Потенциальный источник энергии – газовые гидраты – образуется в морских глубинах, а также в мощных геологических отложениях в условиях вечной мерзлоты.
Источник: газета Handelsblatt
Тот факт, что метан содержится в угольных пластах, известен давно. Он является основным компонентом природных газов угольных пластов, не затронутых процессами газового выветривания (деметанизацией). Концентрация метана в смеси природных газов угольных пластов составляет 80–98%. Однако то, что значительные запасы газа скрыты на морских глубинах от 500 м, известно немногим.
Молекулы замерзшего метана, или метанового льда-гидрата метанола (соединенные между собой молекулы воды и метана), образуются при давлении не менее 50 бар и температурах 2–4 градуса по Цельсию. Именно на морских глубинах от 500 м и царят подобные условия. При комнатной температуре метановый лед тает. Размер таких молекул зависит от их возраста, глубины и местоположения их залегания. Чем глубже и старше молекулы, тем они больше и могут достигать 0,6 мм. Особенно активно они растут в пористых песках. Ученые США и Германии, по сообщению немецкой экономической и финансовой газеты Handelsblatt, проявляют большой интерес к изучению их природы и возможных способов добычи. Как сообщил «НГ-энергии» известный российский ученый-газовик Алексей Хайтун, в России исследований газовых гидратов не проводится.
В подобных залежах метанового льда, отмечают ученые, скрывается вдвое больше энергии, чем во всех ныне разведанных запасах угля, нефти и природного газа вместе взятых. Но главное состоит в том, что это возобновляемый ресурс, поскольку молекулы метана снова и снова возникают. Причем метан считается достаточно чистым энергоносителем, поскольку при его сгорании не образуются сажа, сера и угарный газ, а только двуокись углерода.
Сейчас между учеными идут споры относительно возможности организации промышленной добычи метанового льда, поскольку он распределен на значительной территории и организовать его сбор не так-то просто. Как отмечает в этой связи газете Handelsblatt Стефан Клапп из исследовательского Центра изучения моря и окружающей среды Бременского университета, метановый лед может стать многообещающим преемником нефти и природного газа. Вся задача состоит в том, чтобы научиться его добывать. Стефан Клапп согласился ответить на вопросы «НГ-энергии».
– Какой энергетический потенциал имеет новый источник энергии?
– Газовые гидраты, в том числе метановые гидраты, представляют собой твердые тела, в которых накапливается природный газ, прежде всего метан. Если бы удалось собирать метан со дна морей, то его можно было бы использовать как известный нам природный газ для получения энергии. Но на этом пути возникает ряд проблем. Они сводятся к следующему.
Газовые гидраты стабильны только при высоком давлении и относительно низких температурах. Такое необходимое давление возникает на глубинах в несколько сотен метров. Это означает, что эти соединения можно встретить только в морских глубинах. Из этого следует, что для их добычи требуется создать новые технологии для работы в морских глубинах. Причем подобная техника должна быть в состоянии обеспечить транспорт и сохранение этих соединений на поверхности Земли, поскольку иначе они легко разлагаются на воду и газ.
– Где имеются месторождения гидрата метана и как их можно географически распределить?
– Газовые гидраты образуются в морских глубинах, а также в мощных геологических отложениях в условиях вечной мерзлоты. Такие условия характерны для Канады и северных областей России. В море газовые гидраты можно обнаружить в Черном море, в Мексиканском заливе, у побережья Канады, Перу, Новой Зеландии, на острове Окинава, в Пакистане и в других местах. В принципе для образования газовых гидратов необходимы не только высокое давление и холод, но и метан. В свою очередь, метан создается в результате микробиологической активности при разложении органической материи или путем термокаталитических процессов разложения углеводородов – например, нефти. Только в том случае, если растворенный в воде газ превзойдет определенную стадию насыщения при соответствующем давлении и температурах, происходит образование газовых гидратов. Многие ученые полагают, что на продолжении континентальных шельфов в морях и океанах могут существовать газовые гидраты, поскольку там царят идеальные условия для их образования.
– Когда можно начать добычу газовых гидратов и что для этого необходимо?
