Una ruta de escape para el metano de los fondos marinos | Noticias del MIT


El metano, el componente principal del gas natural, es la combustión más limpia de todos los combustibles fósiles, pero cuando se libera a la atmósfera, es un gas mucho más de efecto invernadero. poderoso que el dióxido de carbono. Según algunas estimaciones, el metano de los fondos marinos contenido en formaciones congeladas a lo largo de los márgenes continentales puede igualar o superar la cantidad total de carbón, petróleo y gas en todos los demás reservorios del mundo. Sin embargo, no se comprende bien cómo se escapa el metano de estas formaciones profundas.

En particular, los científicos se enfrentaron a un rompecabezas. Las observaciones en sitios de todo el mundo han mostrado vigorosas columnas de gas metano que escapan de estas formaciones en algunos lugares, pero se espera que la alta presión y baja temperatura de estos ambientes de aguas profundas creen una capa sólida congelada que debería actuar como una especie de piedra angular, evitando que el gas escape. Entonces, ¿cómo sale el gas?

Un nuevo estudio ayuda a explicar cómo y por qué las columnas de gas pueden salir de estas formaciones, llamadas hidratos de metano. Utilizando una combinación de observaciones de aguas profundas, experimentos de laboratorio y modelos informáticos, los investigadores han descubierto fenómenos que explican y predicen cómo se libera el gas de las garras heladas de Una mezcla congelada de agua y metano. Los resultados se informan hoy en la revista. PNAS, en un artículo de Xiaojing (Ruby) Fu SM ’15, PhD ’17, actualmente en la Universidad de California, Berkeley; El profesor Rubén Juanes del MIT; y cinco más en Suiza, España, Nuevo México y California.

Sorprendentemente, la formación de hidratos congelados no solo no evita que el metano se escape a la columna del océano, sino que en algunos casos facilita esta fuga.

Muy temprano, Fu vio fotos y videos que mostraban columnas de metano, tomadas desde un buque de investigación de la NOAA en el Golfo de México, que revelaban el proceso de formación de burbujas en el fondo del mar. Estaba claro que las burbujas mismas a menudo se formaban con una costra congelada a su alrededor y flotaban hacia arriba con sus conchas heladas como pequeños globos de helio.

Más tarde, Fu usó un sonar para detectar columnas de burbujas similares de un barco de investigación frente a Virginia. "Este crucero por sí solo detectó miles de estas columnas", dice Fu, quien dirigió el proyecto de investigación mientras era estudiante graduado y becario postdoctoral en el MIT. "Podríamos seguir estas burbujas de metano incrustadas por conchas de hidratos en la columna de agua", dice. "Fue entonces cuando supimos que la formación de hidratos en estas interfaces de gas podría ser algo muy común".

Pero se desconoce exactamente qué sucedió debajo del lecho marino para desencadenar la liberación de estas burbujas. A través de una serie de experimentos de laboratorio y simulaciones, los mecanismos en funcionamiento emergieron gradualmente.

Los estudios sísmicos del subsuelo del lecho marino en estas regiones de ventilación muestran una serie de conductos o chimeneas relativamente estrechos a través de los cuales escapa el gas. Pero la presencia de trozos de hidrato de gas de esas mismas formaciones dejó en claro que el hidrato sólido y el gas metano pueden coexistir, explica Fu. Para simular las condiciones del laboratorio, los investigadores utilizaron una pequeña configuración bidimensional, intercalando una burbuja de gas en una capa de agua entre dos placas de vidrio a alta presión.

Cuando un gas intenta subir a través del lecho marino, dice Fu, si forma una capa de hidrato cuando golpea el agua de mar fría, debería bloquear su progreso: “Choca contra una pared. Entonces, ¿cómo podría este muro no evitar que migre continuamente? Usando los experimentos de microfluidos, encontraron un fenómeno previamente desconocido en el trabajo, al que llamaron digitación de la corteza.

