Atmosfärisk metan - Atmospheric methane

Metan (CH ₄ ) mätt med Advanced Global Atmospheric Gases Experiment ( AGAGE ) i den nedre atmosfären ( troposfären ) vid stationer runt om i världen. Överflöd ges som föroreningsfria månatliga genomsnittliga molfraktioner i delar per miljard .

Metankoncentration vid NOAA: s Mauna Loa-observatorium till juli 2021: Rekordhögt 1912 ppb nåddes i december 2020.

Sammanställning av paleoklimatologiska data för metan

Metanobservationer från 2005 till 2014 som visar säsongsvariationer och skillnaden mellan norra och södra halvklotet

Datormodeller som visar mängden metan (delar per miljon i volym) vid ytan (överst) och i stratosfären (botten)

Atmosfärisk metan är metan som finns i jordens atmosfär . Atmosfäriska metankoncentrationer är av intresse eftersom det är en av de mest potenta växthusgaserna i jordens atmosfär. Atmosfärisk metan stiger.

Metans 20-åriga globala uppvärmningspotential är 84. Det vill säga under en 20-årsperiod fångar den 84 gånger mer värme per massaenhet än koldioxid (CO ₂ ) och 105 gånger effekten när man tar hänsyn till aerosolinteraktioner . Globala metankoncentrationer ökade från 722 delar per miljard (ppb) i förindustriell tid till 1879 ppb år 2020, en ökning med en faktor 2,5 och det högsta värdet på minst 800 000 år. Dess koncentration är högre på norra halvklotet eftersom de flesta källor (både naturliga och mänskliga) finns på land och norra halvklotet har mer landmassa. Koncentrationerna varierar säsongsmässigt, med till exempel ett minimum i de norra tropikerna under april -maj främst på grund av avlägsnande av hydroxylradikalen . Det förblir i atmosfären i 12 år.

Tidigt i jordens historia producerade koldioxid och metan sannolikt en växthuseffekt . Koldioxiden skulle ha producerats av vulkaner och metan av tidiga mikrober. Under denna tid dök jordens tidigaste liv upp. Dessa första, gamla bakterier tillfördes metankoncentrationen genom att omvandla väte och koldioxid till metan och vatten. Syre blev inte en viktig del av atmosfären förrän fotosyntetiska organismer utvecklades senare i jordens historia. Utan syre stannade metan i atmosfären längre och i högre koncentrationer än vad det gör idag.

De kända metankällorna är övervägande belägna nära jordens yta. I kombination med vertikala atmosfäriska rörelser och metans relativt långa livstid anses metan vara en välblandad gas. Med andra ord anses metankoncentrationen vara konstant med avseende på höjden inom troposfären. Metanens dominerande sjunka i troposfären är reaktion med hydroxylradikaler som bildas genom reaktion av singlet syreatomer med vattenånga. Metan finns också i stratosfären, där metankoncentrationen minskar med höjden.

Metan som växthusgas

Metan i jordens atmosfär är en stark växthusgas med en global uppvärmningspotential (GWP) 84 gånger större än CO ₂ inom en 20-årig tidsram; metan är inte en så långvarig gas som CO ₂ (förutsatt att ingen koländring sker) och svalnar till cirka GWP på 28 under en 100-årig tidsram. Detta innebär att ett metanutsläpp beräknas ha 28 gånger påverkan på temperaturen av en koldioxidutsläpp med samma massa under de följande 100 åren förutsatt att ingen förändring sker i koldioxidutsläppet. Metan har en stor effekt, men under en relativt kort period, med en uppskattad genomsnittlig halveringstid på 9,1 år i atmosfären, medan koldioxid för närvarande ges en uppskattad genomsnittlig livslängd på över 100 år.

Den globala genomsnittliga koncentrationen av metan i jordens atmosfär ökade med cirka 150% från 722 ± 25 ppb 1750 till 1803,2 ± 1,2 ppb 2011. Från och med 2011 bidrog metan med en strålningsförstärkning på 0,48 ± 0,05 Wm ⁻² , eller cirka 17% av den totala strålningsstyrkan från alla de långlivade och globalt blandade växthusgaserna. Enligt NOAA har metanhalten i atmosfären fortsatt att öka sedan 2011 till en genomsnittlig global koncentration på 1892,2 ppb i december 2020. Toppen i mars 2019 var 1866,2 ppb, medan april 2020 -toppen var 1876,0 ppb, en ökning med 0,5%.

Utsläppsredovisning av metan

Balansen mellan källor och sänkor av metan är ännu inte helt klarlagd. Den IPCC: s arbetsgrupp I anges i kapitel 2 i den fjärde utvärderingsrapporten att det finns "stora osäkerheter i de nuvarande bottom-up uppskattningar av komponenter i den globala källan", och balansen mellan källor och sänkor är ännu inte känt. Den viktigaste sjunken i metancykeln är reaktion med hydroxylradikalen, som produceras fotokemiskt i atmosfären. Produktionen av denna radikal är inte helt förstådd och har stor effekt på atmosfäriska koncentrationer. Denna osäkerhet exemplifieras av observationer som har visat att mellan år 2000 och 2006 ökade metanhalten i metan upphörde, av skäl som fortfarande undersöks.

Olika forskargrupper ger följande värden för metanemissioner :

Avbildar flödet av metan från naturliga och antropogena källor till atmosfären samt handfat som fångar upp eller omvandlar metan. Vissa naturliga och antropogena källor är kopplade, till exempel djurjordbruk som ger stora mängder idisslare. Det enda sättet metan kommer tillbaka till naturliga system är genom jorden.

Diagram som visar de viktigaste metankällorna för decenniet 2008-2017, framställd av en global rapport om globala metanutsläpp från Global Carbon Project

Naturliga och antropogena metankällor, enligt NASA Goddard Institute for Space Studies

Naturliga källor till metan i atmosfären

Varje process som resulterar i produktion av metan och dess utsläpp till atmosfären kan betraktas som en "källa". De två huvudprocesserna som ansvarar för metanproduktionen sker som ett resultat av att mikroorganismer anaerobt omvandlar organiska föreningar till metan.

