Клатрат метана (CH 4 ·5,75H 2 O) или (8CH 4 ·46H 2 O), также называемый гидратом метана , гидрометаном , метановым льдом , огненным льдом , гидратом природного газа или гидратом газа , представляет собой твердое клатратное соединение (точнее , клатратный гидрат ), в котором большое количество метана задерживается внутри кристаллической структуры воды, образуя твердое вещество, похожее на лед . [1] [2] [3] [4] [5] [6] Первоначально считалось, что он встречается только во внешних регионах Солнечной системы , где температуры низкие и часто встречается водяной лед, но были обнаружены значительные отложения клатрата метана. под отложениями на океанском дне Земли . [7] Гидрат метана образуется при контакте воды с водородными связями и газообразного метана при высоких давлениях и низких температурах в океанах.
Клатраты метана являются обычными компонентами мелководной морской геосферы , встречаются в глубоких осадочных структурах и образуют обнажения на дне океана. Считается, что гидраты метана образуются в результате осаждения или кристаллизации метана, мигрирующего из глубин по геологическим разломам . Осадки происходят, когда метан вступает в контакт с водой на морском дне в зависимости от температуры и давления. В 2008 году исследования антарктической станции Восток и ледяных кернов EPICA Dome C показали, что клатраты метана также присутствовали в глубоких антарктических ледяных кернах и фиксируют историю концентраций метана в атмосфере , датируемую 800 000 лет назад. [8] Записи клатрата метана в ледяных ядрах являются основным источником данных для исследований глобального потепления , наряду с кислородом и углекислым газом.
Клатраты метана раньше рассматривались как потенциальный источник резкого изменения климата , следуя гипотезе клатратной пушки . В этом сценарии нагрев вызывает катастрофическое таяние и разрушение преимущественно подводных гидратов, что приводит к массовому выбросу метана и ускорению потепления. Текущие исследования показывают, что гидраты очень медленно реагируют на потепление и что метану после диссоциации очень трудно достичь атмосферы. [9] [10] Вместо этого некоторые активные просачивания действуют как незначительные поглотители углерода , потому что, поскольку большая часть метана растворяется под водой и способствует развитию сообществ метанотрофов , территория вокруг просачивания также становится более подходящей для фитопланктона . [11] В результате гидраты метана больше не считаются одним из переломных моментов в климатической системе , и, согласно шестому оценочному докладу МГЭИК , никакого «обнаружимого» воздействия на глобальные температуры в этом столетии через этот механизм не произойдет. [12] Спустя несколько тысячелетий все еще можно наблюдать более существенную реакцию на 0,4–0,5 °C (0,72–0,90 °F). [13]
Гидраты метана были открыты в России в 1960-х годах, а исследования по добыче из них газа начались в начале XXI века. [14]
Номинальный состав гидрата клатрата метана составляет (CH 4 ) 4 (H 2 O) 23 , или 1 моль метана на каждые 5,75 моль воды, что соответствует 13,4% метана по массе, хотя фактический состав зависит от количества молекул метана. вписываются в различные клеточные конструкции водной решетки . Наблюдаемая плотность составляет около 0,9 г/см 3 , что означает, что гидрат метана будет всплывать на поверхность моря или озера, если только он не закрепится на месте, образовавшись в отложениях или закрепившись на них. [15] Таким образом, один литр полностью насыщенного твердого клатрата метана будет содержать около 120 граммов метана (или около 169 литров газообразного метана при 0 ° C и 1 атм), [nb 1] или один кубический метр клатрата метана выделяет около 160 кубометров газа. [14]
Метан образует гидрат «структуры I» с двумя додекаэдрическими (12 вершин, то есть 12 молекул воды) и шестью тетрадекаэдрическими (14 молекул воды) водными клетками на элементарную ячейку. (Из-за совместного использования молекул воды между клетками на элементарную ячейку приходится только 46 молекул воды.) Это сопоставимо с числом гидратации метана в водном растворе, равным 20. [16] MAS-ЯМР- спектр клатрата метана , записанный при 275 К и 3,1 МПа , показывает пик для каждого типа клетки и отдельный пик для газовой фазы метана. [ нужна цитата ] В 2003 году был синтезирован интеркалят глины и гидрата метана, в котором комплекс гидрата метана был введен в промежуточный слой богатой натрием монтмориллонитовой глины. Верхняя температурная стабильность этой фазы аналогична стабильности гидрата структуры I. [17]