– Теоретически человечество в состоянии уже сейчас начать подобную эксплуатацию морских глубин и зоны вечной мерзлоты. Научно-производственные консорциумы уже проводили успешное тестовое бурение в Северной Канаде. Японцы активно работают над производственным использованием газовых гидратов. Главным на сегодня является вопрос экономичности. Сейчас для многих государств добыча других энергоносителей является более приоритетной, чем газовых гидратов. Их добыча намного дороже, чем добыча нефти и природного газа, а поэтому менее эффективна. В тот момент, когда произойдет удорожание добычи традиционных углеводородов, настанет звездный час для газовых гидратов. Проблема утилизации выделяющегося из газовых гидратов при обычных условиях газа уже решена рядом фирм, в том числе и канадскими.
– Какие технологии необходимы для использования этого источника энергии?
– Чтобы разморозить газовые гидраты, существуют три метода. Первый – химические добавки, которые направляются в буровую скважину и служат для дестабилизации газовых гидратов. В результате гидраты разлагаются на воду и газ, который поднимается вверх и улавливается приборами. Второй – термическое разложение газовых гидратов с помощью горячей воды. Третий – искусственное снижение давления в пластах газовых гидратов, что приводит к их разложению и освобождению газа.
Многие научные учреждения работают сейчас над поиском технологий, позволяющих осуществлять транспортировку газовых гидратов в их первоначальной форме до электростанций, работающих на газе. Для этого необходимо изменять их так, чтобы они уже не оставались стабильными, но еще не разлагались – так называемое метастабильное состояние.
Правообладатель иллюстрации NASA / JHUAPL / SWRI Image caption Поверхность Плутона представляет собой динамичную систему
Ученые нашли доказательства существования на Плутоне дюн из замороженного метана.
Согласно данным исследования, результаты которого были опубликованы в журнале Science , рельеф этой далекой карликовой планеты более разнообразен, чем считалось ранее.
- Где заканчивается Солнечная система?
- Ученые заметили рождение новой планеты из звездной пыли
Ранее предполагалось, что атмосфера Плутона слишком разрежена и не обладает качествами, которые присущи атмосфере нашей планеты - например, не может формировать барханов и дюн.
Открытие было сделано после анализа фотографий, сделанных аппаратом НАСА New Horizons ("Новые горизонты"), пролетевшим рядом с Плутоном в июле 2015 года.
Космический зонд летел к планете почти 10 лет, промчавшись мимо Плутона на скорости почти 60 тысяч км/ч.
Правообладатель иллюстрации NASA / JHUAPL / SWRI Image caption Дюны занимают значительную часть долины Спутника на нижней части этого снимкаВ своем исследовании ученые рассказали, как изучали фотографии Равнины Спутника, частично покрытой чем-то, напоминающим дюны. По соседству протянулась цепь ледяных гор высотой около 5 км.
Исследователи пришли к выводу, что дюны находятся друг от друга на расстоянии 400-1000 м и состоят из замерзших метановых льдинок, размер которых в диаметре - около 200-300 микрометров. Это примерно соответствует размеру привычных нам песчинок.
Проектом руководил Мэтт Телфер - физический географ из Университета Плимута.
"Мы не можем рассмотреть каждую песчинку, но можем определить дюны и их физические характеристики, а также плотность атмосферы, в которой они сформировались", - рассказал он в интервью Би-би-си.
Правообладатель иллюстрации NASA / JHUAPL / SWRI Image caption На значительной части поверхности Плутона метановый лед может образовывать не дюны, а заструги"Также мы можем измерить некоторые основные показатели, например, удаленность дюн друг от друга, а также примерную скорость ветров, которые их образуют. Затем мы можем ввести эти данные в физическую модель, на основе которой можно предположить примерный вес такой песчинки", - пояснил он.
Для формирования дюн нужна атмосфера такой плотности, которая позволит ветрам переносить материал, а также необходим запас сухих частиц и механизм, с помощью которого частицы будут отрываться от поверхности.
Поначалу казалось, что на Плутоне таких условий нет.
Но Телфер и его коллеги вычислили, что дюны могут находиться на участке поверхности Плутона, где дуют наиболее сильные ветры на планете, достигающие скорости 10 метров в секунду, что достаточно для переноса частиц такого размера.
Такие ветры порождаются нисходящими потоками газов с вершин окружающих гор, а также за счет процесса сублимации метанового льда, то есть перехода его из твердого в газообразное состояние.
Ученые пришли к выводу, что на склонах гор на Плутоне лежит снег, состоящий из метана и, возможно, азота, который в определенных условиях переносится ветрами в долины.
