Methaanhydraat, een ijsachtig materiaal gemaakt van gecomprimeerd aardgas, brandt wanneer het wordt aangestoken en is te vinden in sommige delen van de zeebodem en in Arctische permafrost.

Beschouwd als 's werelds grootste bron van aardgas, methaanhydraat is een potentiële brandstofbron, en als het 'smelt' en methaangas vrijkomt in de atmosfeer, het is een krachtig broeikasgas. Om deze redenen, weten waar methaanhydraat zich zou kunnen bevinden, en hoeveel is er waarschijnlijk, is belangrijk.

Een team van onderzoekers van Sandia National Laboratories en het U.S. Naval Research Laboratory heeft een nieuw systeem ontwikkeld om de waarschijnlijkheid van het vinden van methaanhydraat en methaangas te modelleren dat is getest in een gebied op de zeebodem voor de kust van North Carolina.

Hoewel er op verschillende locaties methaanhydraatafzettingen zijn gevonden, er zijn belangrijke onbekenden in termen van hoeveel methaanhydraat er op de zeebodem aanwezig is en waar. Het is een uitdaging om monsters van de zeebodem te verzamelen om methaanhydraatafzettingen te vinden. Dit is waar Sandia's expertise op het gebied van computermodellering van pas komt.

"Dit is de eerste keer dat iemand de distributie van methaanhydraat kan benaderen op dezelfde manier als we weersvoorspellingen benaderen, " zei Jennifer Frederick, een computationele geowetenschapper en hoofdonderzoeker van het project. "Als je een weersvoorspelling hoort met 60% kans op vijf centimeter regen, je verwacht niet per se precies twee centimeter. U begrijpt dat er onzekerheid zit in die voorspelling, maar het is nog best handig. Op de meeste plaatsen op de zeebodem hebben we niet genoeg informatie om een ​​exact antwoord te geven, maar we moeten nog iets weten over methaan en de distributie ervan. Door een probabilistische benadering te gebruiken, vergelijkbaar met moderne weersvoorspellingen, we kunnen nuttige antwoorden geven."

Het nieuwe systeem combineert Sandia's jarenlange expertise op het gebied van probabilistische modellering met machine learning-algoritmen van het Naval Research Laboratory. Het systeem werd getest en verfijnd door het gebied rond Blake Ridge te modelleren, een heuvel op de zeebodem 90 tot 230 mijl ten zuidoosten van de Outer Banks van North Carolina met bekende afzettingen van methaanhydraat en methaangas.

Het team deelde hun model voor Blake Ridge en vergeleek het met eerdere empirische gegevens in een paper gepubliceerd op 14 maart in het wetenschappelijke tijdschrift Geochemie, Geofysica, Geosystemen .

Methaan 'voorspellen' door onzekerheidsmodellering te combineren met machine learning

Het Global Predictive Seafloor Model van het Naval Research Laboratory biedt locatiespecifieke details over de eigenschappen van de zeebodem, zoals temperatuur, algehele koolstofconcentratie en -druk. Als er gegevens ontbreken voor een bepaalde regio, Het model van het Naval Research Laboratory maakt gebruik van geavanceerde algoritmen voor machinaal leren om de ontbrekende waarde te schatten op basis van informatie over een ander gebied dat geografisch ver weg is maar geologisch vergelijkbaar.

Het onderzoeksteam importeerde de gegevens van het model van het Naval Research Laboratory in Sandia-software die gespecialiseerd is in statistische bemonstering en analyse, Dakota genoemd. Dakota gebruiken, ze bepaalden de meest waarschijnlijke waarde voor invloedrijke zeebodemeigenschappen, evenals de natuurlijke variatie voor de waarden. Vervolgens, op statistische wijze, ze hebben voor elke eigenschap een waarde uit dit verwachte bereik ingevoegd in PFLOTRAN, andere software onderhouden en ontwikkeld bij Sandia. PFLOTRAN modelleert hoe chemicaliën reageren en materialen zich ondergronds of onder de zeebodem verplaatsen. Het team voerde duizenden methaanproductiesimulaties uit in de Blake Ridge-regio. Alle software die bij het systeem betrokken is, is open source en zal beschikbaar zijn voor andere oceanografische onderzoekers.

