Evaluation and modelling of the response of gas hydrate reservoirs to changing environmental conditions across a high-latitude continental margin

Methaanhydraten en de opwarming van het klimaat: zal een slapende reus ontwaken?

Enorme hoeveelheden methaan zitten in de vorm van methaanhydraat opgeslagen onder de oceaanbodem en in permafrost. Gedurende de afgelopen decennia hebben wetenschappers de alarmbel geluid over de mogelijkheid dat deze ijsachtige vaste stof zal beginnen smelten onder invloed van de klimaatopwarming, en dit voornamelijk nabij de polen. Methaan, een sterk broeikasgas, kan op deze manier vrijkomen en in de atmosfeer belanden, wat een bijkomstige opwarming zou veroorzaken. Dit feedbackmechanisme zou catastrofale gevolgen kunnen hebben, in die mate dat er zelfs hier en daar gewaarschuwd wordt voor een ‘Arctic Armageddon’. Moeten we ons zorgen beginnen maken?

We kunnen er niet meer omheen: de temperatuur in de atmosfeer en oceanen stijgt, en onheilsberichten over de mogelijke impact op de mens en ecosystemen bereiken steeds vaker onze media. Volgens het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), het klimaatpanel van de Verenigde Naties, bestaat er geen twijfel meer over dat de mens hier verantwoordelijk voor is, door het massaal uitstoten van broeikasgassen zoals methaan en koolstofdioxide. Waar de klimaatmodellen van het IPCC vooralsnog weinig belang aan hechten, is het vrijkomen van natuurlijk methaan uit methaanhydraatreservoirs, die wereldwijd voorkomen in oceaanbodemsedimenten en permafrost. Methaanhydraat is een ijsachtige vaste stof, opgebouwd uit kooivormige roosters van watermoleculen waarbinnen een methaanmolecule gevangen zit. Deze structuur is uitsluitend stabiel bij lage temperatuur en hoge druk. Naar analogie met het smelten van ijs beginnen methaanhydraten ook te smelten wanneer hun smelttemperatuur overschreden wordt, bijvoorbeeld ten gevolge van het opwarmen van de oceaan of de atmosfeer. Hierbij stort de hydraatstructuur in en wordt methaan als een vrij gas losgelaten. Als de gasbellen de opwaartse reis – eerst door de poriënruimte van de sedimenten en nadien ook doorheen het oceaanwater – overleven, kunnen ze uiteindelijk in de atmosfeer terecht komen. Het gevolg hiervan is een stijging in de atmosferische broeikasgasconcentratie, en dus een bijkomstig opwarmingseffect dat het verdere smelten van methaanhydraat in stand houdt of zelfs versterkt. Men verwacht dat dit effect zich het eerst nabij de polen zal manifesteren, omdat de klimaatsverandering er het meest uitgesproken is en methaanhydraten er bij ondiepere waterdieptes voorkomen.

Controverse
Om de draagwijdte van dit feedbackmechanisme te evalueren, is het cruciaal te weten hoeveel en hoe snel hydraatreservoirs zullen krimpen. De ‘believers’ van een nakend rampscenario beroepen zich op het feit dat de hoeveelheid methaan in hydraatreservoirs, vergelijkbaar met de wereldwijde reserves aan fossiele brandstoffen, enorm is, en veronderstellen dat een aanzienlijk deel ervan op een termijn van tientallen tot honderden jaren in de atmosfeer kan terecht komen. Dit zou betekenen dat de huidige klimaatopwarming tijdens de komende eeuw (Ant)Arctische methaanhydraten kan doen smelten. De ontdekking van ‘gaspluimen’ in de waterkolom net boven de oceaanbodem ten westen van Spitsbergen doet volgens hen vermoeden dat dit proces zelfs vandaag al aan de gang is. Bovendien dichten ze methaanhydraten niet enkel een belangrijke rol toe in de hedendaagse klimaatverandering, maar ook in snelle klimaatschommelingen die zich veelvuldig hebben voorgedaan doorheen de geologische geschiedenis.

