Metan przez długie dekady miał wpływ na ocieplenie klimatu, ale nikt tego co najmniej do początku lat 80-tych nie zauważył. Tym bardziej, że od początku Rewolucji Przemysłowej przybylo go w atmosferze Ziemi prawie trzykrotnie więcej niż dwutlenku węgla. Jeszcze 11 lat temu w 5 Raporcie Oceny IPCC (2013-2014) nie był poważnie brany pod uwagę jako znaczący gaz cieplarniany z wysokim potencjałem cieplarnianym oraz wymuszeniem radiacyjnym, mierzonym w watach na metr kwadratowy. Ale w 6 Raporcie Oceny IPCC (2021-2023) został dostrzeżony.
Metan to gaz cieplarniany, którego cząsteczka w horyzoncie czasowym 100 lat ma 28 razy silniejszy potencjał cieplarniany (GWP – Global Warming Potential) niż cząsteczka dwutlenku węgla.
Co to znaczy? To znaczy, że molekuła metanu bardziej absorbuje i wyemitowuje ciepło niż molekuła dwutlenku węgla.
–
Rys. Pełny wzór strukturalny cząsteczki metanu , najprostszego alkanu i głównego składnika gazu ziemnego , pokazujący długości i kąty wiązań. Źródło: Benjah-bmm27. Jynto / Domena publiczna
–
Spalanie paliw kopalnych dotyczy tez metanu
Początkowe spalanie paliw kopalnych było już od drugiej połowy XVIII w. związane ze spalaniem wydobywanego w kopalniach i spalanego w budynkach węgla kamiennego. A więc głównie z emisją dwutlenku węgla jako gazu cieplarnianego. Dopiero od polowy XIX wieku ludzie zaczęli prowadzić pierwsze odwierty naftowe, które wiązać się zaczęły z emisjami metanu.
Jednak w skali globalnej emisje tego gazu rosły, a nawet naukowcy nie byli nim tak mocno zajęci jak dwutlenkiem węgla. A co dopiero zwyczajni ludzie czy w końcu politycy. Cała uwaga do lat 80-tych XX wieku była mocno skoncentrowana na emisjach dwutlenku węgla. Gazu cieplarnianego – jak już wiemy – bardzo ważnego w regulacji klimatu. Zarówno w skali geologicznego czasu, jak i współczesnego.
–
Metan w przyrodzie
Przez ponad półtora stulecia metan nie zaprzątał zbytnio uwagi naukowców. Czemu tak się stało? Być może dlatego gdyż nie bierze on udziału w cyklu węglowym pomiędzy atmosferą, oceanami, glebami i skałami oraz roślinnością. A w tym ostatnim przypadku nie odgrywa kluczowej roli w fotosyntezie jak dwutlenek węgla. Za to ogrywa rolę w procesie metanogenezy. To znaczy, jest produkowany przez organizmy beztlenowe. Z reguły w ekosystemach wodnych, w tym bagiennych.
Na ogół w środowisku naturalnym jest emitowany w procesie beztlenowym podczas rozkładu materii organicznej. Również jest jego znaczący udział na dnie oceanów, gdzie jest bardzo niskie stężenie tlenu, w ryftach hydrotermalnych. Czyli tam gdzie się rozwija biosfera beztlenowa.
–
Globalne ocieplenie spowodowało emisje metanu nie tylko ze źródeł antropogenicznych, ale też naturalnych
Kiedy w XXI wieku w znaczący sposób urosły emisje, metan zaczął ulatniać się nie tylko ze źródeł antropogenicznych, jak np. odwierty naftowe i gazowe, transport czy rolnictwo (krowy, ryżowiska, odpady komunalne), ale też naturalnych, jak np. bagna (zwłaszcza po ich eksploatacji przez ludzi), zmarzlina na Syberii, w Kanadzie i Alasce czy nawet topniejący lód w obszarach polarnych.
Jak podał Global Carbon Project, w 2019 r. około 60 proc. (360 milionów ton) metanu uwolnionego na świecie pochodziło z działalności człowieka, podczas gdy źródła naturalne odpowiadały za około 40 proc. (230 milionów ton).
