige den samlede mængde kul olie, og gas i alle andre reservoirer verden over. Endnu, måden metan undslipper fra disse dybe formationer er dårligt forstået.

I særdeleshed, videnskabsmænd er blevet stillet over for et puslespil. Observationer på steder rundt om i verden har vist kraftige søjler af metangas, der bobler op fra disse formationer nogle steder, alligevel skulle det høje tryk og den lave temperatur i disse dybhavsmiljøer skabe et solidt frosset lag, der forventes at fungere som en slags endesten, forhindrer gas i at slippe ud. Så hvordan kommer gassen ud?

En ny undersøgelse hjælper med at forklare, hvordan og hvorfor søjler af gas kan strømme ud af disse formationer, kendt som methanhydrater. Ved at bruge en kombination af dybhavsobservationer, laboratorieforsøg, og computermodellering, forskere har fundet fænomener, der forklarer og forudsiger, hvordan gassen løsner sig fra det iskolde greb af en frossen blanding af vand og metan. Resultaterne rapporteres i dag i tidsskriftet PNAS , i et papir af Xiaojing (Ruby) Fu SM '15, Ph.D. '17, nu ved University of California i Berkeley; professor Ruben Juanes ved MIT; og fem andre i Schweiz, Spanien, Ny mexico, og Californien.

Overraskende nok, ikke alene forhindrer den frosne hydratdannelse med at forhindre metangas i at undslippe ind i oceansøjlen, men i nogle tilfælde letter det faktisk den flugt.

Tidligt, Fu så fotos og videoer, der viser vaner af metan, taget fra et NOAA-forskningsskib i den Mexicanske Golf, afslører processen med bobledannelse lige ved havbunden. Det var tydeligt, at boblerne ofte dannede sig med en frossen skorpe omkring dem, og ville flyde opad med deres iskolde skaller som små heliumballoner.

Senere, Fu brugte sonar til at opdage lignende boblefaner fra et forskningsskib ud for Virginias kyst. "Alene dette krydstogt opdagede tusindvis af disse faner, " siger Fu, der ledede forskningsprojektet, mens han var kandidatstuderende og postdoc på MIT. "Vi kunne følge disse metanbobler indkapslet af hydratskaller ind i vandsøjlen, " siger hun. "Det var, da vi først vidste, at hydratdannelse på disse gasgrænseflader kan være en meget almindelig hændelse."

Men præcis, hvad der foregik under havbunden for at udløse frigivelsen af ​​disse bobler, forblev ukendt. Gennem en række laboratorieeksperimenter og simuleringer, mekanismerne på arbejde blev gradvist tydelige.

Seismiske undersøgelser af havbundens undergrund i disse udluftningsområder viser en række relativt smalle kanaler, eller skorstene, hvorigennem gassen slipper ud. Men tilstedeværelsen af ​​klumper af gashydrat fra de samme formationer gjorde det klart, at det faste hydrat og den gasformige metan kunne eksistere side om side, Fu forklarer. For at simulere forholdene i laboratoriet, forskerne brugte et lille todimensionelt setup, at klemme en gasboble i et lag vand mellem to glasplader under højt tryk.

Mens en gas forsøger at stige op gennem havbunden, Fu siger, hvis det danner et hydratlag, når det rammer det kolde havvand, der burde blokere dens fremskridt:"Den løber ind i en mur. Så hvordan ville den mur ikke forhindre den i kontinuerlig migration?" Ved at bruge de mikrofluidiske eksperimenter, de fandt et hidtil ukendt fænomen på arbejdet, som de døbte crustal fingering.

Hvis gasboblen begynder at udvide sig, "Det, vi så, er, at udvidelsen af ​​gassen var i stand til at skabe nok tryk til i det væsentlige at sprænge hydratskallen. Og det er næsten som om den klækker ud af sin egen skal, " siger Fu. Men i stedet for at hver brud fryser tilbage med det reformerende hydrat, hydratdannelsen foregår langs siderne af den stigende boble, skabe et slags rør rundt om boblen, når den bevæger sig opad. "Det er næsten som om gasboblen er i stand til at mejse sin egen vej, og den vej er omgivet af det faste hydrat, " siger hun. Dette fænomen observerede de i lille skala i laboratoriet, deres analyse tyder på, er også, hvad der også ville ske i meget større skala i havbunden.

Den observation, hun sagde, "var virkelig første gang, vi har været opmærksomme på et fænomen som dette, der kunne forklare, hvordan hydratdannelse ikke vil hæmme gasstrømmen, men snarere i dette tilfælde, det ville lette det, " ved at give en kanal og dirigere strømmen. Uden den fokusering, strømmen af ​​gas ville være meget mere diffus og spredt ud.

Når skorpen af ​​hydrat dannes, det bremser dannelsen af ​​mere hydrat, fordi det danner en barriere mellem gassen og havvandet. Metanen under barrieren kan derfor forblive ufrosset, gasform i lang tid. Kombinationen af ​​disse to fænomener – fokuseringseffekten af ​​de hydratvæggede kanaler og adskillelsen af ​​metangassen fra vandet ved hjælp af et hydratlag – "går langt hen imod at forklare, hvorfor du kan få noget af denne kraftige udluftning, takket være hydratdannelsen, i stedet for at blive forhindret af det, siger Juanes.

En bedre forståelse af processen kunne hjælpe med at forudsige, hvor og hvornår sådanne metanudsivninger vil blive fundet, og hvordan ændringer i miljøforhold kan påvirke fordelingen og produktionen af ​​disse siver. Mens der har været forslag om, at et opvarmende klima kunne øge hastigheden af ​​sådan udluftning, Fu siger, at der er få beviser for det indtil videre. Hun bemærker, at temperaturer i de dybder, hvor disse formationer forekommer - 600 meter (1, 900 fod) dyb eller mere - forventes at opleve en mindre temperaturstigning, end det ville være nødvendigt for at udløse en udbredt frigivelse af den frosne gas.

Nogle forskere har foreslået, at disse enorme undersøiske metanformationer en dag kan blive udnyttet til energiproduktion. Selvom der ville være store tekniske hindringer for sådan brug, Juanes siger, disse resultater kan hjælpe med at vurdere mulighederne.

"Problemet med, hvordan gas kan bevæge sig gennem hydratstabilitetszonen, hvor vi ville forvente, at gassen blev immobiliseret ved at blive omdannet til hydrat, og i stedet flygte ved havbunden, er stadig ikke helt forstået, " siger Hugh Daigle, en lektor i petroleums- og geosystemteknik ved University of Texas i Austin, som ikke var tilknyttet denne forskning. "Dette arbejde præsenterer en sandsynlig ny mekanisme, der sandsynligt kunne tillade denne proces at forekomme, og integrerer fint tidligere laboratorieobservationer med modellering i større skala."

"I praktisk forstand, arbejdet her tager et fænomen i lille skala og giver os mulighed for at bruge det i en model, der kun tager højde for større skalaer, og vil være meget nyttig til implementering i fremtidigt arbejde, " siger Daigle.