methaan, het hoofdbestanddeel van aardgas, is de schoonste verbranding van alle fossiele brandstoffen, maar wanneer het in de atmosfeer wordt uitgestoten, is het een veel krachtiger broeikasgas dan koolstofdioxide. Volgens sommige schattingen methaan op de zeebodem in bevroren formaties langs de continentale randen kan gelijk zijn aan of groter zijn dan de totale hoeveelheid steenkool, olie, en gas in alle andere reservoirs wereldwijd. Nog, de manier waarop methaan ontsnapt uit deze diepe formaties is slecht begrepen.

Vooral, wetenschappers zijn geconfronteerd met een puzzel. Waarnemingen op locaties over de hele wereld hebben op sommige plaatsen krachtige kolommen methaangas laten opborrelen uit deze formaties, toch zouden de hoge druk en lage temperatuur van deze diepzee-omgevingen een stevige bevroren laag moeten creëren die naar verwachting als een soort sluitsteen zou fungeren, voorkomen dat er gas ontsnapt. Dus hoe komt het gas eruit?

Een nieuwe studie helpt verklaren hoe en waarom kolommen van het gas uit deze formaties kunnen stromen, bekend als methaanhydraten. Met behulp van een combinatie van diepzeewaarnemingen, laboratorium experimenten, en computermodellering, onderzoekers hebben verschijnselen gevonden die verklaren en voorspellen hoe het gas loskomt uit de ijzige greep van een bevroren mengsel van water en methaan. De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift PNAS , in een paper van Xiaojing (Ruby) Fu SM '15, doctoraat '17, nu aan de Universiteit van Californië in Berkeley; Professor Ruben Juanes aan het MIT; en vijf anderen in Zwitserland, Spanje, New Mexico, en Californië.

Verrassend genoeg, niet alleen slaagt de vorming van bevroren hydraat er niet in om te voorkomen dat methaangas in de oceaankolom ontsnapt, maar in sommige gevallen vergemakkelijkt het juist die ontsnapping.

Vroegtijdig, Fu zag foto's en video's met pluimen van methaan, genomen vanaf een NOAA-onderzoeksschip in de Golf van Mexico, het onthullen van het proces van bellenvorming op de zeebodem. Het was duidelijk dat de bubbels zelf vaak gevormd waren met een bevroren korst eromheen, en zouden met hun ijzige schelpen naar boven drijven als kleine heliumballonnen.

Later, Fu gebruikte sonar om soortgelijke bellenpluimen te detecteren van een onderzoeksschip voor de kust van Virginia. "Deze cruise alleen al ontdekte duizenden van deze pluimen, " zegt Fu, die het onderzoeksproject leidde terwijl een afgestudeerde student en postdoc aan het MIT. "We zouden deze methaanbellen, die zijn ingelegd met hydraatschillen, in de waterkolom kunnen volgen. " zegt ze. "Toen wisten we voor het eerst dat hydraatvorming op deze gasinterfaces een veel voorkomende gebeurtenis kan zijn."

Maar wat er precies onder de zeebodem gebeurde om het vrijkomen van deze bubbels te veroorzaken, bleef onbekend. Door een reeks laboratoriumexperimenten en simulaties, de mechanismen die aan het werk waren, werden geleidelijk duidelijk.

Seismische studies van de ondergrond van de zeebodem in deze ontluchtingsgebieden laten een reeks relatief smalle leidingen zien, of schoorstenen, waardoor het gas ontsnapt. Maar de aanwezigheid van brokken gashydraat uit dezelfde formaties maakte duidelijk dat het vaste hydraat en het gasvormige methaan naast elkaar kunnen bestaan, legt Fu uit. Om de omstandigheden in het laboratorium te simuleren, de onderzoekers gebruikten een kleine tweedimensionale opstelling, tussen twee glasplaten onder hoge druk een gasbel in een laag water klemmen.