Metanogenes

De flesta ekologiska utsläppen av metan avser direkt metanogener som genererar metan i varma, fuktiga jordar samt i matsmältningskanalen hos vissa djur. Metanogener är metanproducerande mikroorganismer. För att producera energi använder de en anaerob process som kallas metanogenes. Denna process används istället för aeroba, eller med syre, processer eftersom metanogener inte kan metaboliseras i närvaro av även små koncentrationer av syre. När acetat bryts ner i metanogenes är resultatet att metan släpps ut i omgivningen.

Metanogenes , den vetenskapliga termen för metanproduktion, förekommer främst under anaeroba förhållanden på grund av bristen på tillgång till andra oxidanter. Under dessa förhållandenanvänder mikroskopiska organismer som kallas archaea acetat och väte för att bryta ned viktiga resurser i en process som kallas jäsning .

Acetoklastisk metanogenes - viss archaea klyver acetat som produceras under anaerob jäsning för att ge metan och koldioxid.

H ₃ C-COOH → CH ₄ + CO ₂

Hydrogenotrofisk metanogenes - archaea oxiderar väte med koldioxid för att ge metan och vatten.

4H ₂ + CO ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

Medan acetoklastisk metanogenes och hydrototrof metanogenes är de två huvudsakliga källreaktionerna för atmosfärisk metan, förekommer också andra mindre biologiska metankällreaktioner. Till exempel har det upptäckts att bladytvax som exponeras för UV -strålning i närvaro av syre är en aerob källa till metan.

Våtmarker

Våtmarker står för cirka 20 procent av atmosfärisk metan genom utsläpp från jord och växter. Våtmarker motverkar den sjunkande verkan som normalt uppstår med jord på grund av det höga vattennivån. Vattennivåns nivå representerar gränsen mellan anaerob metanproduktion och aerob metankonsumtion. När vattennivån är låg måste metanen som genereras i våtmarksjorden komma upp genom jorden och ta sig förbi ett djupare lager av metanotrofa bakterier och därigenom minska utsläppen. Metantransport av kärlväxter kan kringgå detta aeroba skikt och därmed öka utsläppen.

Djur

Drivande djur, särskilt kor och får, innehåller bakterier i sina mag -tarmsystem som hjälper till att bryta ner växtmaterial. Några av dessa mikroorganismer använder acetatet från växtmaterialet för att producera metan, och eftersom dessa bakterier lever i magen och tarmarna på idisslare, när djuret "burps" eller avföring, avger det också metan. Baserat på en studie i Snowy Mountains -regionen motsvarar mängden metan som släpps ut från en ko den mängd metan som cirka 3,4 hektar metanotrofa bakterier kan konsumera.

Termiter innehåller också metanogena mikroorganismer i tarmen. Vissa av dessa mikroorganismer är dock så unika att de inte lever någon annanstans i världen förutom i den tredje tarmen hos termiter. Dessa mikroorganismer bryter också ner biotiska komponenter för att producera etanol , liksom metanbiprodukt. Men till skillnad från idisslare som förlorar 20 procent av energin från de växter de äter, förlorar termiter bara 2 procent av sin energi i processen. Således behöver termiter inte äta lika mycket mat som idisslare för att få samma mängd energi och avge proportionellt mindre metan.

Växter

Levande växter (t.ex. skogar) har nyligen identifierats som en potentiellt viktig källa till metan, som eventuellt är ansvariga för cirka 10 till 30 procent av atmosfärisk metan. Ett papper från 2006 beräknade utsläppen på 62–236 Tg a ⁻¹ , och ”denna nyligen identifierade källa kan ha viktiga konsekvenser”. Men författarna betonar "våra resultat är preliminära med avseende på metanemissionsstyrkan".

Dessa fynd har ifrågasatts i en artikel från 2007 som fann "det finns inga bevis för betydande aerob metanemission från markanläggningar, maximalt 0,3% av de tidigare publicerade värdena".

Medan detaljerna om växtmetanutsläpp ännu inte har bekräftats, skulle växter som en betydande metankälla hjälpa till att fylla i luckorna i tidigare globala metanbudgetar samt förklara stora metanrester som har observerats över tropikerna.

I våtmarker, där metanproduktionstakten är hög, hjälper växter metan att resa in i atmosfären - fungerar som inverterade blixtstänger när de leder gasen upp genom jorden och upp i luften. De misstänks också producera metan själva, men eftersom anläggningarna skulle behöva använda aeroba förhållanden för att producera metan är själva processen fortfarande oidentifierad.

Metangas från metanklatrater

Vid höga tryck, som finns på botten av havet, bildar metan ett fast klatrat med vatten, känt som metanhydrat . En okänd men möjligen mycket stor mängd metan fångas i denna form i havssediment. Frisläppande av stora mängder metangas från sådana sediment i atmosfären har föreslagits som en möjlig orsak till snabba globala uppvärmningshändelser i jordens avlägsna förflutna, såsom Paleocene -Eocene Thermal Maximum för 55 miljoner år sedan och det stora döda .

Teorier tyder på att om den globala uppvärmningen får dem att värmas upp tillräckligt kan all denna metangas åter släppas ut i atmosfären. Eftersom metangas är tjugofem gånger starkare (för en given vikt, i genomsnitt över 100 år) än CO
₂som en växthusgas; detta skulle öka växthuseffekten enormt. Men de flesta av denna reservoar av hydrater verkar isolerade från förändringar i ytklimatet, så en sådan utsläpp kommer sannolikt att ske över geologiska tidsskalor på ett årtusende eller mer.

Permafrost

Arktiska metankoncentrationer fram till september 2020

Metan som fryses i permafrost - mark som fryss i flera år åt gången - släpps långsamt från myrarna när permafrosten smälter. Med stigande globala temperaturer fortsätter mängden permafrost som smälter och frigör metan att öka.

Denna bild visar topografin på den tibetanska platån. Observera den höga höjden i hela regionen.

