海洋科普:海洋屏障能阻挡甲烷从海底“越狱”吗?
来源:科普时报
发布时间:2021-08-03
浏览次数:1092

甲烷作为一种清洁能源和重要的化工原料,是人们日常所用天然气的主要成分,深受人们的青睐。然而,当这种气体大量释放到空气中引起的温室效应,会对地球的生态环境造成不良影响,这又引起人们的担忧。甲烷排放过程在自然界中普遍存在,目前大气甲烷浓度正以每年0.5—1%的速度增长。

海底具有全球最大的甲烷库存,主要以天然气、天然气水合物、石油、浅层气等形式被牢牢封存于沉积物中。然而总会有一些“顽固”的甲烷分子,试图逃脱海洋系统(沉积物、海水、微生物等)的层层束缚,逃逸到大气层中,造成全球气温上升、冰川融化、海平面升高等一系列不良影响。为防止它们大规模“越狱”,海洋系统为此设置了沉积物和水圈两道防线。

2021080309452085990546923778.jpg

第一道防线——沉积物分布大量“狱警”

海底沉积物可以作为致密的“城墙”储存各种形式的甲烷,也可以成为阻止甲烷分子向上逃逸的第一道防线。在沉积物这道防线中,密密麻麻分布着大量的“狱警”——微生物大军,时刻巡逻监视。这些微生物大军的统帅是甲烷厌氧氧化古菌。这类古菌有三大家族,在沉积物中各显其能,联合硫酸根还原菌、铁锰还原菌、硝酸根还原菌等各路“人马”,共同消灭试图逃逸的甲烷分子。

在微生物大军的围追堵截下,试图逃逸的甲烷分子约有80—90%会被微生物消灭。当然,在一些沉积物地层裂缝中,由于试图逃逸的甲烷通量过大,微生物来不及消灭,会有一小部分甲烷分子成功突破第一道防线,逃逸到海水环境中。据估计,这些沉积物中的微生物大军,每年可以消灭掉约3.42亿吨的甲烷分子,另外约有40—1220万吨甲烷分子能越过沉积物防线逃逸到海水中。

第二道防线——水圈的保护作用

对于那些成功突破海底沉积物这一防线的甲烷分子来说,就算“越狱”成功还要突破第二道防线——水圈。从海底沉积物逃逸出来的甲烷分子,能否顺利到达海面进而进入大气层,会受到很多因素的影响,包括海水深度、海水温度、水体环流运动、甲烷上升速率、甲烷溶解速率、甲烷氧化作用等。

逃到海水中的甲烷首先会给自己穿一件“防护衣”,即在气泡表面形成一层甲烷水合物膜。这件“防护衣”能够保护它们不会被海水溶解。然而,在甲烷气泡不断上升的过程中,由于压力减小、气泡体积变大,“防护衣”被逐渐撑破,因而甲烷只能溶解到海水中。

这时,微生物大军又开始不断进攻这些逃逸的甲烷分子。由于海水环境中含有氧气,甲烷厌氧古菌难以进入该领地,现在的“统帅”则变成了甲烷有氧氧化细菌。甲烷有氧氧化细菌也是个大家族,能够利用不同的代谢途径消灭甲烷。

观测研究结果表明,在超过600米的深海水域中逃逸的甲烷几乎难逃被消灭的命运,但在不超过50米的浅水域的甲烷渗漏区,由于海水水层较薄,这里的甲烷分子能够较轻易地逃脱海水的束缚,顺利进入大气中,即使海洋具有全球最大的面积占比和甲烷库存,但是依托于沉积物和水圈这两道防线的防护作用,成功逃逸到大气层中的甲烷微乎其微。

海底沉积物中蕴藏着大量的甲烷资源,具有良好的开发利用前景。天然气水合物作为甲烷存在的主要形式之一,被认为是“21世纪最具开发潜力的新型清洁能源”,其储量是全球煤、石油和天然气总量的两倍。然而,天然气水合物开发所引起的甲烷泄漏等环境危害,是科学家乃至社会各界普遍关注的焦点。我国两次海域天然气水合物试采已成功证明了甲烷泄漏的可控性,但在未来大规模商业开采过程中,如何更好地利用海洋系统中的天然防线,加强科技创新和工程技术攻关,有效防止甲烷分子“越狱”到大气层,仍任重道远。

(作者系广州海洋地质调查局工程师)


欢迎扫码入群!

深圳科普将定期推出

公益、免费、优惠的活动和科普好物!




听说,打赏我的人最后都找到了真爱。
做科普,我们是认真的!
扫描关注深i科普公众号
加入科普活动群
  • 参加最新科普活动
  • 认识科普小朋友
  • 成为科学小记者