Клатраты метана ограничены мелкой литосферой (т.е. глубиной менее 2000 м). Кроме того, необходимые условия имеются либо в континентальных осадочных породах полярных регионов, где средние температуры поверхности менее 0 °С; или в океанических отложениях на глубине более 300 м, где температура придонной воды составляет около 2 °C. Кроме того, газогидраты могут содержаться и в глубоких пресноводных озерах, например, в пресноводном озере Байкал в Сибири. [18] Континентальные месторождения были расположены в Сибири и на Аляске в пластах песчаника и алевролита на глубине менее 800 м. Океанические отложения, по-видимому, широко распространены на континентальном шельфе (см. рис.) и могут встречаться в отложениях на глубине или вблизи границы раздела осадочных пород и воды . Они могут покрыть даже более крупные месторождения газообразного метана. [19]
Гидрат метана может встречаться в различных формах: массивный, рассеянный в поровых пространствах, конкрециях, жилах/трещинах/разломах и слоистых горизонтах. [20] Как правило, он оказывается нестабильным при стандартных условиях давления и температуры, и из 1 м 3 гидрата метана при диссоциации получается около 164 м 3 метана и 0,87 м 3 пресной воды. [21] [22] [23] Существует два различных типа океанических отложений. В наиболее распространенном преобладает (>99%) метан , содержащийся в клатрате структуры I и обычно находящийся на глубине в осадке. Здесь метан изотопно легкий ( δ 13 C < −60‰), что указывает на то, что он образуется в результате микробного восстановления CO 2 . Считается, что клатраты в этих глубоких отложениях образовались in situ из метана, произведенного микробами, поскольку значения δ 13 C клатрата и окружающего растворенного метана аналогичны. [19] Однако также считается, что пресная вода, используемая для повышения давления в нефтяных и газовых скважинах в вечной мерзлоте и на континентальных шельфах по всему миру, соединяется с природным метаном, образуя клатрат на глубине и под давлением, поскольку гидраты метана более стабильны в пресной воде, чем в соленой. . [2] Локальные вариации могут быть широко распространены, поскольку процесс образования гидрата, который извлекает чистую воду из соленых пластовых вод, часто может приводить к локальному и потенциально значительному увеличению солености пластовой воды. Гидраты обычно исключают соль из поровой жидкости, из которой они образуются. Таким образом, они, как и лед, обладают высоким удельным электрическим сопротивлением, а отложения, содержащие гидраты, имеют более высокое удельное сопротивление, чем отложения без газовых гидратов (Джадж [67]). [24] : 9
Эти месторождения расположены в зоне средней глубины мощностью около 300–500 м в осадках ( зона стабильности газовых гидратов , или ЗГСГ), где они сосуществуют с метаном, растворенным в пресных, а не соленых поровых водах. Выше этой зоны метан присутствует только в растворенной форме в концентрациях, уменьшающихся по направлению к поверхности отложений. Ниже него метан находится в газообразном состоянии. В Блейк-Ридж на атлантическом континентальном поднятии GHSZ началась на глубине 190 м и продолжалась до 450 м, где достигла равновесия с газовой фазой. Измерения показали, что метан занимал 0-9% по объему в ЗГСЗ и ~12% в газовой зоне. [25] [26]
В менее распространенном втором типе, обнаруженном у поверхности отложений, некоторые образцы имеют более высокую долю углеводородов с более длинной цепью (<99% метана), содержащихся в клатрате структуры II. Углерод из этого типа клатрата изотопно тяжелее ( δ 13 C составляет от -29 до -57 ‰) и, как полагают, мигрировал вверх из глубоких отложений, где метан образовался в результате термического разложения органического вещества . Примеры месторождений этого типа были обнаружены в Мексиканском заливе и Каспийском море . [19]
Некоторые отложения имеют характеристики, промежуточные между типами микробного и термического происхождения, и считаются образовавшимися из смеси этих двух типов.