Si la burbuja de gas comienza a expandirse, "lo que vimos fue que la expansión del gas pudo crear suficiente presión para romper esencialmente la capa de hidrato". Y es casi como si estuviera saliendo de su propio caparazón ”, dice Fu. Pero en lugar de que cada ruptura se congele con el hidrato reformador, la formación de hidrato tiene lugar a lo largo de los lados de la burbuja ascendente, creando una especie de tubo alrededor de la burbuja a medida que se asienta. se mueve hacia arriba. "Es casi como si la burbuja de gas pudiera hacer su propio camino, y ese camino está cerrado por el sólido hidratado", dijo. Este fenómeno que observaron a pequeña escala en el laboratorio, sugiere su análisis, es también lo que ocurriría a una escala mucho mayor en el lecho marino.

Esta observación, dijo, "fue realmente la primera vez que nos percatamos de un fenómeno como este que podría explicar cómo la formación de hidratos no impedirá el flujo de gas, sino que en este caso lo facilitaría ”, al proporcionar un conducto y dirigir el flujo. Sin este enfoque, el flujo de gas sería mucho más difuso y esparcido.

A medida que se forma la costra de hidratos, ralentiza la formación de más hidratos, ya que forma una barrera entre el gas y el agua de mar. El metano debajo de la barrera puede por tanto, persisten durante mucho tiempo en su forma gaseosa no congelada. La combinación de estos dos fenómenos, el efecto de enfoque del canal de la pared hidratada y la segregación del gas metano del agua por una capa de hidrato, "explica en gran medida por qué puede tener una parte de esa ventilación vigorosa, gracias a la formación de hidratos, en lugar de ser impedidos por ella ”, dice Juanes.

fuga de metano
Crédito: Oficina de Exploración e Investigación Oceánica de la NOAA

Una mejor comprensión del proceso podría ayudar a predecir dónde y cuándo se encontrarán estas filtraciones de metano, y cómo los cambios en las condiciones ambientales podrían afectar la distribución y producción de estas filtraciones. Si bien ha habido sugerencias de que el calentamiento global puede aumentar la tasa de este colapso, Fu dice que hasta ahora hay poca evidencia de esto. Ella señala que se espera que las temperaturas en las profundidades donde ocurren estas formaciones, 600 metros (1900 pies) o más de profundidad, experimenten un aumento de temperatura menor de lo que sería necesario para desencadenar una liberación generalizada del gas congelado.

Algunos investigadores han sugerido que estas vastas formaciones de metano submarino podrían algún día aprovecharse para la generación de energía. Si bien existen grandes obstáculos técnicos para tal uso, dice Juanes, estos resultados podrían ayudar a evaluar las posibilidades.

El problema de cómo el gas puede moverse a través de la zona de estabilidad de los hidratos, donde uno esperaría que el gas se inmovilice al convertirse en hidrato y, en cambio, se convierta en Escapar al fondo del mar todavía no se comprende del todo ", dice Hugh Daigle, profesor asociado de ingeniería de petróleo y geosistemas en la Universidad de Texas en Austin, quien no sabe 39, no se asoció con esta investigación. "Este trabajo presenta un probable mecanismo nuevo que presumiblemente podría permitir que ocurra este proceso, e integra bien las observaciones de laboratorio anteriores con modelos a mayor escala".

“En un sentido práctico, el trabajo aquí toma un fenómeno de pequeña escala y nos permite usarlo en un modelo que solo considera escalas mayores, y será muy útil para implementarlo en trabajos futuros”. , dijo Daigle.

El equipo de investigación incluyó a Joaquín Jiménez-Martínez del Instituto Federal Suizo de Ciencia y Tecnología Acuáticas; Than Phon Nguyen, William Carey y Hari Vinaswanathan en el Laboratorio Nacional de Los Alamos; y Luis Cueto-Felgueroso de la Universidad Politécnica de Madrid. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de Estados Unidos.

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