Metan w środowisku

Współczesne globalne ocieplenie jest powodowane przez wzrost atmosferycznych koncentracji gazów cieplarnianych – przede wszystkim dwutlenku węgla, metanu i tlenku azotu(I). Najczęściej skupiamy się na problemie emisji CO₂, które aktualnie w największym stopniu wpływają na klimat. Jednak nie należy tracić z pola widzenia także pozostałych gazów. Skąd bierze się w atmosferze metan (CH₄) i jakie procesy prowadzą do jego usuwania?

Metan – źródła emisji

Metan jest drugim, pod względem wpływu na klimat, istotnym gazem cieplarnianym. W sposób naturalny powstaje głównie w słodkowodnych mokradłach i jeziorach w procesie beztlenowego rozkładu materii organicznej. Jest również produkowany w innych procesach biologicznych: w glebach, żołądkach przeżuwaczy i termitierach. Może być również produktem niepełnego spalania biomasy, np. podczas pożarów roślinności.

Klatraty metanu

Także część opadającej na dno oceanu materii organicznej ulega procesom beztlenowego rozkładu tworząc w rezultacie m.in. złoża klatratów metanu – kryształów podobnych do lodu, w których cząsteczki gazu są uwięzione w „klatkach” z cząsteczek wody. Ich pokłady są zgromadzone w stokach ocea­nicznych i w większości przykryte są warstwą osadów.

Klatraty metanu są stabilne w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej tempera­tury. Im niższa temperatura wody, tym mniejsze ciśnienie wystarcza do zapewnie­nia klatratom stabilnych warunków, dlatego w zimnych wodach Arktyki klatraty są stabilne już na głębokości 300 metrów. Klatraty metanu w osadach oceanicz­nych znaleźć można tylko do określonej głębokości pod dnem oceanicznym – dalej w głąb Ziemi temperatura wzrasta, uniemożliwiając ich istnienie.

W ostatnich dziesiątkach milionów lat temperatura naszego globu bardzo powoli spadała (w tej skali czasowej epoki lodowe to krótkie i niewielkie fluktuacje), dzięki czemu pokłady klatratów metanu w dnie oceanicznym były stabilne i kumulowały się przez bardzo długi czas. Szacun­ki ilości metanu w tych złożach (zarówno w formie klatratów, jak i znajdujących się pod nimi bąbli metanowych) są obarczone dużą niepewnością i wahają się w zakresie 2000–8000 GtC (IPCC, 2013). Metan stanowi jedynie 15% masy klatratów, ponieważ jednak po uwolnieniu z kryształu przyjmie formę gazową, z 1 m³ klatratów powstanie aż 170 m³ metanu. W krótkiej skali czasowej charakterystycznej dla szybkiego cyklu węglowego, klatraty metanu nie grają istotnej roli. Sytuacja może się zmienić w szczególnych sytuacjach geologicznych, kiedy gwałtowne ocieplenie klimatu może zdestabilizować złoża (patrz m.in. Klimat dawnych epok: paleoceńsko-eoceńskie maksimum termiczne (PETM), Klimat dawnych epok: wielkie wymierania).

Metan z procesów geologicznych

Metan wytwarzany jest także w procesach geologicznych. Na głębokości kilku kilometrów pod ziemią wysoka temperatura i ciśnienie prowadzą do przekształcenia materii organicznej, w wyniku czego powstawać mogą złoża gazu ziemnego (jeśli powstały metan pozostaje uwięziony) lub emisje gazu do atmosfery, jeśli leżące powyżej skały są przepuszczalne.

Emisje metanu związane z działalnością człowieka

Działalność ludzi, taka jak hodowla przeżuwaczy, zakładanie ryżowisk, składowanie odpadów na wysypiskach czy wydobywanie paliw kopalnych (metan ulatnia się wtedy z warstw geologicznych), również prowadzi do emisji tego gazu.

Zmieniając środowisko (zmiany klimatu, wylesianie, zmiana stosunków wodnych i in.) wpływamy też na emisje metanu z ekosystemów lądowych, w tym m.in torfowisk, wiecznej zmarzliny czy jezior. Choć emisje te pochodzą z naturalnych ekosystemów, ich zmian nie można traktować jak naturalnych, wiążą się bowiem z naszą działalnością.

Usuwanie metanu z atmosfery

Kluczowe dla zachowania metanu w środowisku jest to, że po uwolnieniu do atmosfery powoli reaguje on z aktywnymi chemicznie związkami tlenu, w szczególności z rodnikami ^•OH (neutralnej pod względem ładunku formie jonu wodorotlenkowego), utleniając się do dwutlenku węgla. Gdy aktywnych związków tlenu brakuje, cząsteczki CH₄ nie reagują z cząsteczkami tlenu – obserwujemy to na przykład w pęcherzykach powietrza uwięzionych w rdzeniach lodowych.

Średni czas pozostawania metanu w powietrzu (nazywany też „czasem życia”) wynosi około 10 lat (z oszacowaniami wahającymi się od 9 do 12 lat (IPCC 2013, Wuebbles i Hayhoe, 2001). Oznacza to, że wyemitowany gaz dość szybko znika z atmosfery, a przy stałym tempie jego emisji w horyzoncie czasowym kilkudziesięciu lat ustala się równowaga i rozkładowi ulega tyle samo cząsteczek, ile jest emitowane:

Głównym mechanizmem usuwania metanu ze środowiska są wspomniane wyżej reakcje z rodnikami hydroksylowymi ^•OH (powstającymi w wyniku rozkładu ozonu przez promieniowanie słoneczne, a następnie reakcję swobodnego atomu tlenu z cząsteczkami wody). Do niedawna w skali globalnej jedynie 15% rodników ^•OH było wykorzystywane w reakcjach z metanem – zapas był wystarczająco duży, by tempo usuwania metanu z atmosfery nie zależało znacząco od jego koncentracji. Ma to jednak swoje granice – wraz ze wzrostem koncentracji metanu w atmosferze możemy spodziewać się przyspieszonego usuwania rodników •OH, ich deficytu i w rezultacie wydłużenia czasu życia metanu. Możliwe, że spadek dostępności rodników był jedną z przyczyn wzrostu stężenia metanu w atmosferze, jaki nastąpił po roku 2007 (Rigby i in., 2017, Turner i in., 2017).

Przyjmując stały czas życia metanu, tempo jego rozkładu jest związane z jego ilością w atmosferze i czasem życia zależnością:

Łącząc równania (1) i (2), otrzymujemy:

Przy założeniu niezmiennego czasu życia metanu jego ilość w atmosferze zależy liniowo od tempa emisji (przy lekkim wydłużeniu czasu życia metanu jego ilość w atmosferze dodatkowo wzrośnie). Gdy patrzymy na Rysunek 3, pokazujący strumienie emisji naturalnych i antropogenicznych, widzimy, że ich suma jest blisko 2,5-krotnie większa od strumienia naturalnego (przyjmując w przybliżeniu, że wywołane przez nas zmiany emisji z ekosystemów naturalnych są znacząco mniejsze od bezpośrednich emisji związanych z naszą działalnością gospodarczą). Możemy więc się spodziewać, że obecna atmosferyczna koncentracja CH₄ też będzie mniej więcej 2,5-krotnie większa od tej w epoce przedprzemysłowej. Taki też wzrost obserwujemy (rysunek 4).

Artykuł jest zaktualizowanym i przeredagowanym na potrzeby publikacji w internecie fragmentem książki Marcina Popkiewicza, Aleksandry Kardaś i Szymona Malinowskiego pt. Nauka o klimacie.