Метан в газовых гидратах вырабатывается преимущественно микробными консорциумами, разлагающими органическое вещество в средах с низким содержанием кислорода, а сам метан вырабатывается метаногенными архей . Органическое вещество в верхних нескольких сантиметрах отложений сначала подвергается атаке аэробных бактерий, образующих CO 2 , который уходит из отложений в толщу воды . Ниже этой области аэробной активности берут верх анаэробные процессы, включающие последовательно с глубиной микробное восстановление нитритов/нитратов, оксидов металлов, а затем сульфаты восстанавливаются до сульфидов . Наконец, метаногенез становится доминирующим путем реминерализации органического углерода .
Если скорость седиментации низкая (около 1 см/год), содержание органического углерода низкое (около 1%) и много кислорода, аэробные бактерии могут израсходовать все органическое вещество в отложениях быстрее, чем истощается кислород, поэтому Акцепторы электронов с более низкой энергией не используются. Но там, где скорость седиментации и содержание органического углерода высоки, что обычно имеет место на континентальных шельфах и под западными пограничными зонами апвеллинга течений, поровая вода в отложениях становится бескислородной на глубинах всего несколько сантиметров или меньше. В таких богатых органикой морских отложениях сульфат становится наиболее важным терминальным акцептором электронов из-за его высокой концентрации в морской воде . Однако и оно истощено глубиной от сантиметров до метров. Ниже этого уровня образуется метан. Производство метана представляет собой довольно сложный процесс, требующий сильно восстановительной среды (Eh от -350 до -450 мВ) и pH от 6 до 8, а также сложных синтрофных консорциумов различных разновидностей архей и бактерий. Однако на самом деле метан выделяют только археи.
В некоторых регионах (например, Мексиканский залив, бассейн Джоэцу) метан в клатратах может, по крайней мере частично, образовываться в результате термического разложения органических веществ (например, при производстве нефти), при этом нефть даже образует экзотический компонент внутри самого гидрата, который можно извлечь при гидрат диссоциирует. [27] [28] [ нужна ссылка ] Метан в клатратах обычно имеет биогенную изотопную характеристику и сильно варьирует δ 13 C (от -40 до -100 ‰), с приблизительным средним значением около -65 ‰. [29] [ нужна ссылка ] [30] [31] [32] Ниже зоны твердых клатратов большие объемы метана могут образовывать пузырьки свободного газа в отложениях. [25] [33] [34]
Присутствие клатратов на данном участке часто можно определить путем наблюдения за «отражателем, имитирующим дно» (BSR), который представляет собой сейсмическое отражение на границе зоны устойчивости отложений и клатратов, вызванное неравной плотностью нормальных отложений и отложений с примесью клатраты.
Газогидратные пинго были обнаружены в Северном Ледовитом океане Баренцева моря. Метан пузырится из этих куполообразных структур, причем некоторые из этих газовых факелов простираются близко к поверхности моря. [35]
Размер океанического резервуара клатрата метана плохо известен, и оценки его размера уменьшались примерно на порядок за десятилетие с тех пор, как впервые было признано, что клатраты могут существовать в океанах в 1960-х и 1970-х годах. [36] Самые высокие оценки (например, 3 × 1018 м 3 ) [37] основывались на предположении, что полностью плотные клатраты могут засорять все дно глубокого океана. Улучшение нашего понимания клатратной химии и седиментологии показало, что гидраты образуются только в узком диапазоне глубин ( континентальные шельфы ), только в некоторых местах в диапазоне глубин, где они могут встречаться (10-30% зоны стабильности газовых гидратов). ) и обычно обнаруживаются в низких концентрациях (0,9–1,5% по объему) в тех местах, где они встречаются. Недавние оценки, ограниченные прямым отбором проб, предполагают, что глобальный запас занимает от 1 × 10 15 до 5 × 10 15 кубических метров (от 0,24 до 1,2 миллиона кубических миль). [36] Эта оценка, соответствующая 500–2500 гигатоннам углерода (Гт C), меньше, чем 5000 Гт C, оцененная для всех других запасов геоорганического топлива, но существенно больше, чем ~ 230 Гт C, оцененная для других источников природного газа. [36] [38] Резервуар вечной мерзлоты оценивается примерно в 400 Гт C в Арктике, [39] [ нужна ссылка ] , но никаких оценок возможных антарктических резервуаров сделано не было. Это большие суммы. Для сравнения, общее количество углерода в атмосфере составляет около 800 гигатонн (см. «Углерод: появление »).
