Metano, el principal componente del gas natural, es la combustión más limpia de todos los combustibles fósiles, pero cuando se emite a la atmósfera es un gas de efecto invernadero mucho más potente que el dióxido de carbono. Según algunas estimaciones, El metano del fondo marino 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. Todavía, La forma en que el metano escapa de estas formaciones profundas es poco conocida.

En particular, los científicos se han enfrentado a un rompecabezas. Las observaciones en sitios de todo el mundo han mostrado vigorosas columnas de gas metano burbujeando desde estas formaciones en algunos lugares, Sin embargo, la alta presión y la baja temperatura de estos entornos de aguas profundas deberían crear una capa sólida congelada que se esperaría que actuara 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, conocidos como hidratos de metano. Usando una combinación de observaciones de aguas profundas, Experimentos de laboratorio, y modelado por computadora, Los investigadores han encontrado fenómenos que explican y predicen la forma en que el gas se libera del agarre helado de una mezcla congelada de agua y metano. Los hallazgos se informan hoy en la revista. PNAS , en un artículo de Xiaojing (Ruby) Fu SM '15, Doctor. '17, ahora en la Universidad de California en Berkeley; El profesor Ruben Juanes del MIT; y otros cinco en Suiza, España, Nuevo Mexico, y California.

Asombrosamente, no solo la formación de hidratos congelados no evita que el gas metano se escape a la columna del océano, pero en algunos casos facilita ese escape.

Temprano, Fu vio fotos y videos que mostraban columnas de metano, tomado de un barco de investigación de la NOAA en el Golfo de México, revelando el proceso de formación de burbujas en el fondo marino. Estaba claro que las burbujas mismas a menudo se formaban con una costra congelada a su alrededor, y flotarían hacia arriba con sus conchas heladas como pequeños globos de helio.

Más tarde, Fu usó un sonar para detectar columnas de burbujas similares desde un barco de investigación frente a la costa de Virginia. "Este crucero solo detectó miles de estas columnas, "dice Fu, quien dirigió el proyecto de investigación mientras era estudiante de posgrado y posdoctorado en el MIT. "Podríamos seguir estas burbujas de metano incrustadas por conchas de hidratos en la columna de agua, "Ella dice." Fue entonces cuando supimos por primera vez que la formación de hidratos en estas interfaces de gas puede ser una ocurrencia muy común ".

Pero se desconocía exactamente qué estaba sucediendo 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 se hicieron evidentes gradualmente.

Los estudios sísmicos del subsuelo del lecho marino en estas regiones de ventilación muestran una serie de conductos relativamente estrechos, o chimeneas, por donde escapa el gas. Pero la presencia de trozos de hidrato de gas de estas mismas formaciones dejó en claro que el hidrato sólido y el metano gaseoso podrían coexistir, Fu explica. Para simular las condiciones en el 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.

Mientras un gas intenta subir por el fondo marino, Fu dice, si está formando una capa de hidratación cuando golpea el agua de mar fría, eso debería bloquear su progreso:"Se está chocando contra un muro. Entonces, ¿cómo ese muro no le estaría impidiendo la migración continua?" 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 es 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 propia capa, "Fu dice. Pero en lugar de que cada ruptura se congele con el hidrato reformador, la formación de hidratos 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 mueve hacia arriba. "Es casi como si la burbuja de gas pudiera trazar su propio camino, y ese camino está amurallado por el hidrato sólido, ", dice. Este fenómeno que observaron a pequeña escala en el laboratorio, su análisis sugiere, es también lo que también sucedería a una escala mucho mayor en el lecho marino.

Esa observación, ella dijo, "Fue realmente la primera vez que nos enteramos de un fenómeno como este que podría explicar cómo la formación de hidratos no inhibe el flujo de gas, sino en este caso, lo facilitaría, "proporcionando un conducto y dirigiendo el flujo. Sin ese 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 hidrato porque forma una barrera entre el gas y el agua de mar. Por lo tanto, el metano debajo de la barrera puede persistir en su descongelación, forma gaseosa durante mucho tiempo. La combinación de estos dos fenómenos —el efecto de enfoque de los canales con paredes de hidratos y la segregación del gas metano del agua por una capa de hidratos— "explica en gran medida por qué puede tener algo de esta ventilación vigorosa, gracias a la formación de hidratos, en lugar de evitarlo, "dice Juanes.

Una mejor comprensión del proceso podría ayudar a predecir dónde y cuándo se encontrarán tales 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 un clima más cálido podría aumentar la tasa de ventilación, Fu dice que hasta ahora hay poca evidencia de eso. Ella señala que las temperaturas en las profundidades donde ocurren estas formaciones:600 metros (1, 900 pies) de profundidad o más:se espera que experimenten un aumento de temperatura menor que el necesario para desencadenar una liberación generalizada del gas congelado.

Algunos investigadores han sugerido que estas vastas formaciones submarinas de metano algún día podrían aprovecharse para la producción de energía. Aunque habría grandes obstáculos técnicos para tal uso, Juanes dice, estos hallazgos 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 esperaríamos que el gas se inmovilizara al convertirse en hidrato, y en cambio 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, que no estuvo asociado con esta investigación. "Este trabajo presenta un nuevo mecanismo probable que podría permitir que ocurra este proceso, e integra muy bien las observaciones de laboratorio anteriores con el modelado a mayor escala ".

"En un sentido práctico, el trabajo aquí toma un fenómeno a pequeña escala y nos permite usarlo en un modelo que solo considera escalas mayores, y será muy útil para implementar en el trabajo futuro, "Dice Daigle.