Движущей силой этого процесса может быть разогрев атмосферы Солнцем, который поднимает температуру выше минус 230 градусов по Цельсию, то есть точки замерзания азота.
При разогреве льда в поверхностных слоях почвы кристаллы метана передают свою энергию льду из твердого азота, что содействует его сублимации и позволяет кристаллам метанового льда подниматься ветром в атмосферу.
Правообладатель иллюстрации NASA / JHUAPL / SWRI Image caption Раньше мало кто предполагал наличие на Плутоне активной атмосферы"Мы понимаем теперь, что это небесное тело на окраинах Солнечной системы вовсе не является замерзшим планетоидом - на самом деле это динамичный мир, который постоянно изменяется и по сей день", - говорит Телфер.
Эти мысли находят отражение в статье профессора Александра Хейза, астронома из Корнеллского университета в Итаке, США, которая также опубликована в журнале Science.
Он приводит высказывание покойного сэра Патрика Мура, знаменитого ведущего популярной программы Би-би-си "Небо ночью", который еще в 1955 году писал о Плутоне как о планете, погруженной в вечную ночь, где царят тьма, тишина и холод.
Как указывает астроном, настало время пересмотреть эти старые представления. По его словам, теперь ученые уверены в том, что Плутон является геологически разнообразным и динамичным миром, в котором есть и внутреннее тепло, и смена времен года, и сублимация поверхностного льда.
Он подчеркивает, что Плутон не является самым удаленным от Солнца телом в нашей планетной системе, а представляет собой скорее "форпост" на пути в неисследованные области пояса Койпера.
Правообладатель иллюстрации NASA/JHUAPL/SwRI/Steve Gribben Image caption В январе 2019 году зонд New Horizons пролетит мимо астероида 2014 MU69Попутно стало ясно, что дюнный пейзаж характерен для целого ряда планет и других объектов нашей Солнечной системы - Венеры, Марса, спутника Сатурна Титана и даже кометы 67Р.
В настоящий момент космический зонд New Horizons приближается к другому объекту в поясе Койпера - транснептуновому астероиду 2014 MU69.
На следующей неделе на борт аппарата будет послана команда по активации его бортовых систем, а сближение с этим небесным телом состоится 1 января 2019 года.
Владимир ФРАДКИН
В массовом сознании альтернативными энергоносителями являются исключительно возобновляемые источники энергии – Солнце, ветер, биомасса, морской прибой и тому подобные. Есть, однако, и ещё один весьма перспективный, хоть и не возобновляемый энергоноситель: метан с морского дна. Многие о его существовании и не догадываются, что, в общем-то, простительно: ведь ещё совсем недавно об этом не знали и учёные. Между тем, на морском дне хранятся огромные запасы метана! Правда, он находится там в связанном виде – в форме твёрдых гидратов.
Образование гидратов метана, то есть его соединений с водой, происходит под воздействием высокого давления и низкой температуры – при условиях, вполне типичных для океанских глубин. Там, где океаническая плита, сдвигаясь, уходит под континентальную, возникают зоны мощнейшего сжатия. Они-то и выдавливают наружу метан, образующийся в толще органических отложений. Одна из таких тектонических зон находится у западного побережья Северной Америки. Экспедиция, отправившаяся туда на поиски гидрата метана, действительно его нашла, однако главной сенсацией стало то, что огромные его залежи были обнаружены непосредственно на поверхности морского дна. Профессор Юрген Минерт, научный сотрудник немецкого Исследовательского центра «Geomar» со штаб-квартирой в Киле, говорит: «Мы имеем основания считать, что газовая смесь, заключённая в этой породе, на 98...99 процентов состоит из метана. Когда проба грунта с морского дна поднимается на борт, газ тут же начинает улетучиваться. Чёрные пятна свидетельствуют о повышенном содержании углерода в осадочных отложениях. Иначе говоря, метан, обнаруженный на морском дне, является продуктом разложения органической материи, результатом отмирания живых организмов, то есть имеет биогенное, а не термогенное происхождение».