De senaste decennierna har rekordtining av permafrost upptäckts i Arktis . Mätningar under 2006 i Sibirien visar att metanen som släpps ut är fem gånger större än tidigare beräknat. Smältning yedoma , en typ av permafrost, är en betydande källa till atmosfärs metan (ca 4 Tg av CH ₄ per år). Den tibetanska platån innehåller cirka 3% så mycket lagrat kol som Arktis och de flesta av världens alpina permafrost eller permafrost på hög höjd.

Den Woods Hole Research Center , med hänvisning till två 2015 studier på permafrost kol säger att det kan vara en självförstärkande tippa punkt där en beräknad ekvivalent av 205 gigaton av koldioxid i form av metan kan orsaka upp till 0,5 ° C (upp till 0,9 ° F) uppvärmning i slutet av seklet, vilket skulle utlösa mer uppvärmning. Permafrost innehåller nästan dubbelt så mycket kol som finns i atmosfären. Vissa forskare hävdar att mellanstatliga panelen för klimatförändringar inte ger tillräcklig redogörelse för arktisk metan i permafrost.

På senare tid har Dyonisius et al. (2020) fann att metanutsläpp från gamla kolreservoarer i kallt område som permafrost och metanhydrat var små under den senaste avgasningen. De analyserade kolisotopkompositionen av atmosfärisk metan som var fångad i bubblor i is i Antarktis och fann att metanutsläppen från de gamla kolkällorna under uppvärmningsintervallet var små. De hävdar att detta fynd tyder på att metanutsläpp som svar på framtida uppvärmning sannolikt inte kommer att vara så stora som vissa har föreslagit.).

Antropogena källor till atmosfärisk metan

Drygt hälften av det totala utsläppet beror på mänsklig aktivitet. Sedan den industriella revolutionen har människor haft stor inverkan på koncentrationerna av metan i atmosfären, vilket har ökat atmosfäriska koncentrationer med cirka 250%. Enligt IPCC -rapporten 2021 orsakas 30-50 procent av den nuvarande temperaturstegringen av metanutsläpp, och minskning av metan är ett snabbt sätt att minska klimatförändringarna .

Ekologisk omvandling

Omvandling av skogar och naturmiljöer till jordbruksmarker ökar mängden kväve i marken, vilket hämmar metanoxidationen , vilket försvagar metanotrofiska bakteriers förmåga att fungera som sänkor. Dessutom kan människor genom att ändra vattennivåns nivå direkt påverka markens förmåga att fungera som källa eller sjunka. Förhållandet mellan vattennivåerna och metanutsläpp förklaras i våtmarksavsnittet av naturkällor.

Bondgårdsdjur

En FN -rapport från FAO från 2006 rapporterade att boskap genererar fler växthusgaser mätt i CO ₂ -ekvivalenter än hela transportsektorn. Boskap står för 9 procent av antropogent CO ₂ , 65 procent av antropogen kväveoxid och 37 procent av antropogent metan. En hög FN-tjänsteman och medförfattare till rapporten, Henning Steinfeld, sa att "boskap är en av de viktigaste bidragsgivarna till dagens allvarligaste miljöproblem."

Ny NASA -forskning har bekräftat att enterisk jäsning spelar en avgörande roll för boskap på den globala uppvärmningen. "Vi förstår att andra växthusgaser förutom koldioxid är viktiga för klimatförändringarna idag", säger Gavin Schmidt , huvudförfattare till studien och forskare vid NASA: s Goddard Institute for Space Studies i New York City och Columbia University's Center for Climate Systems. Forskning. Andra nyligen granskade NASA -forskning som publicerats i tidskriften Science har också indikerat att metans bidrag till den globala uppvärmningen har underskattats.

Nicholas Stern, författare till 2006 års Stern Review om klimatförändringar har uttalat "människor kommer att behöva bli vegetarianer om världen ska besegra klimatförändringarna". Ordförande i National Academy of Sciences Ralph Cicerone (en atmosfärisk forskare) har indikerat bidrag metan genom boskap gasbildning och rapning till den globala uppvärmningen är en "allvarlig ämnet". Cicerone säger "Metan är den näst viktigaste växthusgasen i atmosfären nu. Befolkningen av nötkreatur och mjölkboskap har vuxit så mycket att metan från kor nu är stort. Detta är inte en trivial fråga."

Cirka 5% av metanet släpps ut via flatus , medan de andra 95% släpps ut via erukation . Vacciner är under utveckling för att minska mängden som införs genom utbrott. Asparagopsis -tång som fodertillsats har minskat metanutsläppen med mer än 80%.

Ris jordbruk

På grund av en ständigt växande världsbefolkning har risodling blivit en av de mest betydande antropogena metankällorna. Med varmt väder och vattenloggad jord fungerar risfält som våtmarker, men genereras av människor för livsmedelsproduktion. På grund av rismarkens träskliknande miljö ger dessa åkrar 50–100 miljoner ton metanutsläpp varje år. Detta innebär att risodlingen är ansvarig för cirka 15 till 20 procent av antropogena metanutsläpp. En artikel skriven av William F. Ruddiman undersöker möjligheten att metanutsläpp började stiga till följd av antropogen aktivitet för 5000 år sedan när gamla kulturer började bosätta sig och använda jordbruk, risbevattning i synnerhet, som en primär matkälla.

Deponier

På grund av de stora samlingarna av organiskt material och tillgänglighet av anaeroba förhållanden är deponier den tredje största källan till atmosfärisk metan i USA, och står för ungefär 18,2% av metanutsläppen globalt under 2014. När avfall först läggs till en deponi, syre är rikligt och genomgår således aerob nedbrytning; under vilken tid mycket lite metan produceras. Emellertid är syrehalten i allmänhet uttömd och anaeroba förhållanden dominerar deponin så att metanogener kan ta över nedbrytningsprocessen. Dessa metanogener avger metan till atmosfären och även efter att deponin stängts tillåter massan av sönderfallande material metanogenerna att fortsätta producera metan i åratal.