Deze theorieën over snelle transfers van methaan uit hydraatreservoirs naar de atmosfeer zijn echter controversieel. Ze komen vaak voort uit spectaculaire, maar erg lokale observaties, die vervolgens eerder speculatief naar een globale schaal geëxtrapoleerd worden. Een aantal belangrijke processen worden bovendien vaak over het hoofd gezien. Ten eerste leren vormingsmodellen ons dat methaanhydraten doorgaans niet helemaal tot aan, maar slechts tot op enkele tientallen tot honderden meter diepte onder de zeebodem voorkomen. Een temperatuurstijging van het oceaanwater net boven de zeebodem zal bijgevolg tijd nodig hebben om in de ondergrond te propageren tot op de diepte waar hydraten zich bevinden. Ook het smeltproces zelf vertraagt de opwarming van de ondergrond, omdat dit gepaard gaat met het verbruiken van latente warmte. Dit houdt in dat, zolang methaanhydraat aan het smelten is, er wel warmte wordt toegevoegd, maar dat de temperatuur constant op de smelttemperatuur blijft. In hydraatreservoirs in permafrost is dit vertragingseffect nog sterker, omdat hier ook het smelten van ijs moet ingecalculeerd worden. Ten slotte gaat een temperatuurstijging vaak gepaard met een sterke zeespiegelstijging (bv. meer dan 100m tijdens de opwarming na de laatste ijstijd, zo’n tienduizend jaar geleden). Dit zorgt voor een toename van de druk in de onderliggende sedimenten, wat de stabiliteit van methaanhydraten net bevordert.

Bredere kijk en nieuw model
In deze studie werd een nieuw model ontwikkeld dat tegemoet komt aan de nood om bovengenoemde factoren te combineren. Het model focust op het kwantificeren van de tijdschalen waarop methaanhydraten smelten. Doordat het model breed toepasbaar is, laat het toe de impact van klimaatveranderingen op de stabiliteit van hydraten in zowel permafrostbodems als mariene sedimenten te simuleren en te vergelijken. De resultaten geven aan dat methaanhydraten inderdaad kunnen smelten, maar op tijdschalen van tientallen duizenden tot honderden duizenden jaren. Alles in acht genomen blijkt het afsmelten van methaanhydraatreservoirs dus een traag en chronisch proces te zijn, eerder dan de snelle, catastrofale gebeurtenis waarmee sommige wetenschappers en media paniek zaaiden. De stabiliteit van hydraten in mariene reservoirs onder grote waterdieptes (waarin meer dan 95% van het globale volume aan methaanhydraat zich bevindt), wordt zelfs helemaal niet beïnvloed door de gesimuleerde klimaatveranderingen. Het model toont aan dat enkel methaanhydraten die zich aan of meteen onder de zeebodem bevinden op een snelle tijdschaal van tientallen tot honderden jaren kunnen smelten. De volumes methaan in deze ondiepe hydraatreservoirs zijn echter te klein om een significante impact op het klimaat te kunnen hebben. Zonder grote en snelle transfers van methaan is het dus weinig waarschijnlijk dat het gevreesde positieve feedbackeffect in de nabije toekomst zal optreden. Een bepalende rol voor methaanhydraten in ons klimaat lijkt hiermee uitgesloten. Het globale methaanhydraatreservoir moet als een natuurlijk, vrij onverstoorbaar fenomeen beschouwd worden, waarvan de omvang weliswaar voortdurend, maar relatief traag en weinig schommelt.

Dus moeten we ons nu zorgen beginnen maken? Waarschijnlijk niet. Ten minste toch niet over een toename van de atmosferische methaanconcentratie door het afsmelten van methaanhydraat. Maar toegegeven, zelfs zonder deze bijkomende bron van broeikasgas zijn de vooruitzichten in de rapporten van het IPCC al onheilspellend genoeg.