Terwijl een gas door de zeebodem probeert te stijgen, Fu zegt, als het een hydraatlaag vormt wanneer het het koude zeewater raakt, dat zou zijn voortgang moeten blokkeren:"Het loopt tegen een muur aan. Dus hoe zou die muur het niet verhinderen om voortdurend te migreren?" Met behulp van de microfluïdische experimenten, vonden ze een voorheen onbekend fenomeen op het werk, die ze crustal fingering noemden.

Als de gasbel begint uit te zetten, "Wat we zagen is dat de uitzetting van het gas voldoende druk kon creëren om de hydraatschaal in wezen te scheuren. En het is bijna alsof het uit zijn eigen schaal komt, " Zegt Fu. Maar in plaats van elke breuk terug te bevriezen met het reformerende hydraat, de hydraatvorming vindt plaats langs de zijkanten van de stijgende bel, het creëren van een soort buis rond de bel terwijl deze omhoog beweegt. "Het is bijna alsof de gasbel zijn eigen weg kan uitstippelen, en dat pad wordt ommuurd door de vaste hydraat, "zegt ze. Dit fenomeen hebben ze op kleine schaal in het lab waargenomen, hun analyse suggereert, is ook wat ook op veel grotere schaal in de zeebodem zou gebeuren.

Die observatie, ze zei, "was echt de eerste keer dat we ons bewust waren van een fenomeen als dit dat zou kunnen verklaren hoe hydraatvorming de gasstroom niet zal remmen, maar in dit geval liever het zou het vergemakkelijken, " door een leiding te geven en de stroom te sturen. Zonder die focus, de gasstroom zou veel meer diffuus en verspreid zijn.

Naarmate de korst van hydraat zich vormt, het vertraagt ​​de vorming van meer hydraat omdat het een barrière vormt tussen het gas en het zeewater. Het methaan onder de barrière kan daarom in zijn ontdooide, lange tijd in gasvorm. De combinatie van deze twee verschijnselen - het focusserende effect van de kanalen met hydraatwanden en de segregatie van het methaangas uit het water door een hydraatlaag - "bestaat in grote mate in de richting van de verklaring waarom je een deel van deze krachtige ontluchting kunt hebben, dankzij de hydraatvorming, in plaats van erdoor te worden verhinderd, ' zegt Juanes.

Een beter begrip van het proces kan helpen om te voorspellen waar en wanneer dergelijke methaansijpels zullen worden gevonden, en hoe veranderingen in omgevingscondities de distributie en output van deze sijpelingen kunnen beïnvloeden. Hoewel er suggesties zijn geweest dat een opwarmend klimaat de snelheid van dergelijke ventilatie zou kunnen verhogen, Fu zegt dat daar tot nu toe weinig bewijs voor is. Ze merkt op dat temperaturen op de diepten waar deze formaties voorkomen - 600 meter (1, 900 voet) diep of meer - zullen naar verwachting een kleinere temperatuurstijging ervaren dan nodig zou zijn om een ​​wijdverbreide afgifte van het bevroren gas te veroorzaken.

Sommige onderzoekers hebben gesuggereerd dat deze enorme onderzeese methaanformaties op een dag kunnen worden gebruikt voor energieproductie. Hoewel er grote technische hindernissen zouden zijn voor een dergelijk gebruik, Juanes zegt, deze bevindingen kunnen helpen bij het beoordelen van de mogelijkheden.

"Het probleem van hoe gas door de hydraatstabiliteitszone kan bewegen, waar we zouden verwachten dat het gas wordt geïmmobiliseerd door te worden omgezet in hydraat, en in plaats daarvan ontsnappen op de zeebodem, nog niet helemaal begrepen, " zegt Hugh Daigle, een universitair hoofddocent aardolie- en geosysteemtechniek aan de Universiteit van Texas in Austin, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "Dit werk presenteert een waarschijnlijk nieuw mechanisme dat dit proces aannemelijk zou kunnen maken, en integreert mooi eerdere laboratoriumobservaties met modellering op grotere schaal."

"In praktische zin het werk hier neemt een fenomeen op kleine schaal en stelt ons in staat om het te gebruiken in een model dat alleen grotere schalen beschouwt, en zal zeer nuttig zijn voor de implementatie in toekomstige werkzaamheden, ' zegt Daigle.