Avloppsrening

Avloppsreningsanläggningar agerar för att avlägsna organiskt material, fasta ämnen, patogener och kemiska faror till följd av kontaminering av människor. Metanemission i avfallsbehandlingsanläggningar sker som ett resultat av anaeroba behandlingar av organiska föreningar och anaerob biologisk nedbrytning av slam.

Biomassabränning

Ofullständig förbränning av både levande och döda organiska ämnen leder till utsläpp av metan. Medan naturliga skogsbränder kan bidra till metanutsläpp, sker huvuddelen av biomassaförbränningen som ett resultat av människor - inklusive allt från oavsiktliga förbränningar av civila till avsiktliga förbränningar som används för att rensa ut mark till biomassaförbränning som uppstår till följd av förstörelse av avfall.

Olje- och naturgasförsörjningskedja

Metan är en huvudkomponent i naturgas och därför förloras en betydande mängd metan i atmosfären under produktion, bearbetning, lagring, överföring och distribution av naturgas.

Enligt EPA: s inventering av utsläpp och sänkor för växthusgaser i USA: 1990–2015 , uppgick metanutsläppen från naturgas och petroleumsystem 2015 till 8,1 Tg per år i USA. Individuellt uppskattar EPA att naturgassystemet släpper ut 6,5 Tg per år metan medan petroleumsystem släpper ut 1,6 Tg per år metan. Metanutsläpp förekommer inom alla sektorer inom naturgasindustrin, från borrning och produktion, genom insamling och bearbetning och överföring till distribution. Dessa utsläpp sker genom normal drift, rutinunderhåll, flyktiga läckor, systemstörningar och ventilering av utrustning. Inom oljeindustrin innehåller en del underjordisk råolja naturgas som ligger i oljan vid högt reservoartryck. När olja avlägsnas från behållaren produceras tillhörande gas .

En granskning av metanutsläppsstudier avslöjar dock att EPA: s inventering av växthusgasutsläpp och sänkor: 1990–2015 sannolikt signifikant underskattade metanutsläpp från 2015 från olje- och naturgasförsörjningskedjan. Granskningen drog slutsatsen att under 2015 släppte olje- och naturgasförsörjningskedjan ut 13 Tg metan per år, vilket är cirka 60% mer än EPA -rapporten för samma tidsperiod. Författarna skriver att den troligaste orsaken till avvikelsen är en undersökning från EPA av så kallade "onormala driftsförhållanden", under vilka stora mängder metan kan avges.

Metanglidning från gasmotorer

Användningen av naturgas och biogas i ICE ( förbränningsmotor ) för applikationer som elproduktion / kraftvärme / kraftvärme (kraftvärme och kraft ) och tunga fordon eller marinfartyg som LNG -bärare som använder avkokningsgas för framdrivning, avger en viss andel UHC, oförbränt kolväte varav 85% är metan. Klimatfrågorna med att använda gas till bränsle ICE kan kompensera eller till och med omintetgöra fördelarna med mindre CO ₂ och partikelutsläpp är beskrivna i denna 2016 EU Issue boken om metan glida från marinmotorer : "Utsläpp av oförbränd metan (känd som 'metan slip ') var cirka 7 g per kg LNG vid högre motorbelastningar och ökade till 23–36 g vid lägre laster. Denna ökning kan bero på långsam förbränning vid lägre temperaturer, vilket gör att små mängder gas kan undvika förbränningsprocessen ". Vägfordon kör mer på låg last än marinmotorer som orsakar relativt högre metanglidning.

Kolbrytning

År 2014 NASA rapporterade forskare upptäckten av en 2500 kvadrat miles (6500 km ² ) metan moln svävande över Four Corners regionen i sydvästra USA. Upptäckten baserades på data från European Space Agency 's Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography instrument från 2002 till 2012.

Rapporten drog slutsatsen att "källan sannolikt kommer från etablerad gas-, kol- och kolsängmetangruvning och bearbetning." Regionen släppte ut 590 000 ton metan varje år mellan 2002 och 2012 - nästan 3,5 gånger de mycket använda uppskattningarna i Europeiska unionens utsläppsdatabas för global atmosfärisk forskning. År 2019 uppskattade International Energy Agency (IEA) att metanutsläppen som läcker från världens kolgruvor värmer det globala klimatet i samma takt som sjöfarts- och flygindustrin tillsammans.

Borttagningsprocesser

Varje process som förbrukar metan från atmosfären kan betraktas som en "sjunka" av atmosfärisk metan. Den mest framträdande av dessa processer sker som ett resultat av att metan antingen förstörs i atmosfären eller bryts ner i jorden. Människor har ännu inte fungerat som någon betydande nedsänkning av atmosfärisk metan.

Ett cirkeldiagram som visar de relativa effekterna av olika sänkor av atmosfärisk metan

Reaktion med hydroxylradikalen - Den huvudsakliga avlägsnandemekanismen för metan från atmosfären innefattar radikal kemi ; den reagerar med hydroxylradikal (· OH) i troposfären eller stratosfären för att skapa den · CH ₃ radikal och vattenånga. Förutom att vara den största kända diskbänken för atmosfärisk metan, är denna reaktion en av de viktigaste källorna till vattenånga i den övre atmosfären. Efter reaktionen mellan metan och hydroxylradikalen finns två dominerande vägar för metanoxidation: [A] som leder till en nettoproduktion av ozon och [B] som inte orsakar någon nettozonzonförändring. För metanoxidation att ta den väg som leder till nettoozonproduktion, måste kväveoxid (NO) vara tillgänglig för att reagera med CH ₃ O ₂ ·. Annars, CH ₃ O ₂ · reagerar med hydroperoxyl radikalen (HO ₂ ·), och oxidationen tar vägen med ingen netto ozon förändring. Båda oxidationsvägarna leder till en nettoproduktion av formaldehyd och vattenånga.