Образцы газогидрата, добытые у побережья США, с тех пор бережно сохраняются в специальных резервуарах-холодильниках и изучаются – например, в Институте полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера в Бремерхафене. Здесь расположена одна из немногочисленных лабораторий, в которых созданы условия, обеспечивающие сохранность газогидрата в первозданном виде. То есть в помещении поддерживается температура –27°C, так что исследователи вынуждены работать в специальных комбинезонах и тёплых перчатках. Поднятые со дна моря куски газогидрата внешне напоминают вывалянные в грязи куски льда. Собственно, это и есть лёд с высоким содержанием метана. Образцы нарезают на тончайшие пластинки, каждый срез фотографируют, и только после этого гидрат подвергают химическому анализу. Йенс Грайнерт, сотрудник Исследовательского центра «Geomar», поясняет: «По большей части, это метан. На 98% метан, но и остальное – это может быть сероводород, углекислый газ, – нас очень интересует, поскольку от примесей во многом зависит, при каких условиях гидрат стабилен, а при каких – нет. Зная это, можно браться за исследование вопроса, когда и как гидраты метана образуются, когда и как распадаются».
Немалый интерес к работам геофизиков проявляют и климатологи. В их глазах метан – не столько ценный энергоноситель, сколько один из главных виновников глобального потепления.
«Метан, как известно, третий по значимости парниковый газ. Принято считать, что важным источником метана являются океаны и – особенно – периферийные моря. Но зачастую учёные не могут даже качественно оценить, выделяет ли море метан в атмосферу или же, напротив, связывает атмосферный метан, образуя гидраты. А уж о количественной оценке этих процессов сегодня и говорить не приходится. Между тем, это очень важный вопрос. И мы надеемся, что наши новые приборы помогут найти на него ответ, – говорит Клаус Вайткамп, сотрудник Исследовательского центра «GKSS» в Геестхахте, специализирующегося на создании высокочувствительных газовых сенсоров. Но каковы же запасы метана в газогидратах? Могут ли они оказать существенное влияние на климат – например, если в результате глобального потепления залегающие на дне под толщей воды гидраты начнут распадаться на составные компоненты, и весь метан уйдёт в атмосферу?» Сотрудник Исследовательского центра «Geomar» Герхард Борман говорит: «Существуют оценки, согласно которым около 50% всего имеющегося на Земле углерода заключено в этих гидратах. Вы только представьте себе, мы столько говорили о содержании углекислого газа в атмосфере, о круговороте углерода в природе, и до сих пор не учитывали столь важное слагаемое этого процесса! Впрочем, все расчёты, которыми мы пользуемся, носят весьма приблизительный характер. Прогнозируя, где и в каком количестве могут быть обнаружены подводные газогидратные поля, мы исходим из сейсмических наблюдений и геофизических исследований. Но чтобы повысить достоверность прогнозов, необходимо произвести пробные бурения и замеры в тех районах океана, где предсказано наличие гидратов метана, и проанализировать полученные результаты. Пока мы лишь в самом начале пути, но думаю, что исследование газогидратов станет ключевой темой на ближайшие годы, а возможно, и десятилетия».
Поиски гидратов метана ведутся в самых различных районах мирового океана и с привлечением самой современной специальной техники. Примечательно, что при этом геофизики не жалеют сил на изучение придонной флоры и фауны. Дело в том, что обитатели морского дна могут служить своего рода индикаторами, указывающими на наличие в недрах месторождения газогидрата. Сотрудник Исследовательского центра «Geomar» биолог Петер Линке рассказывает: «Между известковыми глыбами, возникшими на дне в результате геохимических и тектонических процессов, происходит истечение метаносодержащих жидкостей, которые являются основой для существования определённого вида моллюсков. Наличие этих моллюсков и является для нас верным признаком, что тут из недр выделяется метан. Конечно, моллюски не могут питаться метаном как таковым – он для них так же ядовит, как и для человека. Здесь мы имеет дело с типичным примером симбиоза: метаносодержащая жидкость усваивается особыми бактериями, живущими в мантии моллюсков. А сами моллюски питаются отходами жизнедеятельности этих бактерий, что и позволяет им существовать на такой глубине, куда солнечный свет практически не проникает. Естественно, моллюски стремятся поселиться как можно ближе к источнику продовольствия, то есть к тем трещинам и щелям в известковых отложениях, из которых и происходит истечение метаносодержащих жидкостей. В свою очередь, эти моллюски служат пищей для некоторых других видов морской фауны. То есть те места, в которых, по нашим оценкам, существуют условия для образования газогидратов, являются своего рода оазисами в пустыне морских глубин».