–
Jeszcze PETM nam nie zagraża
Obecnie Ziemia jest średnio ocieplona w zakresie 1,3-1,5 stopnia Celsjusza. Wprawdzie metanu w atmosferze bardzo silnie przybyło od początku rewolucji przemysłowej, bo aż ponad 150 proc., to jednak nie na tyle dużo by zaczęła nam zagrażać powtórka z historii geologicznej podczas paleoceńsko-eoceńskiego maksimum termicznego (PETM), która wydarzyła się około 56 milionów lat temu.
Trzeba wziąć solidnie pod poprawkę, że w tamtym czasie geologicznym Ziemia była wyraźnie o co najmniej 5-6 stopni cieplejsza niż dziś. A więc w tamtym czasie warunki sprzyjały niszczeniu rodników hydroksylowych, odpowiedzialnych za niszczenie cząsteczek metanu w atmosferze. Obecnie nam to nie zagraża przy globalnej temperaturze około 1,5 stopnia Celsjusza. Żywot takiej molekuły metanu w atmosferze wynosi średnio najwyżej 12 lat.
–
Reakcje chemiczne, które niszczą metan
Chroni nas następująca reakcja chemiczna, w której substraty cząsteczka metanu łączy się w atmosferze z rodnikami hydroksylowymi, dając produkty, takie jak cząsteczka dwutlenku węgla i cząsteczki pary wodnej:
CH4 + 8OH* -> CO2 + 6H2O
Ponadto metan jest niszczony w reakcji z tlenem atmosferycznym. Dzięki czemu uzyskujemy dwa gazy cieplarniane, jak dwutlenek węgla i para wodna.
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
–
Koncentracja metanu w 1750 roku na początku rewolucji przemysłowej a pod koniec 2023 roku
Globalny monitoring stężeń metanu w atmosferze rozpoczął się w latach 80-tych XX wieku. Od początku rewolucji przemysłowej urosło ono o prawie 160 proc. Z 772,2 cząsteczek metanu na miliard cząsteczek powietrza atmosferycznego (772,2 ppb – parts per bilion) do 1921,76 ppb w 2023 r.
Naukowcy ostrzegają, że od początku spalania paliw kopalnych i znaczących zmian użytkowania terenu cząsteczek metanu przybyło w atmosferze prawie trzykrotnie więcej niż cząsteczek dwutlenku węgla.
–
Rys. Stężenia metanu (CH4) w atmosferze mierzone przez Advanced Global Atmospheric Gases Experiment (AGAGE) w dolnej atmosferze (troposferze) na stacjach na całym świecie. Wartości podano jako wolne od zanieczyszczeń miesięczne średnie ułamki molowe w częściach na miliard. Źródło: Jens Mühle / CC BY-SA 4.0
–
Dopiero w latach 80-tych XX wieku naukowcy odkrywają metan jako gaz cieplarniany
Dopiero z początkiem lat 80-tych naukowcy odkryli, że nie tylko dwutlenek węgla i para wodna powodują wzmocnienie efektu cieplarnianego, czyli nagrzewanie się Ziemi, ale również są nimi metan, podtlenek azotu, ozon czy przemysłowe gazy fluorowane (tzw. f-gazy).
Nasze zainteresowanie jednak jest skierowane teraz w stronę metanu. Tuż po dwutlenku węgla jest on drugim najsilniejszym gazem długożyjącym w atmosferze Ziemi.
–
Metan ulatnia się z wieloletniej zmarzliny
W przyrodzie metan jest ukryty w wielu obszarach naszego globu. Między innymi w Arktyce. Jak wiemy z powodu globalnego ocieplenia wywołanego przez człowieka topnieją nie tylko pokrywy lodowe Grenlandii i Antarktydy, ale też zmarzlina na północy Azji, Europy i Ameryki Północnej.