[A] Nettoproduktion av O ₃

CH ₄ + · OH → CH ₃ · + H ₂ O

CH ₃ · + O ₂ + M → CH ₃ O ₂ · + M

CH ₃ O ₂ · + NO → NO ₂ + CH ₃ O ·

CH ₃ O · + O ₂ → HO ₂ · + HCHO

HO ₂ · + NO → NO ₂ + · OH

(2x) NO ₂ + hv → O ( ³ P) + NO

(2x) O ( ³ P) + O ₂ + M → O ₃ + M

[NÄT: CH ₄ + 4O ₂ → HCHO + 2O ₃ + H ₂ O]

[B] Ingen nettoförändring av O ₃

CH ₄ + · OH → CH ₃ · + H ₂ O

CH ₃ · + O ₂ + M → CH ₃ O ₂ · + M

CH ₃ O ₂ · + HO ₂ · + M → CH ₃ O ₂ H + O ₂ + M

CH ₃ O ₂ H + hv → CH ₃ O · + · OH

CH ₃ O · + O ₂ → HO ₂ · + HCHO

[NÄT: CH ₄ + O ₂ → HCHO + H ₂ O]

Notera att för den andra reaktionen, kommer det att finnas en nettoförlust av radikaler i fallet där CH ₃ O ₂ H förloras till våtdepositionen innan den kan undergå fotolys sådan att: CH ₃ O ₂ H + H ₂ O → våtdepositionen. Observera också att M representerar en slumpmässig molekyl som underlättar energiöverföring under reaktionen. Denna reaktion i troposfären ger en genomsnittlig livslängd på metan på 9,6 år. Ytterligare två mindre sänkor är jordtankar (160 års genomsnittlig livslängd) och stratosfärsförlust genom reaktion med · OH, · Cl och · O ¹ D i stratosfären (120 års genomsnittlig livslängd), vilket ger en genomsnittlig nettolivslängd på 8,4 år. Oxidation av metan är den huvudsakliga källan till vattenånga i den övre stratosfären (börjar vid trycknivåer runt 10 kPa ).

Metylradikalen som bildas i reaktionen ovan kommer normalt att reagera under normala dagtid i troposfären med en annan hydroxylradikal för att bilda formaldehyd . Observera att detta inte är strikt oxidativ pyrolys som beskrivits tidigare. Formaldehyd kan reagera igen med en hydroxylradikal för att bilda koldioxid och mer vattenånga. Sidkedjor i dessa reaktioner kan interagera med kväveföreningar som sannolikt kommer att producera ozon och därmed ersätta radikaler som krävs i den första reaktionen.

Naturliga sänkor av atmosfärisk metan

De flesta naturliga sänkor uppstår till följd av kemiska reaktioner i atmosfären samt oxidation av metanförbrukande bakterier i jordens jord.

Metanotrofer i jordar

Jordar fungerar som en stor sjunka för atmosfärisk metan genom de metanotrofa bakterierna som finns i dem. Detta sker med två olika typer av bakterier. Metanotrofa bakterier med "hög kapacitet och låg affinitet" växer i områden med hög metankoncentration, till exempel vattentät jord i våtmarker och andra fuktiga miljöer. Och i områden med låg metankoncentration använder metanotrofa bakterier med "låg kapacitet och hög affinitet" metan i atmosfären för att växa, snarare än att förlita sig på metan i sin närmaste miljö.

Skogsjord fungerar som goda sänkor för atmosfärisk metan eftersom jordar är optimalt fuktiga för metanotrofaktivitet och gasernas rörelse mellan jord och atmosfär (jorddiffusivitet) är hög. Med en lägre vattennivå måste metan i jorden ta sig förbi de metanotrofa bakterierna innan den når atmosfären.

Våtmarksmarker är emellertid ofta källor till atmosfärisk metan snarare än sjunker eftersom vattennivån är mycket högre, och metan kan diffunderas ganska lätt i luften utan att behöva konkurrera med jordens metanotrofer.

Metanotrofa bakterier i jordar - Metanotrofa bakterier som finns i jorden använder metan som en källa till kol vid metanoxidation. Metanoxidation gör att metanotrofa bakterier kan använda metan som energikälla, reagera metan med syre och som ett resultat av att producera koldioxid och vatten.

CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O

Troposfär

Det mest effektiva sjunkandet av atmosfärisk metan är hydroxylradikalen i troposfären, eller den lägsta delen av jordens atmosfär. När metan stiger upp i luften reagerar den med hydroxylradikalen för att skapa vattenånga och koldioxid. Den genomsnittliga livslängden för metan i atmosfären uppskattades till 9,6 år från och med 2001; emellertid ökar utsläppen av metan över tid att minska koncentrationen av hydroxylradikalen i atmosfären. Med mindre OH˚ att reagera med kan metans livslängd också öka, vilket resulterar i högre koncentrationer av atmosfärisk metan.

Stratosfär

Om det inte förstörs i troposfären kommer metan att hålla i cirka 120 år innan det så småningom förstörs i jordens nästa atmosfäriska skikt: stratosfären. Förstörelse i stratosfären sker på samma sätt som i troposfären: metan oxideras för att producera koldioxid och vattenånga. Baserat på ballongburna mätningar sedan 1978 har mängden stratosfärisk metan ökat med13,4% ± 3,6% mellan 1978 och 2003.

Reaktion med fritt klor

Reaktionen av metan och kloratomer fungerar som en primär sjunka av Cl -atomer och är en primär källa till saltsyra (HCl) i stratosfären.

CH ₄ + Cl → CH ₃ + HCl

HCl som produceras i denna reaktion leder till katalytisk ozonförstöring i stratosfären.

Avlägsnande av metan i den nedre troposfären kan uppnås med kloradikaler som produceras av järnsaltaerosoler, som kan ökas artificiellt utan risk för stratosfäriskt ozon.

Trender i metanhalter över tid

Sedan 1800 -talet har metanhalten i atmosfären ökat årligen med en hastighet av cirka 0,9%.

Globala trender i metanhalter

Långsiktiga atmosfäriska mätningar av metan från NOAA visar att metanuppbyggnaden planade ut under decenniet före 2006, efter nästan tredubbling sedan förindustriell tid. Även om forskare ännu inte har fastställt vad som orsakade denna minskning av ackumuleringshastigheten för metan i atmosfären, verkar det bero på minskade industriutsläpp och torka i våtmarksområden.

