Metaaniklatraatti

Metaaniklatraatti tai metaanihydraatti (metaanijääkasauma, ”palava jää”) on valkoista huokoista jäätä, jossa vesijään kiderakenne sulkee metaanikaasun (CH₄) sisäänsä. Sitä on muun muassa merten pohjan kerrostumissa mannerjalustojen rinteillä. Yhdysvaltain geologinen tutkimuslaitos on arvioinut, että metaaniklatraatteihin on sitoutunut kaksi kertaa niin paljon hiiltä kuin kaikkiin tunnettuihin muihin fossiilisten polttoaineiden raaka-aineiden esiintymiin.

Synty

Metaaniklatraattia muodostuu kylmässä ja korkeassa paineessa maan sisässä. Orgaaninen muodostuminen vaatii hapettomat olot ja riittävän määrän hiiltä. Metaaniklatraatti sijaitsee sen muodostumiselle sopivalla syvyydellä, jossa ei ole liian kuuma ja on sopiva paine. Tätä vyöhykettä kutsutaan englanninkielisellä lyhenteellä GHSZ (Gas Hydrate Stability Zone).
Metaaniklatraatit ovat syntyneet tuhansien vuosien aikana orgaanisesta materiaalista, joka on vajonnut meren pohjaan. Mikrobit ovat tuottaneet orgaanisesta planktonista metaania. Korkeassa paineessa osasta metaania on muodostunut metaaniklatraattia. Metaaniklatraatteja syntyy, kun on paljon metaania, korkea paine ja kylmää.

Esiintyminen

Metaaniklatraattia on kerrostunut kylmiin meren syvänteisiin ja mannerjalustojen mannerrinteisiin, joissa pohjaveden lämpötila on alle 2 °C ja pohjan 0 °C. Metaani syntyy hapettomilla, nopeasti hiiltä kerrostavilla mannerjalusta-alueilla anaerobisen bakteeritoiminnan takia. Se on osa hiilen kiertokulkua. Metaaniklatraatti on aina alle 2 000 metrin syvyydessä, koskaan sitä ei esiinny kuumassa maan sisuksissa. Mantereella metaaniklatraattia on hiekkakivessä alle 800 metrin syvyydessä Siperiassa ja Alaskassa.
Metaaniklatraatteja on valtamerien sedimenteissä useiden satojen metrien syvyydessä. UNEP:n mukaan merenpohjan metaaniklatraattien määräksi arvioidaan 2 000–5 000 mrd tonnia tai jopa 10 000 mrd tonnia hiiltä metaanina. Ilmakehässä on nyt 800 mrd tonnia hiiltä hiilidioksidina. Arktisilla alueilla metaaniklatraatteja on merenpohjassa lähellä pintaa, esimerkiksi jäätikön ja ikiroudan alla. Metaaniklatraattia on kaikissa maailman merissä ja esiintymät ovat valtaisat. Metaaniklatraatteja arvioidaan olevan hiileksi mitattuna kaksi kertaa niin paljon kuin maailman tunnetut hiili-, öljy- ja maakaasuesiintymät yhteensä.

Vapautuminen

Metaaniklatraatti voi vapauttaa metaania ilmakehään muun muassa merenpinnan nousemisen tai lämpötilan nousun myötä. Jo parin asteen lämpötilan nousu metaaniklatraattien ympäristössä riittää niiden purkautumiseen meristä. UNEP:n mukaan metaaniklatraattien arvioidaan olevan metaanipäästölähde tulevaisuudessa. Metaanin lämpötilaa kohottava vaikutus on 25-kertainen hiilidioksidiin verrattuna.
Venäläisten tutkijoiden mukaan Siperiassa on havaittu 22. syyskuuta 2008 laajoja metaanipäästöjä merenpohjan metaanihydraateista. Ruotsalaisen Örjan Gustafssonin mukaan Tukholman yliopistosta aluksessa havaittiin 22. syyskuuta 2008 laaja-alainen voimakas metaanipurkaus. Havainnot tehtiin Itä-Siperian merellä ja Laptevinmerellä. Metaanin vapautuminen ilmakehään mitattiin kaikuluotaimella ja seismisellä mittarilla. Havaintojen mukaan veden liuenneen metaanin pitoisuus oli kohonnut paikoittain 100-kertaiseksi tausta-arvoihin verrattuna. Kölnin yliopiston geologin Lorenz Schwarkin mukaan metaanipurkauksia on tutkittu tarkasti monissa paikoissa maailmassa, muun muassa metaanipurkauksia on kuvattu Vancouverin luona Kanadassa. Hänen mukaansa Venäjän Siperiasta on kuitenkin vähän mittauksia asiasta ja paljon spekulointeja. Useimmiten mikrobit käyttävät vapautuvan metaanin ennen kuin se vapautuu ilmakehään. Schwark ei usko merkittävän suuriin metaanipäästöihin, mikäli ei todeta suuria sedimentin kaltevuuksien muutoksia.

Energia

IPCC:n mukaan maailman metaaniklatraattien energiamäärä voi olla valtava. Arviot vaihtelevat välillä 216–2 880 EWh. Turvallista ja taloudellista käyttötekniikkaa ei tunneta. Metaaniklatraattien käyttöönottoon liittyy merkittäviä ympäristöongelmia, koska erotuksessa voi vapautua tahattomasti hiilidioksidia.
1 metaanimooli vapautuu jokaisesta metaaniklatraatin 5,75 vesimoolista, eli nollassa asteessa ja yhden ilmakehän paineessa yksi metaaniklatraattilitra sisältää 168 metaanikaasulitraa. Metaaniklatraatin tiheys on 0,9 g/cm³. Metaani alkaa vapautua tästä ”palavasta jäästä” 18 asteen lämpötilassa.
Klatraateista vapautui hiiltä paleoseenin lämpöhuipussa PETM:ssä 1,1–2,1 × 10¹⁵ kg, joka vastaa kymmenesosaa nykyistä klatraattivaroista (7,5–15 × 10¹⁵ kg). Nykyinen metaaniklatraatti sisältää 2–10-kertaisesti niin paljon kaasua kuin mitä nykyisissä kaasuesiintymissä on eli 1–5 × 10¹⁵ m³ tämän hetkisten arvioiden mukaan, aikaisemmat arviot olivat korkeampia. Tämä vastaa 500–2 500 gigatonnia hiiltä (GtC). Arktisella alueella lienee metaania klatraateissa 400 GtC. Yksistään Meksikonlahdella on arviolta ~10¹⁰ m³ metaanikaasua.