Моллюски, извлечённые со дна моря во время экспедиции к побережью США, подверглись, разумеется, самому пристальному исследованию. Их препарировали, затем из тканей раковины и мантии учёные выделили углерод, связав его в углекислый газ, и проанализировали с помощью масспектрометра. Высокое содержание изотопа углерода С 12 позволило сделать вывод о том, что моллюски действительно питались за счёт жидкостей, омывающих газогидратные месторождения.
А вот найти этих самых моллюсков оказалось непросто: многочисленные пробы грунта со дна моря в тех местах, где – исходя из геофизических соображений – предполагались месторождения газогидратов, долгое время не давали положительного результата. Почему?
«Либо недостаточно настойчиво искали, либо источники метана, которые некогда давали пищу и служили основой существования этих моллюсков, сегодня обеднели или вовсе иссякли. Для моллюсков это катастрофа, они вымирают. Для нас же это свидетельство того, что источники бедны или пусты. Если мы обнаруживаем большую колонию живых моллюсков, это даёт нам основания полагать, что здесь имеются значительные источники метана. Если же никаких моллюсков нет или мы находим только пустые раковины, значит, интенсивного выделения метаносодержащих жидкостей здесь, скорее всего, не наблюдается, – продолжает Петер Линке, участник экспедиции, которая обнаружила богатые месторождения гидрата метана и сопутствующие им колонии моллюсков и у побережья США, и в Аравийском море у берегов Пакистана».
Однако наибольший интерес учёных вызывают холодные моря Крайнего Севера и Крайнего Юга. В частности, Охотское море. Профессор Эрвин Зюсс, долгие годы руководивший Исследовательским центром «Geomar», особо подчёркивает климатологический аспект: «Источником метана в Охотском море, как и во многих других периферийных морях, являются гидраты. Охотское море более 9-ти месяцев в году покрыто льдом, и поднимающийся со дна метан удерживается этим ледяным покровом. Весной, когда лёд начинает таять, в атмосферу в считанные недели уходят огромные массы метана. Учитывая важность метана как парникового газа, следует очень внимательно изучить влияние этих сезонных выбросов на глобальный климат. Это поможет разобраться в тенденциях и механизмах климатических изменений, происходящих на Земле».
Чтобы понять, изменения какого масштаба имеет в виду Эрвин Зюсс, следует принять во внимание такую цифру: из одного кубометра гидрата, извлечённого со дна морского, выделяется 164 кубометра газообразного метана! То есть речь идёт, с одной стороны, о скрытом в гидратах метана колоссальном энергетическом потенциале, а с другой стороны, об огромной опасности, которую эти гидраты могут представлять для климата планеты. А то, что месторождения газогидратов на морском дне действительно огромны, у специалистов не вызывает сомнений. Ганс Фаленкамп, профессор кафедры природоохранных технологий Дортмундского университета, говорит: «Запасы газогидратов геологи оценивают, соотнося их с суммарным объёмом разведанных на сегодняшний день месторождений нефти, природного газа и угля. Их вывод таков: залежи метана на дне морей и океанов обладают вдвое большими энергоресурсами, чем все прочие ископаемые энергоносители вместе взятые».
А это ни много ни мало – 10 тысяч миллиардов тонн. Однако технологии, пригодной для широкомасштабной добычи этого бесценного клада со дна моря, до недавнего времени не существовало. Коллега профессора Ганса Фаленкампа по кафедре природоохранных технологий Дортмундского университета – Хайко Юрген Шультц – говорит: «Предложенные до сих пор способы добычи были недостаточно эффективными. Произведённые расчёты показали, что метан, поднятый этими способами со дна моря, не может конкурировать с природным газом, добываемым традиционными методами».
Помимо низкой экономичности, есть и вторая проблема – безопасность. Залежи газогидратов располагаются на крутых склонах, на глубинах от 300 до 1000 метров и являются фактором, стабилизирующим морское дно в этих геологически-активных регионах. Широкомасштабная разработка месторождений может вызвать подводные оползни и, как следствие, разрушительные приливные волны – цунами. Кроме того, нельзя не считаться с возможностью аварийных выбросов огромных масс метана в атмосферу, что чревато грандиозной экологической катастрофой, не говоря уже об угрозе здоровью и жизни персонала, обслуживающего добывающее оборудование. Но Хайко Юрген Шультц предложил недавно новый и, как он считает, весьма перспективный метод добычи газогидратов. По крайней мере, расчёты на компьютерной модели выглядят многообещающе: «Мы представили технологию, которая позволит обеспечить высокую эффективность и значительные объёмы добычи».