Undantag från denna minskning av tillväxttakten inträffade 1991 och 1998 när tillväxttakten plötsligt ökade till 14–15 nmol/mol per år för dessa år, nästan dubbla tillväxttakten från åren innan.

1991 -spiken torde bero på vulkanutbrottet i Mount Pinatubo i juni samma år. Vulkaner påverkar metanutsläpp i atmosfären när de bryter ut och släpper ut aska och svaveldioxid i luften. Som ett resultat påverkas fotokemi av växter och avlägsnandet av metan via den troposfäriska hydroxylradikalen reduceras. Tillväxttakten sjönk dock snabbt på grund av lägre temperaturer och global minskning av nederbörd.

Orsaken till 1998 -spiken är olöst, men forskare tillskriver den för närvarande till en kombination av ökade utsläpp från våtmark och risfält samt en ökad mängd biomassaförbränning. 1998 var också det varmaste året sedan yttemperaturer först registrerades, vilket tyder på att onormalt höga temperaturer kan orsaka förhöjt metanemission.

Data från 2007 föreslog att metankoncentrationerna började stiga igen. Detta bekräftades 2010 när en studie visade att metanhalterna ökade under tre år 2007 till 2009. Efter ett decennium av tillväxt i metanhalten nästan noll, ökade den genomsnittliga atmosfäriska metanhalten i världen med [ungefär] 7 nmol/mol per år under 2007 och 2008. Under första halvåret 2009 var den genomsnittliga atmosfäriska CH _{4 i} atmosfären [ungefär] 7 nmol/mol större än 2008, vilket tyder på att ökningen kommer att fortsätta under 2009. " Från 2015 till 2019 har kraftiga ökningar av metan i atmosfären registrerats.

Metanutsläppsnivåerna varierar mycket beroende på den lokala geografin. För både naturliga och antropogena källor resulterar högre temperaturer och högre vattennivåer i den anaeroba miljö som är nödvändig för metanproduktion.

Naturliga metancykler

Utsläpp av metan till atmosfären är direkt relaterat till temperatur och fukt. Således fungerar de naturliga miljöförändringarna som sker under säsongsförändringar som en stor kontroll av metanemission. Dessutom kan även temperaturförändringar under dagen påverka mängden metan som produceras och konsumeras.

Till exempel kan växter som producerar metan avge så mycket som två till fyra gånger mer metan under dagen än under natten. Detta är direkt relaterat till det faktum att växter tenderar att förlita sig på solenergi för att genomföra kemiska processer.

Dessutom påverkas metanutsläppen av vattenkällornas nivå. Säsongens översvämningar under våren och sommaren ökar naturligtvis mängden metan som släpps ut i luften.

Förändringar på grund av mänsklig aktivitet

Del av en serie om
Kolets kretslopp
Efter regioner Markbundna Marin Atmosfärisk Djupt kol Jord Permafrost Boreal skog Geokemi
Koldioxid I atmosfären Havets försurning Borttagning Satellitmätningar
Former av kol Primär produktion marin- Svart kol Blått kol Kerogen
Metaboliska vägar Kolandning ekosystem Foto jord Fotosyntes Kemosyntes Calvin cykel Omvänd Krebs -cykel Kolfixering C3 C4
Kolpumpar Biologisk pump Martin kurva Löslighetspump Lipidpump Marin snö Mikrobiell slinga Viral shunt Gelépump Valpump Kontinental hyllpump
Kolbindning Biosequestration Kolsänka Jordlagring av kol Lagring av koldioxid i havet Marina sediment
Metan Atmosfärisk metan Metanogenes Metanutsläpp Arktis Våtmark Aerob produktion Clathrate pistolhypotes Koldioxidklatrat
Biogeokemisk Marin cykler Näringscykel Karbonat -silikatcykel Karbonatkompensationsdjup Stort kalcitbälte Redfield -förhållande
Övrig Klimatrekonstruktion ombud Kol-kväve-förhållande Djup biosfär Deep Carbon Observatory Global Carbon Project Kolfångning och lagring Återbalansering av kolcykeln Territorialisering av koldioxidstyrning Total kolonnkolumnobservationsnätverk C4MIP CO2SYS
v t e

Förändringar på grund av förindustriell mänsklig aktivitet

Den mest klart identifierade ökningen av atmosfärisk metan till följd av mänsklig aktivitet inträffade på 1700 -talet under den industriella revolutionen. När tekniken ökade med en avsevärd takt började människor bygga fabriker och växter, bränna fossila bränslen för energi och rensa bort skogar och annan vegetation för byggnads- och jordbruksändamål. Denna tillväxt fortsatte att stiga med en hastighet på nästan 1 procent per år fram till omkring 1990 då tillväxttakten sjönk till nästan noll.

En artikel från 2003 från William F. Ruddiman indikerar dock att den antropogena förändringen av metan kan ha börjat 5000 år före den industriella revolutionen. Metanstrålningscykler iskärnan förblev stabil och förutsägbar fram till 5000 år sedan, troligen på grund av någon mänsklig påverkan. Ruddiman föreslår att övergången av människor från jägarsamlare till jordbruksodling var den första förekomsten av människor som påverkade metankoncentrationen i atmosfären. Ruddimans hypotes stöds av det faktum att tidig risbevattning skedde för ungefär 5000 år sedan - samtidigt som iskärncyklerna förlorade sin förutsägbarhet. På grund av att ineffektiviteten hos människor först lärde sig att odla ris, skulle omfattande risfält ha behövts för att mata även en liten befolkning. Dessa, översvämmade och fyllda med ogräs, skulle ha resulterat i enorma metanutsläppande våtmarker.

Förändringar på grund av industriell mänsklig aktivitet

Det uppvärmande inflytandet (kallat strålningsforcerande ) av långlivade växthusgaser har nästan fördubblats på 40 år, med koldioxid och metan som är de dominerande drivkrafterna för den globala uppvärmningen .

Ökningar i metanhalter på grund av modern mänsklig verksamhet härrör från ett antal specifika källor.

