Modellering af sandsynligheden for metanhydrataflejringer på havbunden

Metanhydrat, et islignende materiale lavet af komprimeret naturgas, brænder, når den er tændt, og kan findes i nogle områder af havbunden og i arktisk permafrost.

Menes at være verdens største kilde til naturgas, metanhydrat er en potentiel brændstofkilde, og hvis det 'smelter' og metangas frigives til atmosfæren, det er en potent drivhusgas. Af disse grunde, at vide, hvor metanhydrat kan være placeret, og hvor meget er der sandsynligt, er vigtigt.

Et team af forskere fra Sandia National Laboratories og U.S. Naval Research Laboratory har udviklet et nyt system til at modellere sandsynligheden for at finde methanhydrat og metangas, der blev testet i en region på havbunden ud for North Carolinas kyst.

Mens metanhydrataflejringer er blevet fundet på en række forskellige steder, der er betydelige ubekendte med hensyn til, hvor meget metanhydrat der findes på havbunden og hvor. Det er udfordrende at indsamle prøver fra havbunden for at finde metanhydrataflejringer. Det er her Sandias computermodelleringsekspertise kommer ind.

"Dette er første gang nogen har været i stand til at nærme sig metanhydratfordelingen på samme måde, som vi nærmer os vejrudsigten, " sagde Jennifer Frederick, en beregningsgeoforsker og ledende forsker på projektet. "Når du hører en vejrudsigt med en 60 % chance for to tommer regn, du forventer ikke nødvendigvis præcis to tommer. Du forstår, at der er usikkerhed i den prognose, men det er stadig ret brugbart. De fleste steder på havbunden har vi ikke nok information til at give et præcist svar, men vi mangler stadig at vide noget om metan og dets fordeling. Ved at bruge en sandsynlighedstilgang, svarende til moderne vejrudsigter, vi kan give nyttige svar."

Det nye system kombinerer Sandias mangeårige ekspertise inden for probabilistisk modellering med maskinlæringsalgoritmer fra Naval Research Laboratory. Systemet blev testet og forfinet ved at modellere området omkring Blake Ridge, en bakke på havbunden 90 til 230 miles sydøst for North Carolina's Outer Banks med kendte aflejringer af methanhydrat og metangas.

Holdet delte deres model for Blake Ridge og sammenlignede den med tidligere empiriske data i et papir offentliggjort den 14. marts i det videnskabelige tidsskrift Geokemi, Geofysik, Geosystemer .

'Forecasting' metan ved at kombinere usikkerhedsmodellering med maskinlæring

Naval Research Laboratory's Global Predictive Seafloor Model giver stedspecifikke detaljer om havbundens egenskaber, såsom temperatur, overordnet kulstofkoncentration og tryk. Hvis der mangler data for en bestemt region, Naval Research Laboratorys model bruger avancerede maskinlæringsalgoritmer til at estimere den manglende værdi baseret på information om et andet område, der kan være geografisk fjernt, men ens geologisk.

Forskerholdet importerede data fra Naval Research Laboratorys model til Sandia-software, der specialiserer sig i statistisk prøveudtagning og analyse, kaldet Dakota. Brug af Dakota, de bestemte den mest sandsynlige værdi for indflydelsesrige havbundsegenskaber, samt den naturlige variation for værdierne. Derefter, på en statistisk måde, de indsatte en værdi fra dette forventede interval for hver ejendom i PFLOTRAN, en anden software vedligeholdt og udviklet hos Sandia. PFLOTRAN modellerer, hvordan kemikalier reagerer, og materialer bevæger sig under jorden eller under havbunden. Holdet udførte tusindvis af metanproduktionssimuleringer af Blake Ridge-regionen. Al software involveret i systemet er open source og vil være tilgængelig for andre oceanografiske forskere at bruge.

"En af de største ting, vi fandt, er, at der næsten ikke er nogen dannelse af metanhydrater, der er lavere end 500 meter, hvilket kan forventes givet den temperatur og det tryk, der er nødvendigt for at danne methanhydrat, " sagde William Eymold, en postdoc ved Sandia og primær forfatter til papiret. Fast methanhydrat er kendt for at dannes ved lav temperatur, højtryksmiljøer, hvor molekyler af metan er fanget i velorganiserede vandmolekyler.

Holdet fandt også metangas dannet tættere på kysten. De var i stand til at sammenligne deres model med metanhydratværdier beregnet af tidligere undersøgelser og prøver indsamlet for et par årtier siden af ​​National Science Foundations Ocean Drilling Program, han sagde. For eksempel, metanhydrat blev påvist i en havbundsprøve indsamlet fra et hul boret på Blake Ridge kaldet Site 997.

"Det faktum, at vi forudsagde metanhydratdannelse i lignende mængder som tidligere undersøgelser og observationer viste virkelig, at systemet ser ud til at fungere ret godt, og vi vil være i stand til at anvende det på andre geografiske steder, der kan have færre data, " sagde Eymold.

Betydningen af ​​metan for flåden og næste skridt

Placeringen af ​​metanhydrataflejringer og metangas nær havbunden er vigtig for flåden.

"At forstå, hvordan lyd interagerer med havbunden, er virkelig vigtigt for enhver form for flådeoperation, " sagde Frederick. "Metangas påvirker akustikken dramatisk. Selvom kun 1 % eller 2 % af porerummet i havbundens sediment er fyldt med en gasboble, lydens hastighed falder hundrede gange, eller mere. Dette er en meget stor effekt, og hvis du ikke redegør ordentligt for det, så får du ikke præcis akustik."

Frederick sammenlignede en ubåd ved hjælp af sonar med det tidlige arkadespil Breakout, hvor en spiller flytter en pagaj vandret for at holde en bold hoppende for at ødelægge en mur af mursten. I denne analogi, havbunden fungerer som "pagajen" til at reflektere eller bryde lydbølger, eller "bolden, " for at få et fuldstændigt overblik over forhindringer i havet. Hvis pagajen begyndte at hoppe bolden anderledes – eller holdt fast i bolden i forskellige længder af gange – afhængigt af hvor pagajen var placeret, spillet ville blive langt mere udfordrende.

Indtil nu, holdet har brugt deres system til at skabe modeller af en region i Norskehavet mellem Grønland og Norge og det lave vand i det arktiske hav ud for Alaskas nordskråning, to områder af interesse for søværnet.

Frederick har også arbejdet sammen med et stort hold af internationale eksperter for at vurdere mængden af ​​metan og kuldioxid, der er lagret i den lavvandede arktiske havbund, og hvor følsomme disse aflejringer ville være over for stigende temperaturer.

Holdet har også skabt en meget grovere model af hele kloden og er begyndt at se på Midt-Atlanten, hvor metangas blev set boble ud af havbunden for nogle år siden.

"Det bliver interessant at se, om vores model er i stand til at forudsige disse områder af metan, der siver ned på havbunden, " sagde Frederick. "Vi vil gerne se, om vi kan forudsige fordelingen af ​​disse methanudsivninger, og om de er i overensstemmelse med de termodynamiske egenskaber af methan-hydratstabilitet. Når du ser et sive, det betyder, at der er meget gas under havbunden. Det vil i høj grad påvirke, hvordan lyd bevæger sig gennem havbunden, og dermed sonar. Også, disse forekomster kunne være en kilde til naturgas til energiproduktion, vil påvirke havets økologi og næringsstofkredsløb, og hvis den gas når atmosfæren, det vil få konsekvenser for klimaændringer."