Чтобы получить газообразный метан из твёрдых газогидратов, их нужно расплавить, то есть нагреть. Проект Хайко Юргена Шультца предполагает прокладку специального трубопровода с платформы на поверхности моря до залежей газогидратов на морском дне. Особенность трубопровода в том, что он состоит из труб с двойной стенкой. Это как бы два трубопровода, из которых один пропущен сквозь другой. Хайко Юрген Шультц поясняет: «По принципу действия это напоминает кофеварку. По внутренней трубе мы подаём морскую воду, нагретую до 30...40 градусов, непосредственно к месторождению газогидратов. Те плавятся, при этом из них выделяются пузырьки газообразного метана, которые вместе с водой поднимаются по внешней трубе наверх, к платформе. Там метан отделяется от воды и подаётся в цистерны или в магистральный трубопровод, а тёплая вода снова закачивается вниз, к залежам газогидратов».
Расчёты показывают, что при использовании такой технологии количество выработанной энергии в 40 раз превысит то количество, которое придётся затратить на добычу. То есть экономичность налицо. А как обстоит дело с экологичностью? Вопрос важный хотя бы уже потому, что метан – один из самых вредоносных для климата газов, – напоминает профессор Фаленкамп: «Все парниковые газы сравнивают, как правило, с углекислым газом. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы».
Но если верить компьютерным расчётам, никаких аварийных выбросов метана ожидать не приходится. Более того, Хайко Юрген Шультц уверен, что его технология сводит на нет также и угрозу подводных оползней. В настоящее время он ищет инвесторов, чтобы реализовать свою идею на практике. Стоимость проекта оценивается в 100 миллионов евро.
Запасы энергоресурсов на нашей планете велики, даже если не принимать во внимание нефть или каменный уголь. Обширные месторождения гидрата метана, или метанового льда, покрывают морское дно, покоятся среди многолетней мерзлоты. Если удастся их освоить, то человечество будет обеспечено энергией на многие десятилетия, может быть, даже на столетия вперед, считают экономисты.
Метановый лед станет топливом завтрашнего дня, когда традиционные ресурсы начнут иссякать. Пока же в его промышленной добыче заинтересованы лишь отдельные страны, практически не располагающие нефтью или газом, например Япония. Но так ли доступен этот новый источник энергии? Не лопнет ли мечта о нем, как мыльный пузырь, как те метановые пузырьки, что непрестанно всплывают с морского дна, чтобы вмиг раствориться в воде или рассеяться в воздухе?
Споры об энергетике будущего продолжаются, а потому тем более важноизучить метановый лед, понять, как он образуется и какие проблемы могут возникнуть при разработке его запасов. По всему видно, что воспользоваться ничейными богатствами будет отнюдь не так просто.
Гидрат метан выглядит как обычный лед, запорошенный снегом. Он представляет собой соединение воды и метана, которое образуется лишь при температуре от 2 до 4 °С и давлении не менее 20 атмосфер. Вот почему его месторождения находятся либо в полярных областях, либо в глубинах океана. Нередко его называют горючим льдом, ведь, если поднести спичку к этому беловатому комку, он вспыхнет. Загорится газ, заключенный в водяном льде.
Если поднести спичку к комку метанового льда, он вспыхнет
Кристаллическая структура этого гидрата своеобразна. Молекулы метана втиснуты в «клетки», составленные из молекул воды. В «клетках» царит невероятная теснота. Подсчитано, что в одном кубическом метре гидрата метана содержится 0,8 кубометра воды и… 164 кубометра метана. При таянии льда весь метан, накопленный в его кристаллах, улетучивается в атмосферу.
Заинтересовались метановым льдом лишь в 1930-х годах, когда выяснилось, что при транспортировке газа в полярных областях трубы замерзают изнутри, в них образуется лед. В 1960-х годах этот необычный лед обнаружили в Сибири и Северной Америке при бурении в зонах многолетней мерзлоты. В 1970-х годах советские ученые отыскали гидрат метана на дне Черного моря, доказав, что подводные месторождения этого вещества, очевидно, широко распространены.
