Hidrato de metano, um material semelhante ao gelo feito de gás natural comprimido, queima quando acesa e pode ser encontrada em algumas regiões do fundo do mar e no permafrost ártico.

Considerada a maior fonte mundial de gás natural, hidrato de metano é uma fonte potencial de combustível, e se 'derreter' e o gás metano for liberado na atmosfera, é um potente gás de efeito estufa. Por estas razões, saber onde o hidrato de metano pode estar localizado, e quanto provavelmente está lá, é importante.

Uma equipe de pesquisadores do Sandia National Laboratories e do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA desenvolveu um novo sistema para modelar a probabilidade de encontrar hidrato de metano e gás metano que foi testado em uma região do fundo do mar na costa da Carolina do Norte.

Embora os depósitos de hidrato de metano tenham sido encontrados em uma variedade de locais, existem incógnitas significativas em termos de quanto hidrato de metano existe no fundo do mar e onde. É um desafio coletar amostras do fundo do mar para encontrar depósitos de hidrato de metano. É aqui que entra a experiência em modelagem de computador de Sandia.

"Esta é a primeira vez que alguém consegue abordar a distribuição de hidrato de metano da mesma forma que abordamos a previsão do tempo, "disse Jennifer Frederick, um geocientista computacional e pesquisador líder do projeto. "Quando você ouve a previsão do tempo para 60% de chance de cinco centímetros de chuva, você não espera necessariamente exatamente cinco centímetros. Você entende que há incerteza nessa previsão, mas ainda é bastante útil. Na maioria dos lugares do fundo do mar, não temos informações suficientes para produzir uma resposta exata, mas ainda precisamos saber algo sobre o metano e sua distribuição. Usando uma abordagem probabilística, semelhante à previsão do tempo moderna, podemos fornecer respostas úteis. "

O novo sistema combina a experiência de longa data da Sandia em modelagem probabilística com algoritmos de aprendizado de máquina do Laboratório de Pesquisa Naval. O sistema foi testado e refinado modelando a área ao redor de Blake Ridge, uma colina no fundo do mar 90 a 230 milhas a sudeste de Outer Banks da Carolina do Norte com depósitos conhecidos de hidrato de metano e gás metano.

A equipe compartilhou seu modelo para Blake Ridge e o comparou com dados empíricos anteriores em um artigo publicado em 14 de março na revista científica Geoquímica, Geofísica, Geossistemas .

'Previsão' de metano combinando modelagem de incerteza com aprendizado de máquina

O modelo global preditivo do fundo do mar do Laboratório de Pesquisa Naval fornece detalhes específicos do local sobre as propriedades do fundo do mar, como temperatura, concentração e pressão geral de carbono. Se faltarem dados para uma determinada região, o modelo do Naval Research Laboratory usa algoritmos de aprendizado de máquina avançados para estimar o valor ausente com base em informações sobre outra área que pode ser geograficamente distante, mas semelhante geologicamente.

A equipe de pesquisa importou os dados do modelo do Laboratório de Pesquisa Naval para o software Sandia, especializado em amostragem e análise estatística, chamado Dakota. Usando Dakota, eles determinaram o valor mais provável para propriedades influentes do fundo do mar, bem como a variação natural dos valores. Então, de forma estatística, eles inseriram um valor deste intervalo esperado para cada propriedade em PFLOTRAN, outro software mantido e desenvolvido na Sandia. O PFLOTRAN modela como os produtos químicos reagem e os materiais se movem no subsolo ou no fundo do mar. A equipe conduziu milhares de simulações de produção de metano na região de Blake Ridge. Todo o software envolvido no sistema é open source e estará disponível para uso de outros pesquisadores oceanográficos.

"Uma das maiores coisas que descobrimos é que quase não há formação de hidratos de metano mais rasos do que 500 metros, o que é esperado, dada a temperatura e pressão necessárias para formar o hidrato de metano, "disse William Eymold, um pós-doutorado em Sandia e principal autor do artigo. Hidrato de metano sólido é conhecido por se formar em baixa temperatura, ambientes de alta pressão onde as moléculas de metano ficam presas em moléculas de água bem organizadas.

A equipe também encontrou gás metano formado próximo à costa. Eles foram capazes de comparar seu modelo aos valores de hidrato de metano calculados por estudos anteriores e amostras coletadas há algumas décadas pelo Programa de Perfuração Oceânica da National Science Foundation, ele disse. Por exemplo, hidrato de metano foi detectado em uma amostra do fundo do mar coletada de um buraco perfurado em Blake Ridge chamado Site 997.

"O fato de termos previsto a formação de hidrato de metano em quantidades semelhantes a estudos e observações anteriores realmente mostrou que o sistema parece estar funcionando muito bem, e poderemos aplicá-lo a outras localizações geográficas que possam ter menos dados, "Eymold disse.

Importância do metano para a Marinha e próximas etapas

A localização dos depósitos de hidrato de metano e gás metano próximo ao fundo do mar é importante para a Marinha.

“Entender como o som interage com o fundo do mar é muito importante para qualquer tipo de operação naval, "disse Frederick." O gás metano afeta a acústica dramaticamente. Mesmo que apenas 1% ou 2% do espaço dos poros no sedimento do fundo do mar seja preenchido com uma bolha de gás, a velocidade do som diminui cem vezes, ou mais. Este é um efeito muito grande, e se você não considerar isso adequadamente, então você não obterá uma acústica precisa. "

Frederick comparou um submarino usando sonar ao Breakout do jogo de arcade, onde um jogador move uma raquete horizontalmente para manter a bola quicando e destruir uma parede de tijolos. Nesta analogia, o fundo do mar serve como um "remo" para refletir ou refratar as ondas sonoras, ou a "bola, "para ter uma visão completa dos obstáculos no oceano. Se a raquete começou a quicar a bola de forma diferente - ou segurou a bola por vários períodos de tempo - dependendo de onde a raquete estava localizada, o jogo se tornaria muito mais desafiador.

Até aqui, a equipe usou seu sistema para criar modelos de uma região do Mar da Noruega entre a Groenlândia e a Noruega e as águas rasas do Oceano Ártico ao largo da Encosta Norte do Alasca, duas áreas de interesse da Marinha.

Frederick também trabalhou com uma grande equipe de especialistas internacionais para avaliar a quantidade de metano e dióxido de carbono armazenado no leito marinho raso do Ártico, e como esses depósitos seriam sensíveis ao aumento das temperaturas.

A equipe também criou um modelo muito mais grosseiro de todo o globo e começou a olhar para o meio do Atlântico, onde o gás metano foi visto borbulhando do fundo do mar há alguns anos.

“Será interessante ver se nosso modelo é capaz de prever essas regiões de infiltrações de metano no fundo do mar, "Frederick disse." Gostaríamos de ver se podemos prever a distribuição dessas infiltrações de metano e se eles são consistentes com as propriedades termodinâmicas de estabilidade do hidrato de metano. Quando você vê uma infiltração, isso significa que há muito gás no fundo do mar. Isso terá um impacto significativo sobre como o som viaja pelo fundo do mar, e, portanto, sonar. Também, esses depósitos podem ser uma fonte de gás natural para a produção de energia, terá impacto na ecologia do oceano e nos ciclos de nutrientes, e se esse gás atingir a atmosfera, terá implicações na mudança climática. "