"Een van de grootste dingen die we hebben gevonden, is dat er bijna geen vorming van methaanhydraten is die ondieper is dan 500 meter, wat te verwachten is gezien de temperatuur en druk die nodig zijn om methaanhydraat te vormen, " zei William Eymold, een postdoctoraal onderzoeker bij Sandia en hoofdauteur van het artikel. Van vast methaanhydraat is bekend dat het zich vormt bij lage temperatuur, omgevingen onder hoge druk waar methaanmoleculen gevangen zitten in goed georganiseerde watermoleculen.

Het team vond ook methaangas dat zich dichter bij de kust had gevormd. Ze waren in staat om hun model te vergelijken met methaanhydraatwaarden berekend door eerdere studies en monsters die enkele decennia geleden werden verzameld door het Ocean Drilling Program van de National Science Foundation, hij zei. Bijvoorbeeld, methaanhydraat werd gedetecteerd in een zeebodemmonster verzameld uit een gat geboord op Blake Ridge, genaamd Site 997.

"Het feit dat we de vorming van methaanhydraat in vergelijkbare hoeveelheden voorspelden als eerdere studies en observaties, toonde echt aan dat het systeem redelijk goed lijkt te werken, en we zullen het kunnen toepassen op andere geografische locaties die mogelijk minder gegevens hebben, ' zei Eymol.

Belang van methaan voor de marine en volgende stappen

De locatie van methaanhydraatafzettingen en methaangas in de buurt van de zeebodem is belangrijk voor de marine.

"Begrijpen hoe geluid interageert met de zeebodem is erg belangrijk voor elke vorm van marine-operatie, " zei Frederick. "Methaangas heeft een dramatische invloed op de akoestiek. Zelfs als slechts 1% of 2% van de porieruimte in het zeebodemsediment is gevuld met een gasbel, de snelheid van het geluid neemt honderdvoudig af, of meer. Dit is een zeer groot effect, en als je het niet goed verrekent, dan krijg je geen precieze akoestiek."

Frederick vergeleek een onderzeeër die sonar gebruikt met het vroege arcadespel Breakout, waarbij een speler een peddel horizontaal beweegt om een ​​bal te laten stuiteren om een ​​muur van stenen te vernietigen. In deze analogie de zeebodem dient als de "peddel" om geluidsgolven te reflecteren of te breken, of de "bal, " om een ​​volledig beeld te krijgen van obstakels in de oceaan. Als de peddel de bal anders begon te stuiteren - of de bal verschillende keren vasthield - afhankelijk van waar de peddel zich bevond, het spel zou veel uitdagender worden.

Tot dusver, het team heeft hun systeem gebruikt om modellen te maken van een gebied van de Noorse Zee tussen Groenland en Noorwegen en de ondiepe wateren van de Noordelijke IJszee voor de kust van de noordelijke helling van Alaska, twee interessegebieden voor de marine.

Frederick heeft ook samengewerkt met een groot team van internationale experts om de hoeveelheid methaan en koolstofdioxide te beoordelen die is opgeslagen in de ondiepe Arctische zeebodem, en hoe gevoelig die afzettingen zouden zijn voor stijgende temperaturen.

Het team heeft ook een veel grover model van de hele wereld gemaakt en is begonnen te kijken naar het midden van de Atlantische Oceaan, waar een paar jaar geleden methaangas uit de zeebodem borrelde.

"Het zal interessant zijn om te zien of ons model deze regio's van methaansijpeling op de zeebodem kan voorspellen, Frederick zei. „Wij zouden willen zien of kunnen wij de distributie van deze methaansijpels voorspellen en of zij met de thermodynamische eigenschappen van methaanhydraatstabiliteit verenigbaar zijn. Als je een lek ziet, dat betekent dat er veel gas onder de zeebodem zit. Dat zal een aanzienlijke invloed hebben op hoe geluid door de zeebodem reist, en dus sonar. Ook, deze afzettingen kunnen een bron van aardgas zijn voor de productie van energie, zal de oceaanecologie en de nutriëntenkringlopen beïnvloeden, en als dat gas de atmosfeer bereikt, het zal gevolgen hebben voor de klimaatverandering."