Эти современные оценки заметно меньше, чем 10 000–11 000 Гт C (2 × 1016 м 3 ), предложенный [40] предыдущими исследователями как повод считать клатраты геоорганическим топливным ресурсом (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). Более низкая распространенность клатратов не исключает их экономического потенциала, но меньший общий объем и, по-видимому, низкая концентрация на большинстве участков [36] действительно позволяют предположить, что только ограниченный процент месторождений клатратов может обеспечить экономически жизнеспособный ресурс.
Клатраты метана в континентальных породах залегают в пластах песчаника или алевролита на глубинах менее 800 м. Отбор проб показал, что они образовались из смеси газа, полученного термическим и микробным путем, из которого позже были избирательно удалены более тяжелые углеводороды. Они встречаются на Аляске , в Сибири и Северной Канаде .
В 2008 году канадские и японские исследователи добыли постоянный поток природного газа в ходе испытательного проекта на газогидратном участке Маллик в дельте реки Маккензи . Это было второе подобное бурение на Маллике: первое состоялось в 2002 году и для выделения метана использовалось тепло. В эксперименте 2008 года исследователям удалось добыть газ путем снижения давления без нагрева, что потребовало значительно меньше энергии. [41] Месторождение газогидратов Маллик было впервые открыто компанией Imperial Oil в 1971–1972 годах. [42]
Экономические месторождения гидратов называются гидратами природного газа (NGH) и содержат 164 м 3 метана, 0,8 м 3 воды в 1 м 3 гидрата. [43] Большая часть NGH находится под морским дном (95%), где он существует в термодинамическом равновесии. По состоянию на 2013 год осадочный резервуар гидрата метана, вероятно, содержит в 2–10 раз больше известных в настоящее время запасов обычного природного газа[обновлять] . [44] Это представляет собой потенциально важный будущий источник углеводородного топлива . Однако в большинстве мест месторождения считаются слишком рассредоточенными для экономической добычи. [36] Другими проблемами, с которыми сталкивается коммерческая эксплуатация, являются обнаружение жизнеспособных запасов и разработка технологии добычи метана из залежей гидратов.
В августе 2006 года Китай объявил о планах потратить 800 миллионов юаней (100 миллионов долларов США) в течение следующих 10 лет на изучение гидратов природного газа. [45] Потенциально экономические запасы в Мексиканском заливе могут содержать около 100 миллиардов кубических метров (3,5 × 10 12 кубических футов) газа. [36] Бьорн Квамме и Арне Грау из Физико-технологического института Бергенского университета разработали метод введения CO 2 в гидраты и обращения процесса вспять; тем самым извлекая CH 4 путем прямого обмена. [46] Метод Бергенского университета проходит полевые испытания компанией ConocoPhillips и государственной японской национальной корпорацией нефти, газа и металлов (JOGMEC) и частично финансируется Министерством энергетики США. Проект уже достиг фазы внедрения и к 12 марта 2012 г. анализировал полученные данные. [47]
12 марта 2013 года исследователи JOGMEC объявили, что им удалось успешно извлечь природный газ из замороженного гидрата метана. [48] Для добычи газа было использовано специальное оборудование для бурения и разгерметизации залежей гидратов, в результате чего метан отделился от льда. Затем газ был собран и отправлен по трубе на поверхность, где его подожгли, чтобы доказать его присутствие. [49] По словам представителя отрасли, «это [был] первый в мире морской эксперимент по производству газа из гидрата метана». [48] Раньше газ добывался из месторождений на суше, но никогда из морских месторождений, которые встречаются гораздо чаще. [49] Месторождение гидратов, из которого был добыт газ, расположено в 50 километрах (31 милях) от центральной Японии в Нанкайском желобе , на глубине 300 метров (980 футов) под водой. [48] [49] Представитель JOGMEC отметил, что «Япония, наконец, может иметь источник энергии, который можно назвать своим собственным». [49] Морской геолог Микио Сато заметил: «Теперь мы знаем, что добыча возможна. Следующий шаг – посмотреть, насколько Япония сможет снизить затраты, чтобы сделать технологию экономически жизнеспособной». [49] По оценкам Японии, в Нанкайском желобе содержится не менее 1,1 триллиона кубических метров метана, чего достаточно для удовлетворения потребностей страны на протяжении более десяти лет. [49]
