Dzidki, zastanawialiście się kiedyś, co się dzieje z tym całym nagromadzonym w organizmach ryb czy ssaków morskich metanem, kiedy osobniki obumierają i opadają na dno? Na przykład z takim wielorybem, rekinem czy chociażby mureną, skrzydlicą, skorpeną czy krabami oraz wieloma innymi gatunkami zamieszkującymi głębiny oceanów? Otóż gromadzi się on na dnie morskim tworząc tzw. hydraty metanu – są to połączone ze sobą cząsteczki metanu i wody, które przybierają krystaliczną formę, ale przy spełnieniu określonych warunków mogą ulegać destabilizacji powodując odtlenienie się wód oceanicznych i przedostają się do atmosfery, gdzie ich zbyt szybkie uwolnienie może spowodować również eksplozję na dużą skalę – znacznie większą, niż wybuch jakiejkolwiek bomby jądrowej, które do tej pory zostały zdetonowane. Co ciekawe, to właśnie klatraty metanu prawdopodobnie są najbardziej odpowiedzialne wraz z kilkoma innymi czynnikami za zaginięcia w obrębie Trójkąta Bermudzkiego. Samych złóż lodu metanowego jest ogromna ilość, co z jednej strony może stwarzać zagrożenie, a z drugiej może też być alternatywnym źródłem energii o wysokiej wydajności.

Czym w ogóle są hydraty metanu?

Klatraty metanu (zwane inaczej hydratami metanu czy też potocznie „płonącym lodem”, „wodnym lodem” lub „lodem metanowym”) są to cząsteczki metanu zamknięte w cząsteczkach wody tworząc w ten sposób krystaliczną formę wody i metanu. Nazywa się je potocznie płonącym lodem, gdyż z wyglądu przypominają bryłki lodu, ale są bardzo łatwopalne, gdyż metan ulega zapaleniu, zaś produktem spalania jest woda (chociaż w dotyku przypominają podobno styropian). Ze względu na swój duży potencjał energetyczny być może w przyszłości będą mogły zostać wykorzystane jako źródło energii. Jednak zjawisko to jest bardzo rzadkie i występuje na dnie oceanu, gdzie nie ma dostępu do słońca, a ilość życia jest znikoma. Klatraty metanu są stabilne w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury (do +18ºC o ile towarzyszy temu wysokie ciśnienie, ale im niższa temperatura, tym mniejsze ciśnienie jest wymagane do zachowania stabilności takich cząsteczek), dlatego najczęściej można je znaleźć w stokach oceanicznych pod warstwą osadów, skąd ulatują charakterystyczne bąbelki, ale warto tutaj zaznaczyć, że są w stanie powstawać tylko do pewnej głębokości pod takimi osadami, gdyż im głębiej, tym bardziej wzrasta temperatura. Dla zainteresowanych warto podkreślić, że 1 m³ hydratów metanu po rozłożeniu na wodę i metan daje 0.8 m³ wody i 170 m³ metanu.

Do powstania klatratów metanu niezbędny jest udział bakterii, które podczas fermentacji beztlenowej produkują metan, który gromadzony pod warstwą osadów w odpowiednio niskiej temperaturze i przy wysokim ciśnieniu łączy się z cząsteczkami wody wewnątrz których zostaje zamknięty niczym w klatce. W ten sposób przez tysiące lat dochodziło do nagromadzenia się wielu takich bąbelków, które zalegały pod osadami (a sprzyjało też temu ochładzanie się temperatury na Ziemi, co tworzyło dobre warunki do tworzenia się hydratów metanu). Szacuje się, że ilość metanu w oceanicznych złożach (zarówno w formie hydratów, jak i nagromadzonych pod nimi bąbli metanowych) mogą wynosić nawet 2000-10000 miliardów ton (co oznacza, że złoża te mogą być znacznie większe, niż gazu ziemnego). Pomimo podobieństwa do kominów hydrotermalnych, klatraty metanu nie są gorące, dlatego miejsca, w których dochodzi do ich destabilizacji i są uwalniane nazywamy zimnymi wyciekami.

Skąd bierze się metan w oceanach?