Norman Rößger i jego zespół naukowy z Niemieckiego Centrum Badań Nauk o Ziemi w Telegrafenbergu na lamach serwisu Nature Climate Change zwrócili pilną uwagę, na to, że w Syberii są coraz częstsze sezonowe emisje metanu. Mają one miejsce w czerwcu i lipcu. 1
–
Badania na dalekiej Syberii za pomocą metody kowariancji wirów
Naukowcy przeprowadzili badania w delcie rzeki Lena, uchodzącej do Morza Łaptiewów, w północnej Syberii na szerokości geograficznej północnej 72° 22′ 24,1′ N oraz długości geograficznej wschodniej 126° 29′ 49,7′ E. Przeanalizowali zbiór danych o strumieniu metanu, który został zebrany na przestrzeni 16 lat między 2002 a 2019 rokiem w północnowschodniosyberyjskiej delcie rzeki Leny.
W metodzie badawczej badacze zastosowali najdłuższy zestaw danych strumienia metanu kowariancji wirów w Arktyce. System ten został założony w tamtejszym regionie w lipcu 2002. Ma on służyć do określenia turbulentnych strumieni energii i materii.
–
Analiza trendów strumieni metanu
Ponadto klimatolodzy niemieccy w badaniu po raz pierwszy zastosowali analizę trendów bezpośrednio obserwowanych strumieni metanu w ekosystemie Arktyki. A ściślej mówiąc, obliczyli średni strumień i jego odchylenie standardowe dla każdego dnia kalendarzowego, używając strumieni półgodzinnych.
Dzięki temu średnie dzienne utworzyły średni roczny przebieg, który następnie został przybliżony tak zwanym szeregiem Fouriera, którego całkowanie dało średni roczny budżet.
W modelowaniu strumienia metanu został wykorzystany algorytm losowy las. Jego celem było sprawdzenie czy jest odporny na szum informacyjny. To znaczy, czy potrafi radzić sobie z nieliniowymi relacjami, złożonymi interakcjami, a także brakującymi danymi.
–
Rys. Miesięczne rozkłady półgodzinnych strumieni metanu i ich średni roczny przebieg. Integracja przybliżonego przebiegu dała średni roczny budżet wynoszący 171,5 ± 12,3 mmol w ciągu roku. Podano średnie miesięczne (procenty na dole) i sezonowe (procenty na górze) wkłady do rocznego budżetu. Trzy pory roku odzwierciedlają stan termiczny gleby dotkniętej wieloletnią zmarzliną. Sezon rozmrażania rozpoczął się, gdy temperatura powierzchni osiągnęła 0 °C. Gdy temperatura powierzchni spadła poniżej 0 °C, rozpoczął się sezon ponownego zamarzania. Sezon zamarzania rozpoczął się, gdy w całej glebie panowały temperatury poniżej zera. Podczas gdy emisje z sezonu rozmrażania dominowały w rocznym budżecie, utrata metanu w sezonie ponownego zamarzania i zamarzania była znaczna, biorąc pod uwagę zimne warunki i niewielką aktywność metanogeniczną. Źródło: Rößger N. et al., 2022 / CC BY 4.0
–
Przyrost temperatury a niepewność szacunkowa w przyroście emisji metanu uwalnianego z wieloletniej zmarzliny w stosunku do emisji globalnych tego gazu
Badacze oszacowali, że od 2004 r. znaczny wzrost rocznej temperatury powietrza o 0,3 ± 0,1 °C w czerwcu odpowiada ociepleniu o 11 dni. W tym samym czasie roczny przyrost emisji metanu w czerwcu i lipcu od 2004 r. wzrósł o około 1,9 ± 0,7 proc. Wprawdzie poprzednie obserwacje emisji tego gazu w sierpniu nie uległ wzmocnieniu, ale jest już wystarczający sygnał ostrzegawczy zmiany dynamiki jego strumienia w ekosystemach Arktyki, tam gdzie jest wieloletnia zmarzlina.
W 2022 r. roczne emisje metanu w skali globalnej wyniosły 550-900 teragramów (550-900 Tg/rok), w tym 5 ± 14 Tg rocznie z samych mokradeł na wysokich szerokościach geograficznej arktycznej tundry. Jest to niepewne źródło metanu – co martwi naukowców na świecie – w określeniu szacunkowym globalnego budżetu tego gazu cieplarnianego.