И Япония, и Китай объявили в мае 2017 года о прорыве в добыче клатратов метана, когда они извлекли метан из гидратов в Южно-Китайском море . [14] Китай назвал этот результат прорывом; Правин Линга с факультета химической и биомолекулярной инженерии Национального университета Сингапура согласился: «По сравнению с результатами японских исследований, китайским ученым удалось извлечь гораздо больше газа». [50] Промышленный консенсус заключается в том, что до промышленного производства еще далеко. [51]
Эксперты предупреждают, что воздействие на окружающую среду все еще изучается и что метан — парниковый газ, потенциал глобального потепления которого примерно в 25 раз превышает потенциал глобального потепления за 100-летний период (ПГП100), чем углекислый газ — потенциально может улетучиться в атмосферу, если что-то пойдет не так. [52] Кроме того, хотя сжигание природного газа чище, чем уголь, оно также приводит к выбросам углекислого газа. [53] [54] [55]
Клатраты (гидраты) метана также обычно образуются в ходе операций по добыче природного газа, когда жидкая вода конденсируется в присутствии метана под высоким давлением. Известно, что более крупные молекулы углеводородов, такие как этан и пропан, также могут образовывать гидраты, хотя более длинные молекулы (бутаны, пентаны) не могут вписаться в структуру водной клетки и имеют тенденцию дестабилизировать образование гидратов.
Образовавшиеся гидраты могут блокировать трубопроводы и технологическое оборудование. Затем их обычно удаляют путем снижения давления, нагревания или растворения химическими средствами (обычно используется метанол). Необходимо позаботиться о том, чтобы удаление гидратов тщательно контролировалось, поскольку существует вероятность того, что гидрат претерпит фазовый переход из твердого гидрата с выделением воды и газообразного метана с высокой скоростью при снижении давления. Быстрое выделение метана в закрытой системе может привести к быстрому увеличению давления. [15]
Обычно предпочтительно предотвращать образование или блокирование оборудования гидратами. Обычно этого достигают удалением воды или добавлением этиленгликоля (МЭГ) или метанола , которые снижают температуру образования гидратов. В последние годы были разработаны другие формы ингибиторов гидратов, такие как кинетические ингибиторы гидратов (увеличивают необходимое переохлаждение, необходимое для образования гидратов, за счет увеличения скорости образования гидратов) и антиагломераты, которые не предотвращают образование гидратов. образуются гидраты, но не допускайте их слипания и блокировки оборудования.
При бурении нефтегазоносных пластов, погруженных на большую глубину, пластовый газ может поступать в ствол скважины и образовывать газовые гидраты из-за низких температур и высоких давлений, возникающих при глубоководном бурении. Газовые гидраты могут затем течь вверх вместе с буровым раствором или другими сбрасываемыми жидкостями. При подъеме гидратов давление в затрубном пространстве снижается и гидраты диссоциируют на газ и воду. Быстрое расширение газа выбрасывает жидкость из скважины, еще больше снижая давление, что приводит к усилению диссоциации гидрата и дальнейшему выбросу жидкости. Возникающее в результате резкое изгнание жидкости из кольцевого пространства является одной из потенциальных причин или факторов, способствующих «удару». [56] (Выбросы, которые могут вызвать выбросы, обычно не связаны с гидратами: см. «Выброс: выброс пласта »).