Niezbędnym elementem do powstania płonącego lodu jest metan, którego głównym źródłem są zamieszkujące oceany organizmy żywe – począwszy od koralowców i gąbek, przez wszelakie ryby i skorupiaki, a na ssakach kończąc. Zapewne co najmniej niektórzy z Was kojarzą moją dzidkę o utylizacji wybuchających wielorybów, w których układzie pokarmowym nawet przez kilka dni po śmierci metan rozpycha wnętrzności, przez co taki wieloryb rośnie jak balon, zanim wybuchnie, co czyni go niebezpieczną, tykającą bombą wyrzuconą na wybrzeże, co zagraża lokalnemu ekosystemowi (o smrodzie nie wspominając). Największa tego typu afera miała miejsce w 1970 roku w Oregonie we Florencji w USA, kiedy to zastanawiając się, jak usunąć ciało martwego osobnika z plaży postanowiono wybrać teoretycznie najszybszą i najprostszą metodę, jaką jest wysadzenie go przy pomocy materiałów wybuchowych dostarczonych przez U.S. Navy. Chyba nie trzeba przypominać, że cała akcja zakończyła się katastrofą ekologiczną w tamtym rejonie, a rozrzut kawałków zwłok wieloryba wraz z zalegającymi resztkami pokarmu oraz efektów ubocznych procesu trawienia rozrzuciło w dosyć dużym promieniu.

Tak samo martwe osobniki, które nie zostają zjedzone i opadają na dno sprawiają, że w procesie rozkładu z ich ciał wydostaje się metan. Ale tworzenie klatratów metanu jest dosyć rzadkim zjawiskiem, w którym oprócz odpowiednio niskiej temperatury oraz wysokiego ciśnienia niezbędny jest również udział specjalnych mikroorganizmów, które żywią się związkami chemicznymi – w tym przede wszystkim metanem. Są to jednokomórkowe mikroby chemosyntetyczne, które przekształcają substancje chemiczne w energię. Ciała martwych organizmów wielokomórkowych, które opadają na dno mórz i oceanów rozkładają się właśnie dzięki udziałowi tych mikroorganizmów, co powoduje gromadzenie się metanu w wodzie. Nagromadzone cząsteczki metanu w okolicach stoków oceanicznych pod warstwą osadów lub innych zimnych miejscach uwalniane są do słupa wody, po czym przedostają się na głębokość od 600 m p.p.m. do 1500 m p.p.m., gdzie są najbardziej sprzyjające warunki do tego, aby cząsteczki wody i metanu łączyły się ze sobą tworząc w ten sposób klatraty metanu.

Metan, który wchodzi w skład hydratów metanu jest produkowany właśnie przez bakterie odpowiedzialne za rozkład organizmów żywych na dnach oceanów. Szacuje się, że wspomniane cząsteczki mogły gromadzić się w złożach miliony lat, a teraz ulegają stopniowemu uwalnianiu, ale o tym nieco dalej. Jako ciekawostkę warto wspomnieć, że w 1997 roku w Zatoce Meksykańskiej po raz pierwszy naukowcy z NOAA (ang. National Oceanic and Atmospheric Administration) odkryli, że w okolicach złóż hydratów metanu pomimo ich stopniowej destabilizacji i uwalnianiu się gazu do wody, oprócz bakterii występować mogą również organizmy wielokomórkowe, które świetnie sobie radzą w takim środowisku. Pierwszym odkrytym tego typu gatunkiem jest Hesiocaeca methanicola, którego potocznie nazywa się również lodowym robakiem, gdyż może poruszać się po lodzie metanowym bez doznania jakiegokolwiek uszczerbku.

Hydraty metanu i kwestia ich stabilności

Aktualnie nagromadzone pod dnem oceanicznym hydraty metanu są dosyć stabilne, jednak pod wpływem rosnącej temperatury mogłyby ulec destabilizacji, co doprowadziłoby z kolei do opuszczania dna oceanu i przedostania się do atmosfery metanu, który jest z kolei 20 razy silniejszym gazem cieplarnianym, niż dwutlenek węgla, co wynika z tego, że pozostaje znacznie krócej w atmosferze pochłaniając znacznie więcej energii słonecznej, niż CO² (ponadto wycieki metanu mogą powodować eksplozje). Najwięcej klatratów metanu zgromadzonych jest w płytko położonych złożach nieopodal Arktyki, gdzie wraz z topnieniem lodowców wzrost temperatury może następować dosyć szybko (zgodnie z szacunkami naukowców jest to czas wahający się od 100 do 1000 lat). Warto tutaj również wspomnieć, że na wzrost temperatury mają miejsce również takie zjawiska, jak wybuchy podwodnych wulkanów (zwłaszcza tych położonych w tzw. Pacyficznym Pierścieniu Ognia), czego dobrym przykładem jest chociażby erupcja Hunga Tonga na Oceanie Spokojnym, która miała miejsce na początku 2023 roku i spowodowała większe podniesienie temperatury powietrza, niż dwutlenek węgla przedostający się do atmosfery w wyniku działalności człowieka przez ostatnie kilka lat. Nie bez znaczenia pozostaje również spreading i subdukcja dna oceanicznego, które mogą spowodować powolne odsłanianie złóż hydratów metanu i szybsze uwalnianie się do wód oceanicznych, a co za tym idzie – utleniania wody w głębinach.