В естественных условиях гидрат метана образуется, прежде всего, на материковых склонах. Здесь много планктона, и при отмирании мельчайших организмов, его составляющих, огромное количество органических материалов оседает на дно океана. Бактерии разлагают органику, и в результате выделяется метан. При определенных давлениях и температурах он «вмерзает в воду». Так разрастаются пласты метанового льда. Они залегают, как правило, на глубине от 400 до 1000 метров – там, где вода очень холодна, а давление высоко. А вот в глубоководной части океана нет залежей гидратов, ведь там мало органики.
Итак, дно материковых склонов затянуто мощными пластами метанового льда. Порой их толщина превышает тысячу метров. Льдины забиваются в пустоты внутри породы, заполняют все полости между камнями. Даже рыхлые толщи песка насквозь проморожены пронизавшей их льдистой крупой.
Помимо морского дна, крупные месторождения гидрата метана встречаются в ледяных щитах Гренландии и Антарктиды, а также в районах многолетней мерзлоты на севере России и Америки, Здесь они залегают на глубине около полукилометра и ниже. Их мощность достигает нескольких сотен метров. В США оба наиболее исследованных месторождения расположены на суше, на побережье моря Бофорта, в районе залива Прадо-Бей. В холодном климате Аляски эти залежи сохраняют стабильность. Так что Аляску справедливо называют важнейшей энергетической сокровищницей США. Ее запасов хватит, чтобы сделать страну на многие десятилетия независимой от импорта энергоресурсов.
Очевидно, многие месторождения метанового льда до сих пор не обнаружены. Между тем они имеются не только в открытом океане, но и в Черном, Азовском и Средиземном морях, а также в Каспийском море (а вот Балтийское море мелковато для появления своего пояса метановых льдов).
Запасы гидратов кажутся почти безграничными. По заявлению Геологической службы США, «в газовых гидратах содержится вдвое больше углерода, чем во всех известных нам месторождениях ископаемых энергоносителей». По данным Международного совета ООН по изменению климата, опубликованным в 2009 году, общая энергоемкость месторождений гидрата метана составляет от 15 до 200 тысяч триллионов киловатт-часов. Для сравнения: уровень ежегодного потребления энергии на нашей планете оценивается примерно в 150 триллионов киловатт-часов. Метановые льды сулят безбедные времена?
…Но снова и снова слышатся голоса специалистов, считающих, что добыча метанового льда в промышленных масштабах недопустима, поскольку связана с проблемами, которые с трудом поддаются решению. Ведь в этих «айсбергах», придавленных толщей воды к материковым склонам, заключено громадное количество парникового газа – метана.
Гидрат метана очень неустойчив. Извлеченный на поверхность, он быстро тает, превращаясь в лужицу воды и струйку метана над ней. Так что при бесконтрольной добыче гидрата, да еще при нынешнем уровне технологий, значительная часть метана просто улетучится, что лишь усилит глобальное потепление. Метан, как парниковый газ, гораздо эффективнее углекислого газа, с выбросами которого в атмосферу безуспешно борются всеми конвенциями и конференциями. Он будет согревать не только дома и квартиры наших детей и внуков, но и всю планету. По подсчетам американского геолога Уильяма Диллона, за последние 100 лет вклад метана в повышение температуры оказался в 23 раза ощутимее, нежели углекислого газа.
Опасность состоит еще и в том, что при разработке верхних слоев месторождения весь ледник начинает таять. Метан самопроизвольно выделяется из лежащих ниже пластов. А ведь те цементируют рыхлые осадочные отложения, защищая материковые склоны от оползня. Когда «цемент» испаряется, весь склон рушится, как замок, возведенный из песка. Протяженность подобных оползней может достигать десятков километров. Потрясения в глубине моря отзовутся и на его поверхности, породят мощную волну – цунами.
Но даже если оставить месторождения метанового льда в покое и не осваивать их, они могут стать источником опасности в будущем, поскольку большие количества метана будут выделяться в атмосферу и при повышении температуры Мирового океана, и при таянии вечной мерзлоты. Чем сильнее прогревается морская вода, тем заметнее сокращается зона стабильности гидрата метана.
Нечто подобное уже было в истории нашей планеты около 55 миллионов лет назад, на рубеже палеоцена и эоцена. Тогда средняя температура на Земле была на 4-5° выше, чем теперь. Ученые полагают, что причиной этого глобального потеплению стало массовое таяние метанового льда. Как следствие, в атмосферу выделилось огромное количество метана – произошла так называемая «метановая отрыжка». За несколько десятков тысячелетий вымерли многие виды растений и животных, прежде всего фораминиферы, простейшие обитатели древних морей.