К мерам, снижающим риск образования гидратов, относятся:
На достаточной глубине комплексы метана непосредственно с водой образуют гидраты метана, как это наблюдалось во время разлива нефти Deepwater Horizon в 2010 году. Инженеры BP разработали и развернули подводную систему сбора нефти над разливом нефти из глубоководной нефтяной скважины на высоте 5000 футов (1500 м). ниже уровня моря для улавливания вытекающей нефти. Это включало установку 125-тонного (276 000 фунтов) купола над самой большой из утечек скважины и подачу его по трубопроводу в резервуар для хранения на поверхности. [57] Этот вариант потенциально мог собрать около 85% вытекающей нефти, но ранее не тестировался на таких глубинах. [57] Компания BP развернула систему 7–8 мая, но она потерпела неудачу из-за накопления клатрата метана внутри купола; при его низкой плотности (около 0,9 г/см 3 ) гидраты метана накапливались в куполе, придавая плавучесть и затрудняя течение. [58]
Большинство месторождений клатрата метана находятся в отложениях, слишком глубоких, чтобы быстро отреагировать, [61] , а моделирование Арчера в 2007 году предполагает, что вызванное ими воздействие метана должно оставаться второстепенным компонентом общего парникового эффекта . [62] Клатратные отложения дестабилизируются в самой глубокой части зоны стабильности , которая обычно находится на сотни метров ниже морского дна. Устойчивое повышение температуры моря в конечном итоге проложит путь через отложения и приведет к тому, что самый мелкий, самый маргинальный клатрат начнет разрушаться; но обычно требуется порядка тысячи лет или больше, чтобы изменение температуры дошло так далеко до морского дна. [62] Кроме того, последующие исследования месторождений средних широт в Атлантическом и Тихом океане показали, что любой метан, высвобождаемый с морского дна, независимо от источника, не может достичь атмосферы, как только глубина превышает 430 м (1411 футов), в то время как геологические характеристики эта территория делает невозможным существование гидратов на глубинах менее 550 м (1804 фута). [63] [64]
Однако некоторые месторождения клатрата метана в Арктике гораздо мельче остальных, что может сделать их гораздо более уязвимыми к потеплению. Месторождение захваченного газа на континентальном склоне у берегов Канады в море Бофорта , расположенное в районе небольших конических холмов на дне океана, всего на 290 м (951 фут) ниже уровня моря, считается самым мелким из известных месторождений гидрата метана. [65] Однако глубина восточно-сибирского арктического шельфа составляет в среднем 45 метров, и предполагается, что ниже морского дна, закрытого подводными слоями вечной мерзлоты, расположены залежи гидратов. [66] [67] Это будет означать, что, когда потепление потенциально таликов или пинго -подобных объектов на шельфе, они также будут служить путями миграции газа для ранее замороженного метана, и этой возможности уделялось много внимания. [68] [69] [70] Шахова и др. (2008) подсчитали, что не менее 1400 гигатонн углерода в настоящее время заключено в виде метана и гидратов метана под арктической подводной вечной мерзлотой, и 5–10% этой площади подвержено проколам открытыми таликами. В их документе первоначально содержалась строка о том, что «высвобождение до 50 гигатонн прогнозируемого количества гидратов [вполне] возможно при резком высвобождении в любое время». Выброс такого масштаба увеличил бы содержание метана в атмосфере планеты в двенадцать раз, [71] [72] что эквивалентно парниковому эффекту удвоению уровня CO 2 в 2008 году .