Warto jednak podkreślić, że duże pokłady klatratów metanu mogą formować się niezależnie od tego, czy temperatura Ziemi zmieni się o kilka stopni w jedną czy drugą stronę. Tutaj zdecydowanie bardziej kluczowe znaczenie mają długoterminowe zmiany temperatury na dnie oceanicznym nieopodal znajdujących się złóż. Dlatego najpierw zacząłby uwalniać się metan ze złóż arktycznych, gdyż te są położone najpłycej z jak dotąd odkrytych. Wraz ze wzrostem temperatury złoża hydratów metanu zaczną ulegać destabilizacji, zaś uwolnione cząsteczki metanu zaczną przedostawać się do wód oceanicznych. Należy jednak zaznaczyć, że nie od razu dotrą do atmosfery. Pozostaną jeszcze jakiś czas w wodzie, a wydzielający się z lodu metanowego gaz zacznie odtleniać pomału wodę. Zajdzie wtedy następująca reakcja chemiczna: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.

Należy podkreślić, że w jego utlenianiu będą także brać udział bakterie, dla których metan jest źródłem energii – szacuje się, że pochłaniają one obecnie ok. 90% metanu, który jest uwalniany z klatratów metanu do wód oceanicznych. Jednak nasilenie się uwalniania metanu z hydratów będzie oznaczało, że bakterie te nie nadążą go pochłaniać, co przyczyni się do nasilenia procesu odtleniania głębin oceanów. Będzie to sprzyjało rozwojowi bakterii siarkowych, co może spowodować wymieranie życia w głębinach oceanu. Jeśli nastąpi wzrost temperatury przy dnie oceanicznym, złoża lodu metanowego zaczną się bardzo szybko ogrzewać. Warto tutaj zaznaczyć, że miejsca, w których występują złoża hydratów metanu posiadają bardzo dużo pęknięć oraz szczelin, przez które może ulatniać się metan w postaci charakterystycznych bąbelków. Powstające szczeliny po uwolnieniu się metanu mogą spowodować, że ciepło łatwiej dotrze w głąb złoża powodując jego szybsze ogrzewanie się. Podczas nasilenia się uciekających bąbelków metanu może dojść do obniżenia ciśnienia w złożach klatratów metanu, co może zaowocować gwałtowną destabilizacją cząsteczek i szybszym uwalnianiu gazu. Naukowcy szacują, że gwałtowna destabilizacja może powodować również przesunięcie skał ze stoku kontynentalnego, co na większą skalę może wywoływać nawet fale tsunami. Jako ciekawostkę warto dodać, że gwałtowne uwolnienie metanu do powietrza z takiego złoża przy uzyskaniu stężenia równego ok. 15% może spowodować wybuch, który mógłby być silniejszy nawet od bomby wodorowej, jak Car Bomba. Szacuje się, że wybuch większego złoża mógłby osiągnąć nawet siłę 100 gigaton TNT (skalę wybuchu bomb jądrowych wspominałam w jednej ze swoich dzidek o testach atomowych).

Odkrycie hydratów metanu i polowanie na bąbelki

Pierwsze złoża metanu na dnie oceanicznym w Antarktyce odkryto w 2011 roku nieopodal Cinder Cones nieopodal amerykańskiej stacji naukowo-badawczej McMurdo na Morzu Rossa i od tego czasu zaczęto odnajdywać coraz to nowe wycieki gazu z dna morskiego w tej okolicy. Odkryte złoże ma głębokość 10 m i jest pokryte białymi matami mikrobiologicznymi o długości 70 m. Zaobserwowano je dzięki wyciekowi niewielkich bąbelków metanu, które opuszczały dno morskie w kierunku powierzchni, a wraz z nimi wyrzucane były niewielkie kawałki lodu metanowego. Proste pomiary kontrolne zostały wykonane w latach: 2011, 2013 i 2014. Nurkowie, którzy dokonali odkrycia wrócili w to miejsce jeszcze w 2016 roku w celu szczegółowego zbadania złoża, zanim rozpoczęli prace laboratoryjne nad odkrytym złożem.