• Metanutsläpp från industriell verksamhet
• Metanutsläpp från utvinning av olja och naturgas från underjordiska reserver
• Metanutsläpp från transporter via oljeledning och naturgas
• Metanutsläpp från smältande permafrost i arktiska regioner på grund av global uppvärmning som orsakas av mänsklig användning av fossila bränslen

Utsläpp på grund av utvinning av olja och gas

Naturgasledningar

En källa till metanutsläpp har identifierats som rörledningar som transporterar naturgas; ett exempel är rörledningar från Ryssland till kunder i Europa. Nära Yamburg och Urengoy finns gasfält med en metankoncentration på 97 procent. Gasen som erhålls från dessa fält tas och exporteras till Väste- och Centraleuropa genom ett omfattande rörledningssystem som kallas det transsibiriska naturgasledningssystemet. I enlighet med IPCC och andra kontrollgrupper för naturgasutsläpp måste mätningar göras genom hela rörledningen för att mäta metanutsläpp från tekniska urladdningar och läckage vid rörledningens kopplingar och ventiler. Även om majoriteten av naturgasläckorna var koldioxid, släpptes också en betydande mängd metan konsekvent från rörledningen till följd av läckor och haverier. År 2001 stod naturgasutsläpp från rörledningen och naturgastransportsystemet för 1 procent av den naturgas som producerades. Lyckligtvis, mellan 2001 och 2005, minskade detta antal till 0,7 procent, och till och med 2001 -värdet är fortfarande betydligt mindre än 1996.

Allmänna industriella orsaker

Rörledningstransport är dock bara en del av problemet. Howarth et al. har hävdat att:

Vi tror att övervägande bevis tyder på att skiffergas har ett större växthusgasutsläpp [växthusgas] än konventionell gas, betraktat över någon tidsskala. Skiffergasutsläppen från växthusgaser överstiger också oljans eller kolens när det beaktas vid dekadala tidsskalor, [...]

För efterföljande arbeten som bekräftar dessa resultat, se Howarths "En bro till ingenstans: metanutsläpp och växthusgasavtryck för naturgas", "Metanemissioner och klimatuppvärmningsrisk från hydraulisk sprickbildning och skiffergasutveckling: konsekvenser för politiken". En studie från 2013 av Miller et al. indikerar att den nuvarande politiken för minskning av växthusgaser i USA är baserad på vad som tycks vara betydande underskattningar av antropogena metanutsläpp. Författarna säger:

Vi finner utsläpp av växthusgaser från jordbruk och utvinning och bearbetning av fossila bränslen ( dvs. olja och/eller naturgas) sannolikt är en faktor två eller större än vad som anges i befintliga studier.

Utsläpp av lagrad arktisk metan på grund av global uppvärmning

Den globala uppvärmningen på grund av utsläpp av fossila bränslen har orsakat att metan frigörs , dvs utsläpp av metan från hav och jord i permafrostregioner i Arktis . Även om detta på lång sikt är en naturlig process, frigörs metanfrisättningen och accelereras av global uppvärmning . Detta resulterar i negativa effekter, eftersom metan i sig är en kraftfull växthusgas .

Den arktiska regionen är en av de många naturliga källorna till växthusgasen metan. Global uppvärmning påskyndar utsläppet, på grund av både utsläpp av metan från befintliga butiker och från metanogenes i ruttnande biomassa . Stora mängder metan lagras i Arktis i naturgasfyndigheter , permafrost och som undervattens klatrater . Permafrost och klatrater försämras vid uppvärmningen, så stora utsläpp av metan från dessa källor kan uppstå som ett resultat av global uppvärmning. Andra metankällor inkluderar ubåtstalik , flodtransport, iskomplexretreat , ubåtpermafrost och förfallna gashydratavlagringar.

Atmosfäriska effekter

Den direkta strålande effekten av växthusgaser har uppskattats till 0,5 W/m ² .

Metan är en stark växthusgas med en global uppvärmningspotential 84 gånger större än CO ₂ under en 20-årig tidsram. Metan är inte en lika långvarig gas och svalnar till cirka 28 gånger större än CO ₂ under en 100-årig tidsram.

Effekten av CH4 atmosfäriska metankoncentrationer på den globala temperaturökningen kan vara mycket större än tidigare beräknat. [2]

Förutom den direkta uppvärmningseffekten och de normala återkopplingarna bryts metanen ned till koldioxid och vatten. Detta vatten är ofta över tropopausen där lite vatten vanligtvis når. Ramanathan (1988) noterar att både vatten- och ismoln, när de bildas vid kalla lägre stratosfäriska temperaturer, är extremt effektiva för att förbättra den atmosfäriska växthuseffekten. Han noterar också att det finns en tydlig möjlighet att stora ökningar av framtida metan kan leda till en uppvärmning av ytan som ökar olinjärt med metankoncentrationen.

Ozonskikt

Metan påverkar också nedbrytningen av ozonskiktet när metan omvandlas till vatten i stratosfären. Denna process förstärks av global uppvärmning, eftersom varmare luft håller mer vattenånga än kallare luft, så mängden vattenånga i atmosfären ökar när den värms upp av växthuseffekten. Klimatmodeller indikerar också att växthusgaser som koldioxid och metan kan öka transporten av vatten till stratosfären; även om detta inte är helt förstått.

Metanhanteringstekniker

I ett försök att mildra klimatförändringarna har människor börjat utveckla alternativa metoder och mediciner.

Till exempel, för att motverka mängden metan som idisslare avger, har en typ av läkemedel som kallas monensin (marknadsförs som rumensin ) utvecklats. Detta läkemedel klassificeras som en jonofor , som är ett antibiotikum som naturligt produceras av en ofarlig bakteriestam. Detta läkemedel förbättrar inte bara fodereffektiviteten utan minskar också mängden metangas som släpps ut från djuret och dess gödsel.

