Um novo estudo resolveu o mistério de como e por que colunas de gás metano podem sair dos hidratos de metano. Tanto os tubos de bolhas quanto as gotículas invertidas são envoltos em hidrato de gás transparente. Crédito:Imagem cortesia do Escritório de Exploração e Pesquisa Oceânica da NOAA, Golfo do México 2017.
Metano, o principal componente do gás natural, é a queima mais limpa de todos os combustíveis fósseis, mas, quando emitido para a atmosfera, é um gás de efeito estufa muito mais potente do que o dióxido de carbono. Por algumas estimativas, o metano do fundo do mar contido em formações congeladas ao longo das margens continentais pode ser igual ou superior à quantidade total de carvão, óleo, e gás em todos os outros reservatórios em todo o mundo. Ainda, a forma como o metano escapa dessas formações profundas é mal compreendida.
Em particular, os cientistas se depararam com um quebra-cabeça. As observações em locais ao redor do mundo mostraram colunas vigorosas de gás metano borbulhando dessas formações em alguns lugares, no entanto, a alta pressão e baixa temperatura desses ambientes de alto mar devem criar uma camada sólida congelada que se espera que atue como uma espécie de cume, evitando que o gás escape. Então, como o gás sai?
Um novo estudo ajuda a explicar como e por que colunas de gás podem fluir para fora dessas formações, conhecido como hidratos de metano. Usando uma combinação de observações do fundo do mar, experimentos de laboratório, e modelagem de computador, pesquisadores descobriram fenômenos que explicam e predizem a maneira como o gás se liberta das garras de gelo de uma mistura congelada de água e metano. Os resultados são relatados hoje no jornal PNAS , em um artigo de Xiaojing (Ruby) Fu SM '15, Ph.D. '17, agora na Universidade da Califórnia em Berkeley; Professor Ruben Juanes, do MIT; e cinco outros na Suíça, Espanha, Novo México, e Califórnia.
Surpreendentemente, não só a formação de hidrato congelado falha em evitar que o gás metano escape para a coluna do oceano, mas, em alguns casos, realmente facilita essa fuga.
Logo no início, Fu viu fotos e vídeos mostrando plumas de metano, retirado de um navio de pesquisa NOAA no Golfo do México, revelando o processo de formação de bolhas bem no fundo do mar. Ficou claro que as próprias bolhas frequentemente se formavam com uma crosta congelada ao redor delas, e flutuariam para cima com suas conchas de gelo como minúsculos balões de hélio.
Mais tarde, Fu usou um sonar para detectar plumas de bolhas semelhantes em um navio de pesquisa na costa da Virgínia. "Este cruzeiro sozinho detectou milhares dessas plumas, "disse Fu, que liderou o projeto de pesquisa enquanto era estudante de graduação e pós-doutorado no MIT. "Poderíamos seguir essas bolhas de metano incrustadas por conchas de hidrato na coluna de água, "ela diz." Foi quando soubemos pela primeira vez que a formação de hidratos nessas interfaces de gás pode ser uma ocorrência muito comum. "
Mas exatamente o que estava acontecendo sob o fundo do mar para desencadear a liberação dessas bolhas permaneceu desconhecido. Por meio de uma série de experimentos e simulações de laboratório, os mecanismos em funcionamento gradualmente tornaram-se aparentes.
Estudos sísmicos da subsuperfície do fundo do mar nessas regiões de ventilação mostram uma série de condutos relativamente estreitos, ou chaminés, através do qual o gás escapa. Mas a presença de pedaços de hidrato de gás dessas mesmas formações deixou claro que o hidrato sólido e o metano gasoso poderiam coexistir, Fu explica. Para simular as condições no laboratório, os pesquisadores usaram uma pequena configuração bidimensional, ensanduichar uma bolha de gás em uma camada de água entre duas placas de vidro sob alta pressão.
Crédito:Escritório de Pesquisa e Exploração Oceânica da NOAA
À medida que um gás tenta subir pelo fundo do mar, Fu diz, se está formando uma camada de hidrato ao atingir a água fria do mar, que deve bloquear seu progresso:"Está batendo em uma parede. Então, como essa parede não o impediria de migração contínua?" Usando os experimentos microfluídicos, eles encontraram um fenômeno até então desconhecido no trabalho, que eles apelidaram de dedilhado da crosta.
Se a bolha de gás começar a se expandir, "o que vimos é que a expansão do gás foi capaz de criar pressão suficiente para romper essencialmente a camada de hidrato. E é quase como se estivesse eclodindo de sua própria camada, "Fu diz. Mas em vez de cada ruptura congelando de volta com o hidrato de reforma, a formação de hidrato ocorre ao longo das laterais da bolha ascendente, criando uma espécie de tubo ao redor da bolha conforme ela se move para cima. "É quase como se a bolha de gás fosse capaz de abrir seu próprio caminho, e esse caminho é cercado por hidrato sólido, "diz ela. Este fenômeno eles observaram em pequena escala no laboratório, sua análise sugere, é também o que aconteceria em uma escala muito maior no fundo do mar.
Essa observação, ela disse, "foi realmente a primeira vez que tomamos conhecimento de um fenômeno como este que poderia explicar como a formação de hidratos não inibia o fluxo de gás, mas sim, neste caso, isso facilitaria, "fornecendo um conduíte e direcionando o fluxo. Sem esse foco, o fluxo de gás seria muito mais difuso e espalhado.
À medida que a crosta do hidrato se forma, retarda a formação de mais hidrato porque forma uma barreira entre o gás e a água do mar. O metano abaixo da barreira pode, portanto, persistir em seu descongelamento, forma gasosa por um longo tempo. A combinação desses dois fenômenos - o efeito de foco dos canais com paredes de hidrato e a segregação do gás metano da água por uma camada de hidrato - "explica muito por que você pode ter parte dessa ventilação vigorosa, graças à formação de hidrato, ao invés de ser impedido por ele, "diz Juanes.
Uma melhor compreensão do processo pode ajudar a prever onde e quando tais infiltrações de metano serão encontradas, e como as mudanças nas condições ambientais podem afetar a distribuição e a produção dessas infiltrações. Embora tenha havido sugestões de que um clima mais quente poderia aumentar a taxa de ventilação, Fu diz que há poucas evidências disso até agora. Ela observa que as temperaturas nas profundidades onde essas formações ocorrem - 600 metros (1, 900 pés) de profundidade ou mais - espera-se que haja um aumento de temperatura menor do que o necessário para desencadear uma liberação generalizada do gás congelado.
Alguns pesquisadores sugeriram que essas vastas formações submarinas de metano podem algum dia ser aproveitadas para a produção de energia. Embora haja grandes obstáculos técnicos para esse uso, Juanes diz, essas descobertas podem ajudar a avaliar as possibilidades.
"O problema de como o gás pode se mover através da zona de estabilidade do hidrato, onde esperaríamos que o gás fosse imobilizado ao ser convertido em hidrato, e, em vez disso, escapar no fundo do mar, ainda não é totalmente compreendido, "diz Hugh Daigle, professor associado de engenharia de petróleo e geossistemas da Universidade do Texas em Austin, que não se associou a esta pesquisa. “Este trabalho apresenta um provável novo mecanismo que poderia, de forma plausível, permitir que esse processo ocorresse, e integra perfeitamente observações de laboratório anteriores com modelagem em uma escala maior. "
"Em um sentido prático, o trabalho aqui pega um fenômeno em pequena escala e nos permite utilizá-lo em um modelo que considera apenas escalas maiores, e será muito útil para implementação em trabalhos futuros, "Daigle diz.