To właśnie tutaj dokonano odkrycia w postaci bakterii, które żywiły się metanem zmniejszając jego emisję do atmosfery. W wyniku badań przeprowadzanych od 2016 roku odkryto również, że wspomniane mikroby ewoluują, co może w przyszłości być istotne dla radzenia sobie z ulatniającym się z klatratów metanu gazem. Następnych odkryć dokonano niedaleko ESAS (ang. East Siberian Arctic Shelf - Wschodniosyberyjskiego Szelfu Arktycznego). Warto również wspomnieć, że aż ok. 250 pęknięć i szczelin w złożach metanu uwalnia gaz z dna morskiego do Oceanu Arktycznego. W miesiącach letnich prowadzi to do zwiększonego stężenia metanu w oceanie. Jednak bardzo niewiele gazów klimatycznych unoszących się przez morze dociera do atmosfery ze względu na wspomniane bakterie pożerające aż ok. 90% wszystkich cząsteczek metanu.

Niedawne badania dna oceanicznego w pobliżu  Zachodniego Wybrzeża Stanów Zjednoczonych zaowocowały również odkryciem tysięcy zimnych wycieków ze złóż klatratów metanu na Oceanie Pacyficznym. Odcinek na którym dokonano odkrycia ciągnie się prawie od okolic San Francisco po Seattle. NOAA przeprowadza tutaj regularne badania. Nurkowie zbierają bąbelki metanu i małe kawałki lodu metanowego w celu pobierania próbek do badań, gdyż miejsce to jest znacznie łatwiej dostępne, niż okolice McMurdo. Ostatnie miejsce, w którym zaobserwowano złoża metanu znajdują się w osławionym Trójkącie Bermudzkim, jednak ze względu na charakter tego miejsca badanie złóż jest utrudnione. Możliwe, że postęp technologii do badania dna oceanicznego niebawem umożliwi bezzałogowe i dokładniejsze zbadanie również tego miejsca. Później zaczęto znajdować ich niewielkie złoża w różnych częściach globu (zwłaszcza na półkuli południowej), jak chociażby na Morzu Południowochińskim czy w Zatoce Meksykańskiej, gdzie ze względu na to, że złoża są nieduże, wydobycie klatratów nie stanowi takiego zagrożenia, jak w przypadku większych.

Hydraty metanu a Trójkąt Bermudzki

Przez wiele lat zagadką pozostawały tajemnicze zniknięcia w obrębie Trójkąta Bermudzkiego. Naukowcy starali się ustalić przyczynę tajemniczych zniknięć statków i samolotów. Dopiero po latach jako jedną z najbardziej prawdopodobnych przyczyn wskazano metan, który destabilizował się właśnie w bardzo szybkim tempie ze złoża klatratu metanu znajdującego się na głębokości od 300 m p.p.m. aż do ok. 2000 m p.p.m. (jest to bardzo duże złoże nawiasem mówiąc). Ze względu na to, że część tego złoża położona jest na niedużej głębokości, hydraty metanu szybko się destabilizują powodując gwałtowne uwolnienie gazu, który przemieszcza się bardzo szybko na powierzchnię wywołując róże fale i wiry, a nawet może dochodzić do niewielkich erupcji, które mogą spowodować katastrofy lotnicze. Rozluźnienie szczelin powstałych w takich złożach mogą powodować również trzęsienia ziemi występujące w obrębie Trójkąta Diabła. Metan w postaci gazowej unosi się na powierzchni wody w postaci wielu maleńkich bąbelków, przez co gęstość mieszaniny gaz-woda powstałej tym sposobem jest znacznie mniejsza, niż gęstość wody morskiej. Ze względu na mniejszą gęstość takiej mieszaniny następuje bardzo szybkie zatopienie okrętu przepływającego nieopodal złoża i opada on pod powierzchnię morza w zaledwie kilka chwil liczonych dosłownie w minutach. Warto także zaznaczyć, że nagłe uwolnienie metanu w tym obszarze może być także odpowiedzialne za powstawanie gigantycznych fal w tym obszarze, które również mogą wpływać na zatopienie statku.

Lód metanowy jako innowacyjne źródło energii?

Ze względu na to, że hydraty metanu posiadają krystaliczną formę i są znacznie bardziej wydajne, niż CO², niektóry naukowcy spekulują, że może w przyszłości stać się alternatywnym źródłem energii, jednak za tym pomysłem stoi również sporo wątpliwości. Jedną z nich jest to, że metan jest gazem, który znacznie łatwiej ulega zapaleniu i eksplozji, niż dwutlenek węgla, co z pewnością czyni ten pomysł bardziej ryzykownym. Powoduje również znacznie szybsze ogrzewanie się temperatury w atmosferze, a także przy uzyskaniu stężenia wynoszącego ok. 15% może spowodować eksplozję o niesamowitej sile. Problemem jest również stabilność klatratów, którym trzeba by było zapewnić odpowiednie warunki, aby nie ulegały zbyt szybkiemu ogrzewaniu. Jednak argumentem za jest bardzo duża ilość złóż hydratów metanu na dnie morskim, tylko wymagałoby to opracowania efektywnej metody wydobywania ich w większych ilościach oraz odpowiedniego przechowywania.