Förutom medicin har specifika gödselhanteringstekniker utvecklats för att motverka utsläpp från husdjursgödsel. Utbildningsresurser har börjat tillhandahållas för små gårdar. Hanteringstekniker inkluderar daglig hämtning och lagring av gödsel i en helt avstängd lagringsanläggning som kommer att förhindra att avrinning gör det till vattendrag. Gödseln kan sedan förvaras tills den antingen återanvänds för gödningsmedel eller tas bort och förvaras i en kompost på plats. Näringsnivåer för olika djurgödsel tillhandahålls för optimal användning som kompost för trädgårdar och jordbruk.

För att minska effekterna på metanoxidation i jord kan flera steg vidtas. Att kontrollera användningen av kväveförstärkande gödningsmedel och minska mängden kväveföroreningar i luften kan både sänka metanoxidationen. Dessutom kan användning av torrare odlingsförhållanden för grödor som ris och urval av grödor som producerar mer mat per areaenhet minska mängden mark med idealiska förutsättningar för metanogenes. Noggrant urval av områden med markomvandling (till exempel att plöja skog för att skapa jordbruksfält) kan också minska förstörelsen av stora områden med metanoxidation.

För att motverka metanutsläpp från deponier lade EPA (Environmental Protection Agency) den 12 mars 1996 till "deponeringsregeln" till lagen om ren luft. Denna regel kräver stora deponier som någonsin har accepterat kommunalt fast avfall , har använts från och med den 8 november 1987, kan rymma minst 2,5 miljoner ton avfall med en volym större än 2,5 miljoner kubikmeter, och/eller ha en icke -metanisk organisk förening (NMOC) utsläpp på minst 50 ton per år för att samla in och förbränna utsläppt deponigas . Denna uppsättning krav utesluter 96% av deponierna i USA. Medan det direkta resultatet av detta är deponier som reducerar utsläpp av icke-metanföreningar som bildar smog, är det indirekta resultatet också minskning av metanutsläpp.

I ett försök att absorbera metan som redan produceras från deponier har dessutom experiment genomförts där näringsämnen tillsattes till jorden för att metanotrofer ska frodas. Dessa deponier som har näringstillskott har visat sig fungera som en metanskänka i liten skala, vilket gör att metanotroferna kan svampa metanen från luften för att användas som energi, vilket effektivt minskar deponeringens utsläpp.

För att minska utsläppen från naturgasindustrin utvecklade EPA Natural Gas STAR -programmet, även känt som Gas STAR.

Ett annat program utvecklades också av EPA för att minska utsläppen från kolbrytning. Coalbed Methane Outreach Program (CMOP) hjälper och uppmuntrar gruvindustrin att hitta sätt att använda eller sälja metan som annars skulle släppas ut från kolgruvan till atmosfären.

Metanutsläppsövervakning

En bärbar metandetektor har utvecklats som monterad i ett fordon kan detektera överskott av metan i omgivande atmosfär och skilja mellan naturlig metan från ruttnande vegetation eller gödsel och gasläckor. Från och med 2013 implementerades tekniken av Pacific Gas & Electric .

Tropospheric Monitoring Instrument ombord på European Space Agency : s rymdfarkoster Sentinel-5P som lanserades i oktober 2017 ger den mest detaljerade övervakning av metanemissioner som är allmänt tillgänglig. Den har en upplösning på cirka 50 kvadratkilometer.

MethaneSat är under utveckling av Environmental Defense Fund i samarbete med forskare vid Harvard University för att övervaka metanutsläpp med en förbättrad upplösning på 1 kilometer. MethaneSAT är utformat för att övervaka 50 stora olje- och gasanläggningar och kan också användas för övervakning av deponier och jordbruk. Det får finansiering från Audacious Project (ett samarbete mellan TED och Gates Foundation ) och beräknas starta så snart som 2020.

Mätning av atmosfärisk metan

Gaskromatografi

Metan mäts vanligtvis med hjälp av gaskromatografi . Gaskromatografi är en typ av kromatografi som används för att separera eller analysera kemiska föreningar. Det är i allmänhet billigare jämfört med mer avancerade metoder, men det är mer tidskrävande och arbetskrävande.

Spektroskopisk metod

Spektroskopiska metoder är den föredragna metoden för atmosfäriska gasmätningar på grund av dess känslighet och precision. Spektroskopiska metoder är också det enda sättet att fjärrkänna atmosfäriska gaser. Infraröd spektroskopi täcker ett stort spektrum av tekniker, varav en detekterar gaser baserat på absorptionsspektroskopi . Det finns olika metoder för spektroskopiska metoder, inklusive differentiell optisk absorptionsspektroskopi , laserinducerad fluorescens och Fourier Transform Infrared .

Hålrumsspektroskopi

Hålrumsspektroskopi är den mest använda IR-absorptionstekniken för att detektera metan. Det är en form av laserabsorptionsspektroskopi som bestämmer molfraktionen till storleksordningen delar per biljon.

Se även

• Klimatförändring
• Global uppvärmning
• Permafrost

Anteckningar

Referenser

externa länkar

• Global metanbedömning: Fördelar och kostnader för att mildra metanutsläpp genom FN: s miljöprogram , 2021.
• "Metan i tundran och haven släpps ut i atmosfären"
• "Metanhydratstabilitet och antropogen klimatförändring" Biogeovetenskapliga diskussioner , 4, 993–1057, 2007
• "Metan: En vetenskaplig resa från dunkelhet till klimatstjärna" bakgrundsrapport från september 2004 från NASA Goddard Institute for Space Studies (GISS)
• Metans roll i klimatförändringar: Om naturgas är en räddare eller förstör klimat beror på hur mycket som läcker ut i atmosfären , av Jeff Johnson, Chemical & Engineering News .
• Studie föreslår att EPA allvarligt kan underskatta metangasutsläpp
• Metanivåerna stiger, och forskare vet inte varför , av Roni Dengler | 6 juni 2019
• Mycket stark atmosfärisk metantillväxt under de fyra åren 2014–2017: Konsekvenser för Parisavtalet , 5 februari 2019.
• Varför stiger metan? , Julia Fahrenkamp-Uppenbrink, 7 juni 2019.
• Metanutsläpp från olje- och gasprospektering är underrapporterat 26 juni 2019.