Przyczyny tej niepewności są następujące:
– niedobór miejsc obserwacji strumienia,
– krótkie serie czasowe,
– duża heterogeniczność przestrzenna (zróżnicowanie przestrzenne) krajobrazów dotkniętych wieloletnią zmarzliną,
– wyraźna dynamika czasowa emisji metanu,
– złożona kontrola produkcji, transportu i utleniania metanu
–
Dalszy wzrost temperatury, dalsze uwalnianie metanu w Arktyce są skorelowane z wydłużaniem się sezonu rozmrażania wieloletniej zmarzliny
Dalsze ocieplanie klimatu wpłynie znacząco na to, że rozmrażająca się materia organiczna w wieloletniej zmarzlinie uaktywni uwalnianie się metanu. Co też będzie skorelowane z wydłużającym się czasem jej sezonowego rozmrażania.
Wszystko na to wskazuje, ze wzmocnione emisje metanu spowodują też znaczny wzrost temperatur lokalnych, regionalnych, a w końcu też globalnej. A więc powstanie istne dodatnie sprzężenie zwrotne, w którym dalszy wzrost temperatury będzie także powodował dalsze uwalnianie się z wieloletniej zmarzliny następnych porcji metanu.
–
Topniejące pokrywy lodowe w ocieplającym się świecie również dają sygnał ostrzegawczy pod jeszcze jednym względem.
Naukowcy czescy z Katedry Ekologii na Wydziale Nauk Ścisłych na Uniwersytecie Karola w Pradze oraz naukowcy duńscy z Wydziału Geonauki i Zarządzania Zasobami Naturalnymi na Uniwersytecie w Kopenhadze i Wydziału Ekologiczno-Naukowego, Środowiska Arktyki na Uniwersytet w Aarhus i Roskilde odkryli wysokie emisje gazowego metanu w ujściu lodowca Russell, znajdujego się w południowo-zachodniej części Grenlandii. 2
Zdaniem badaczy samo topnienie pokryw lodowych działa nie tylko jako potencjalny wzmacniacz klimatu, ale także jako substrat dla mikroorganizmów, takie jak metylotrofy, które w wolnym od lodu środowisku w znaczny sposób uwalniają metan do atmosfery. Znaleźli je właśnie w strumieniu wody roztopowej wspomnianego lodowca. Dokładna obserwacja wykazała, że ich liczebność wyniosła 27,2 proc.
–
Utlenianie i anoksja
Środowiska podlodowcowe, które są rozmieszczone na styku lodowców i pokryw lodowych oraz ich podłoża skalnego i/lub osadów nadległych, zawierają dużo, aczkolwiek utlenianej przez mikroby materii organicznej. Ten proces polega na wyczerpywaniu się zasobów tlenu. Jest to tak zwana anoksja, która z kolei sprzyja powstawaniu procesu metanogenezy, który jest ostatnim etapem degradacji materii organicznej.
–
Metan, który jest uwalniany spod pokryw lodowych
Co jest w tym bardzo istotne? Otóż metan, który pochodzi z mikrobiologicznego rozkładu materii organicznej jest często więziony pod lodem i dość długo przechowywany. Często w postaci klatek lodowych zwanych hydratami metanu. Tak więc subglacjalny metan może służyć jako ogniwo do powstania dodatniego sprzężenia zwrotnego. Topniejące pokrywy, składające się ze śniegu i lodu, pod wpływem globalnego ocieplenia odsłaniają mikroorganizmy, które uwalniają metan do atmosfery. Ten z kolei jako silny gaz cieplarniany ogrzewa dalej te pokrywy śniegowe i lodowe, przez co jest nakręca pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego.