Dodatkowa literatura dla zainteresowanych:

Hydraty metanu:
1.https://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/deepeast01/background/fire/fire.html
2.https://www.nature.com/articles/s41467-020-17289-z
3.https://www.whoi.edu/press-room/news-release/mysterious-methane-in-the-ocean/
4.https://www.whoi.edu/news-insights/content/what-happens-to-natural-gas-in-the-ocean/
5.https://ios.ujk.edu.pl/wydawnictwa/rs30/arabajczyk.pdf
6.https://ziemianarozdrozu.pl/hydraty-metanu/
7.https://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/11_energy/activities/methane.html#activity
8.https://scienceinpoland.pap.pl/aktualnosci/news%2C83708%2Coceaniczne-dno-emituje-grozny-dla-klimatu-metan.html
9.https://oceantoday.noaa.gov/methane-seepsofthe-deepocean/
10.https://www.csmonitor.com/Science/2015/1017/Climate-change-Why-methane-gas-is-leaking-from-the-ocean-floor
11.https://exignorant.wordpress.com/2019/06/06/nowa-przyczyna-rozpadu-hydratow-metanu-w-arktyce/
12.https://www.arabiaweather.com/en/content/the-phenomenon-of-frozen-bubbles-that-appear-under-water-amazing-but-dangerous
13.https://www.severe-weather.eu/global-weather/siberia-massive-craters-frozen-ground-permafrost-methane-gas-explosion-rrc/
14.https://www.noaa.gov/news-release/increase-in-atmospheric-methane-set-another-record-during-2021

Złoża metanu:
15.https://earth.org/first-active-leak-of-sea-bed-methane-has-been-discovered-in-antarctica/
16.https://www.gospodarkamorska.pl/pierwszy-aktywny-wyciek-metanu-z-dna-morskiego-odkryto-na-antarktydzie-52297
17.https://klimatziemi.pl/grozny-wyciek-metanu-mcmurdo-wschodniej-antarktydzie/
18.https://phys.org/news/2020-07-leak-sea-bed-methane-antarctica.html
19.https://www.salon.com/2020/07/24/a-methane-leak-in-antarctica-provides-new-insight-into-how-methane-eating-microbes-evolve/
20.https://www.sciencedaily.com/releases/2008/12/081217203407.htm#google_vignettehttps://www.sciencedaily.com/releases/2008/12/081217203407.htm#google_vignette
21.https://www.nature.com/articles/ngeo2007
22.https://phys.org/news/2016-05-arctic-ocean-methane-atmosphere.html
23.https://scienceinpoland.pap.pl/aktualnosci/news%2C83708%2Coceaniczne-dno-emituje-grozny-dla-klimatu-metan.html
24.https://schmidtocean.org/cruise/hunting-bubbles-understanding-plumes-of-seafloor-methane/
25.https://oceanexplorer.noaa.gov/news/oer-updates/2021/mapping-seeps-west-coast*html
26.https://oceanexplorer.noaa.gov/ex10years/stories/methane.html
27.https://www.nature.com/articles/s41467-020-17289-z
28.https://lnu.se/en/meet-linnaeus-university/current/news/2020/massive-release-of-methane-gas-from-the-seafloor-linked-to-global-warming-discovered-for-the-first-time-in-the-southern-hemisphere/

Metan z dna morskiego jako źródło energii:
29.https://ecoportal.com.pl/hydraty-metanu-i-ich-potencjal-jako-energetyczny-surowiec-przyszlosci/
30.https://www.teraz-srodowisko.pl/aktualnosci/pan-hydraty-metanu-efekt-cieplarniany-Maciej-Bojanowski-10520.html
31.https://trendywenergetyce.pl/hydraty-metanu-gazowe-eldorado-czy-metanowy-pistolet

Wybuch wieloryba w Oregonie we Florencji:
32.https://www.oregonencyclopedia.org/articles/florence_whale_explosion/

Klatraty metanu w Trójkącie Bermudzkim:
33.https://www.national-geographic.pl/artykul/zagadka-trojkata-bermudzkiego-rozwiazana-przyczyna-moga-byc-wybuchy-metanu
34.https://londynek.net/czytelnia/article?jdnews_id=4589446
35.https://ciekawostki.online/ciekawostki/723/o-trojkacie-bermudzkim/