Экологи все чаще вспоминают историю с «метановой отрыжкой». А не придет ли все к этому через «каких-нибудь» несколько тысячелетий?
Гидрат метана на океаническом дне
Гидрат метана – самый таинственный минерал Земли, о котором стало известно только в последние десятилетия. Этот минерал может существовать только в специфических условиях. Например, при земном атмосферном давлении и температуре не выше минус 80 градусов. Если же температура воздуха будет равна 0 градусов Цельсия, то для существования этого минерала необходимо создать высокое давление – 25 бар. Он не может находиться в жидком и газообразном состоянии, его невозможно расплавить. Гидрат метана может быть только твердым.
Что же представляет из себя этот таинственный минерал?
Гидрат метана – это лед, имеющий особую структуру в виде кластеров, внутри которых разместились молекулы метана и других соединений метанового ряда (CH4, C2H6, C3H8, изобутан, и т. п.). Вода и метан связаны между собой непрочными молекулярными связями, и при повышении температуры газ метан просто покидает кластеры и испаряется. Если нагрев происходит быстро – освобождение метана тоже происходит быстро, иногда – взрывообразно.
Модель гидрата метана
Известны случаи взрывообразного отхождения метана из подтаявшей вечной мерзлоты и осадочных толщ морей. Это приводит к насыщению воды пузырьками метана и понижению её плотности. В результате корабль или подводная лодка могут затонуть. Существует предположение, что именно такое явление было причиной внезапного затопления кораблей в знаменитом Бермудском треугольнике.
При сильных землетрясениях, подвижках литосферных плит, также может происходить нагрев пород и взрывообразное высвобождение метана. Если поднять гидрат метана со дна или извлечь из вечной мерзлоты, из него сразу начнет выходить газ. Этот газ можно поджечь и увидеть удивительную картину – пылающий лед!
Где находятся гидраты метана
и почему об этом удивительном соединении стало известно только во второй половине двадцатого века?
Этот минерал находится на дне океанов, на шельфе и в толщах пород океанического дна. Но только на определенной глубине, там, где тепло из недр Земли ещё не нагревает осадочные породы. Под вечной мерзлотой, опять же, до определенной глубины. На дне озера Байкал. Природные запасы этого минерала очень велики.
Гидрат метана — источник энергии, так как при его добыче можно получать природный газ в больших количествах. По подсчетам специалистов, это 160 – 180 кубических сантиметров метана из 1 куб. см льда. Так что промышленная разработка скоплений этого минерала может принести немало голубого топлива. Перспектива использования гидрата метана как источника запасов газа подтолкнула к его тщательному изучению в конце 20 и начале 21 века.
Но этот минерал также источник большой опасности для жизни на Земле. Представьте, что температура морской воды вдруг увеличилась, на дне морей и океанов начали извергаться вулканы в большом количестве. Метан сразу выделится в воду и атмосферу. Метан – парниковый газ, также, как и СО2. Парниковый эффект, создаваемый метаном, в разы больше, чем от углекислого газа. Произойдет разогрев атмосферы и океанов. Это приведет к глобальным изменениям климата на Земле, к гибели множества видов животных и растений в морях и на суше. Может быть, и к гибели человека.
Геологи считают, что нечто подобное произошло примерно 252 млн. лет назад (конец пермского геологического периода), когда на севере центральной Сибири упал большой астероид и пробил земную кору. Это привело к излиянию базальтовой лавы на значительной территории, извержению вулканов и землетрясениям на всей планете. Как следствие – поступление в атмосферу не только вулканического пепла, но и метана. В результате погибло 70 процентов видов обиталелей суши и 96% видов обитателей морей и океанов. Мир изменился… Это космическое и геологическое событие известно как «пермская катастрофа». , излившиеся после падения астероида можно увидеть на геологических картах, они носят название «сибирские траппы».
Усиление вулканической активности и выделение большого количества метана в атмосферу происходило и в позднем палеоцене, что также привело к изменениям в растительном и животном мире, гибели тысяч видов живых организмов.
Есть не только на Земле. Гидраты метана, с большой долей вероятности, есть на планетах солнечной системы, покрытых льдом и имеющих метановую атмосферу. Это Нептун и Уран. Возможно, гидраты метана содержит лед комет.