Именно это привело к появлению первоначальной гипотезы о клатратной пушке, а в 2008 году Национальная лабораторная система Министерства энергетики США [73] и Научная программа по изменению климата Геологической службы США определили потенциальную клатратную дестабилизацию в Арктике как одну из четырех наиболее серьезных проблем. сценарии резкого изменения климата, которые были выделены для приоритетных исследований. В конце декабря 2008 года USCCSP опубликовал отчет, оценивающий серьезность этого риска. [74] Исследование эффектов исходной гипотезы, проведенное в 2012 году на основе модели сопряженного климата и углеродного цикла ( GCM ), выявило 1000-кратное (от <1 до 1000 ppmv) увеличение содержания метана — в пределах одного импульса — из гидратов метана. (на основе оценок количества углерода для PETM, составляющего ~ 2000 ГтС), и пришел к выводу, что это повысит температуру атмосферы более чем на 6 ° C в течение 80 лет. Кроме того, содержание углерода в наземной биосфере уменьшится менее чем на 25%, что указывает на критическую ситуацию для экосистем и сельского хозяйства, особенно в тропиках. [75] Другая оценка литературы, проведенная в 2012 году, определяет гидраты метана на шельфе восточно-арктических морей как потенциальный триггер. [76]
Также учитывался риск того, что сейсмическая активность может стать потенциальной причиной массовых выбросов метана. В 2012 году сейсмические наблюдения, дестабилизирующие гидрат метана вдоль континентального склона восточной части Соединенных Штатов после вторжения более теплых океанских течений, позволяют предположить, что подводные оползни могут выделять метан. Предполагаемое количество гидрата метана на этом склоне составляет 2,5 гигатонны (около 0,2% от количества, необходимого для возникновения PETM ) , и неясно, может ли метан достичь атмосферы. Однако авторы исследования предупреждают: «Маловероятно, что западная окраина Северной Атлантики — единственная область, испытывающая изменяющиеся океанские течения; наша оценка в 2,5 гигатонны дестабилизирующего гидрата метана может, таким образом, представлять собой лишь часть гидрата метана, который в настоящее время дестабилизируется во всем мире». ." [77] Билл Макгуайр отмечает: «Может возникнуть угроза подводных оползней вокруг окраин Гренландии , которые менее хорошо изучены. Гренландия уже поднимается, уменьшая давление на земную кору, а также на подводные гидраты метана в отложениях вокруг. Это может привести к землетрясению или дестабилизации подводных отложений гидратом метана, что приведет к образованию подводных оползней и, возможно, цунами. в Северной Атлантике». [78]Исследования, проведенные в 2008 году в Сибирской Арктике, показали выбросы метана в миллионах тонн в год, что значительно превышает предыдущую оценку в 0,5 миллиона тонн в год. [80], по-видимому, через перфорации в вечной мерзлоте морского дна, [70] при этом концентрации в некоторых регионах достигают 100-кратного нормального уровня. [81] [82] Избыток метана был обнаружен в локализованных горячих точках в устье реки Лена и на границе между морем Лаптевых и Восточно-Сибирским морем . В то время считалось, что часть таяния является результатом геологического нагрева, но большее таяние, как полагали, произошло из-за значительного увеличения объемов талой воды, сбрасываемой из сибирских рек, текущих на север. [83]
К 2013 году та же группа исследователей использовала многочисленные гидролокационные наблюдения для количественной оценки плотности пузырьков, исходящих из подводной вечной мерзлоты в океан (процесс, называемый вскипанием), и обнаружила, что вдоль Восточно-Сибирского побережья ежедневно выбрасывается 100–630 мг метана на квадратный метр. Арктический шельф (ESAS), в толщу воды. Они также обнаружили, что во время штормов, когда ветер ускоряет газообмен между воздухом и морем, уровень метана в толще воды резко падает. Наблюдения показывают, что выделение метана из вечной мерзлоты морского дна будет происходить медленно, а не резко. Однако арктические циклоны, вызванные глобальным потеплением , и дальнейшее накопление парниковых газов в атмосфере могут способствовать более быстрому выделению метана из этого источника. В целом их обновленная оценка теперь составила 17 миллионов тонн в год. [84]