–
Lodowiec Russell (RG) znajduje się w południowo-zachodniej Grenlandii. Jest wciśnięty między lodowiec Isunnguata Sermia (IS) na północy i lodowiec Leverett (LG) na południu. B Mapa punktów poboru próbek pobranych w transekcie proglacjalnym (transekt strumienia). Próbki z portalu RG (portal czerwcowy i portal sierpniowy) odpowiadają lokalizacji poboru próbek GS1, a próbki z potoku proglacjalnego (strumień czerwcowy i strumień lipcowy) odpowiadają lokalizacji poboru pięciu próbek GS5. Źródło: Znaminko M. et al. 2023 / CC BY 4.0
–
Pobranie próbek wody roztopowej z metylotrofami
Z badanego lodowca w czerwcu i sierpniu 2018 r. z portali lodowcowych w miejscach swoich eksperymentów badacze duńscy i czescy pobrali próbki wody roztopowej w celu ekstrakcji (wyizolowania) metylotrofów, odpowiedzialnych za znaczące emisje metanu.
Następnie eksperci przeprowadzili równoczesne pomiary stężeń metanu w powietrzu w pobliżu odpływu strumienia. Następnie Podzielili próbki transektu subglacjalnego na dwie grupy na podstawie ich odległości od każdego portalu lodowcowego.
–
Badanie stężeń metanu
W czerwcu średnie stężenie metanu w powietrzu przy wejściu do morza wynosiło 38,7 ppm. Wahało się od 27,9 do 53,4 ppm. Przy czym pH wody roztopowej wynosiło 7,19, przewodność elektryczna (EC) wynosiła 10,6 μS / cm, a stężenie tlenu wynosiło 14,1 mg, co odpowiada nasyceniu 102,5 proc.
W sierpniu średnie stężenie tego gazu cieplarnianego przy wejściu do morza wykazywało większe wahania. Wynosiło ono 19,2 ppm. Ale wahało się od 5,1 ppm do 58,2 ppm. Z kolei sygnatura izotopowa wskazywała, że prawdopodobnie pochodził on z mikrobiologicznej metanogenezy i że jego źródło było stabilne przez cały sezon.
W eksportowanych zespołach metylotrofów dominowały takie prokarioty jak: Proteobacteria, Bacteroidetes i Actinobacteria.
Okazało się, ż próbki mtylotrofów wyekstrahowane z probek wziętych z portali sierpniowych wykazały większe bogactwo niż z portali sierpniowych.
–
Ostateczna konkluzja na temat bakterii metanowych.
W Badanym obszarze południowo-zachodniej Grenlandii badane metylotrofy, odpowiedzialne za emisje, stanowiły 30 proc. uwalnianych spod topniejącego lodu i spływających z wodami roztopowymi zespołów mikrobiologicznych. Dominowały wśród nich szczepy: Methylococcaceae i Crenotrichaceae (Gammaproteobacteria; metanotrofy typu I), a następnie Methylophilaceae (Betaproteobacteria; metylotrofy niezużywające metanu).
Ogólnie nie została stwierdzona korelacja między względną liczebnością i/lub różnorodnością mikroorganizmów związanych z metanem (metanogenów i metylotrofów) a stężeniem tego gazu w powietrzu w portalu.
Różnice w składzie eksportowanych zespołów zostały wykryte pomiędzy czerwcem a sierpniem wzdłuż podłużnego przekroju strumienia. Prawdopodobnie dzięki rozwojowi połączenia lodowcowego systemu drenażowego i nielodowcowych dopływów dalej w dół rzeki.
Badacze zasugerowali, że miejsca ze znacznym uwalnianiem subglacjalnego metanu mogą być kolonizowane przez mikroorganizmy, które mogą potencjalnie zmniejszyć emisję metanu.
A więc interesujący wniosek ostateczny z tego wynika, że nie wszystkie bakterie metanowe przyczyniają się do globalnego ocieplenia.
Referencje:
- Rößger N. et al., 2022, Seasonal increase of methane emissions linked to warming in Siberian tundra, Nature Climate Change https://www.nature.com/articles/s41558-022-01512-4
- Znaminko M. et al., 2023, Methylotrophic Communities Associated with a Greenland Ice Sheet Methane Release Hotspot, Microbial Ecology https://link.springer.com/article/10.1007/s00248-023-02302-x