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 i jakie procesy prowadzą do jego usuwania?

 Zdjęcie: instalacja do przechowywania gazu, widać trzy duże zbiorniki i równe rzędy poziomych rur pośrodku pola.

Rysunek 1: Instalacje związane z przechowywaniem i przesyłaniem gazu ziemnego bywają źródłem emisji metanu do atmosfery. Zdjęcie: Zorandim (Dreastime.com).

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. 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 metanu są uwięzione w „klatkach” z cząsteczek wody. Ich pokłady są zgromadzone w stokach ocea­nicznych i w większości przykryte są warstwą osadów.

Zdjęcie: klatrat metanu. Widoczny biały, matowy kryształ przysypany szarym piachem.

Rysunek 2: Kryształ klatratu metanu na dnie oceanu. Źródło NOAA

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 może 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 metanu do atmosfery, jeśli leżące powyżej skały są przepuszczalne.

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 metanu.

Globalny bilans emisji i usuwania metanu.

Rysunek 3: Globalny bilans metanu, wartości średnie z 2017 r. Źródło: Global Methane Budget 2020, podejście top-down

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.

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).

Wykres: Zmiany koncentracji metanu, widać w przybliżeniu stały poziom przez tysiące lat i zdecydowany wzrost od rewolucji przemysłowej do dziś.

Rysunek 4. Zmiany koncentracji metanu w ostatnich 10 000 lat, Dane z poszczególnych źródeł (pomiary paleoklimatyczne i instrumentalne) skompilowane przez EPA. „0” oznacza 1 rok n.e.

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

Opublikowano: 9 sierpnia 2021

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

Nasza strona służy popularyzacji nauki. Chętnie odpowiadamy na pytania, ale nie akceptujemy spamu i dezinformacji.