Однако эти результаты вскоре были поставлены под сомнение, поскольку такая скорость ежегодных выбросов будет означать, что на одну только ESAS будет приходиться от 28% до 75% наблюдаемых выбросов метана в Арктике, что противоречит многим другим исследованиям. В январе 2020 года было обнаружено, что скорость поступления метана в атмосферу после того, как он был выброшен из шельфовых отложений в толщу воды, была сильно завышена, а наблюдения за потоками атмосферного метана, проведенные во время многочисленных круизов кораблей в Арктике, вместо этого указывают на что только около 3,02 миллиона тонн метана ежегодно выбрасывается из ESAS. [85] Исследование моделирования, опубликованное в 2020 году, показало, что в современных условиях годовой выброс метана из ESAS может составлять всего 1000 тонн, при этом 2,6–4,5 миллиона тонн представляют собой пиковый потенциал турбулентных выбросов с шельфа. [79]Хонг и др. В 2017 году изучалось просачивание метана в мелководных арктических морях Баренцева моря недалеко от Шпицбергена . Температура на морском дне сезонно колебалась в течение последнего столетия: от -1,8 °C (28,8 °F) до 4,8 °C (40,6 °F), это повлияло только на выброс метана на глубину около 1,6 метра в отложениях. водный интерфейс. Гидраты могут быть стабильными в верхних 60 метрах отложений, а наблюдаемые в настоящее время выбросы происходят из более глубоких слоев морского дна. Они приходят к выводу, что повышенный поток метана начался сотни и тысячи лет назад, отмечая по этому поводу «...эпизодическую вентиляцию глубоких резервуаров, а не диссоциацию газовых гидратов, вызванную потеплением». [86] Подводя итог своему исследованию, Хун заявил:
Результаты нашего исследования показывают, что огромное просачивание, обнаруженное в этой области, является результатом естественного состояния системы. Понимание того, как метан взаимодействует с другими важными геологическими, химическими и биологическими процессами в системе Земли, имеет важное значение и должно быть в центре внимания нашего научного сообщества. [87]
Исследования Клауса Вальмана и др. В 2018 году был сделан вывод, что диссоциация гидратов на Шпицбергене 8000 лет назад произошла из-за изостатического отскока (поднятие континентов после дегляциации ). В результате глубина воды уменьшилась с меньшим гидростатическим давлением без дальнейшего нагревания. Исследование также показало, что сегодняшние отложения на этом участке становятся нестабильными на глубине ~ 400 метров из-за сезонного потепления придонных вод, и остается неясным, связано ли это с естественной изменчивостью или антропогенным потеплением. [88] Более того, в другой статье, опубликованной в 2017 году, было обнаружено, что только 0,07% метана, выделяющегося в результате диссоциации газовых гидратов на Шпицбергене, по-видимому, достигает атмосферы, и обычно только при низкой скорости ветра. [89] В 2020 году последующее исследование подтвердило, что лишь небольшая часть метана из просачиваний Шпицбергена достигает атмосферы и что скорость ветра оказывает большее влияние на скорость выбросов, чем концентрация растворенного метана на месте. [90]
Наконец, в документе, опубликованном в 2017 году, указано, что выбросы метана по крайней мере из одного поля высачивания на Шпицбергене были более чем компенсированы повышенным поглощением углекислого газа из-за значительно возросшей активности фитопланктона в этой богатой питательными веществами воде. Ежедневное количество углекислого газа, поглощаемого фитопланктоном, было в 1900 раз больше, чем количество выделяемого метана, а отрицательное (т.е. косвенное охлаждение) радиационное воздействие от поглощения CO 2 было в 251 раз больше, чем потепление от выброса метана. [91]Поскольку клатраты метана стабильны при более высоких температурах, чем сжиженный природный газ (СПГ) (-20 против -162 °C), существует некоторый интерес к преобразованию природного газа в клатраты (затвердевший природный газ или СНГ), а не к его сжижению при транспортировке. морскими судами . Существенным преимуществом будет то, что для производства гидрата природного газа (NGH) из природного газа на терминале потребуется меньшая холодильная установка и меньше энергии, чем для производства СПГ. В качестве компенсации за 100 тонн транспортируемого метана необходимо будет перевезти 750 тонн гидрата метана; поскольку для этого потребуется корабль в 7,5 раз большего водоизмещения или потребуется больше кораблей, это вряд ли окажется экономически целесообразным. [ нужна цитата ] . В последнее время гидрат метана вызвал значительный интерес для крупномасштабного стационарного хранения из-за очень мягких условий хранения с включением тетрагидрофурана (ТГФ) в качестве сопутствующего гостя. [97] [98] При включении тетрагидрофурана , хотя и происходит небольшое снижение емкости хранения газа, в недавнем исследовании было продемонстрировано, что гидраты стабильны в течение нескольких месяцев при -2 ° C и атмосферном давлении. [99] Недавнее исследование показало, что СНГ может быть получен непосредственно из морской воды, а не из чистой воды в сочетании с ТГФ. [100]
Предпочтительно... глобальная оценка 3,18
г
... По оценкам, глобальный запас клатрата метана может превышать 10,19
г
углерода.
Российские ученые подсчитали, что может произойти, когда эта сибирская вечная мерзлота полностью оттает и весь накопленный газ выйдет наружу. Они полагают, что содержание метана в атмосфере планеты увеличится в двенадцать раз.