Наука. Дальний поиск
В океане найдено обилие горючего - метангидрата. Оно
должно облагодетельство вать человечество, но оно же может сделать еще яростнее
современные климатичес кие катастрофы. Как безопасно использовать это богатство?
Слово за наукой.
Климат Земли грозит нам еще большими неприятностями, нежели те, что он преподнес в последние годы - катастрофические ураганы, бурные наводнения и жестокие засухи. Они, вероятно, будут повторяться все чаще и станут разрушительнее. Продолжаться это будет до тех пор, пока человечество не найдет способ значительно уменьшить содержание парниковых газов - углекислоты и метана, разогревающих атмосферу.
Драматическая ситуация, вызываемая капризами климата, не внове на нашей планете, хотя прежде она возникала не по вине человека. Задолго до того, как на Земле появились люди, 55 миллионов лет назад, в эпоху палеоцена (10 миллионов лет спустя после исчезновения динозавров), средняя температура на земном шаре вдруг поднялась на 4 градуса. Керны, полученные при бурении породы до слоев, отвечающих данному возрасту, показывают, что тогда в морях произошла массовая гибель микроорганизмов. Правда, на суше благодаря потеплению восторжествовали предки нынешних млекопитающих, и они окончательно низвели пресмыкающихся на низшие ступени в мире животных.
Только недавно ученые, кажется, поняли причину теплового шока, случившегося в те давние времена. В результате некой геологической катастрофы из океанов высвободились огромные массы метангидрат а (иначе его называют метановым льдом). Наука доказывает это многими фактами. Например, в состав известковых оболочек морских животных и зубов млекопитающих тех времен входит очень много "легкого" углерода С12, который характерен для метангидратов. Исследователи убеждены: в те времена метан сразу во многих местах поднялся из океанских глубин. По пути через воду большая его часть окислилась до двуокиси углерода. Оба газа вошли в атмосферу и заставили ее разогреваться.
Что такое метангидрат?
Метангидрат сосредоточен на глубинах от 500 до 2000 метров у берегов некоторых континентов, как правило, на крутых подводных склонах. Есть он и в Арктике, что доказывают сейсмические измерения и бурение. Метангидрат, состоящий из воды и метана, выглядит как обычный серый хрупкий лед. На ощупь - гладкий и холодный. Запаха не имеет, сгорает желтовато-синим пламенем.
Метановый лед относится к так называемым "ящичным" соединениям. В них не возникает химических связей между молекулами метана и молекулами воды. Метан размещается в пустотах кристаллической решетки водяного льда. Единичный конгломерат из воды и газа составляют 32 молекулы воды и 8 молекул метана. В одном кубическом метре этого вещества содержится значительно больше энергии, чем в кубометре природного газа (при одинаковом давлении). В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата "запрятано" 164 кубометра газа. Молекулы льда, а значит, и метана уложены здесь более плотно.
Метангидрат образуется под давлением на глубине в порах донных осадков, куда сверху постоянно поступает органический материал и где царят низкие температуры и достаточно высокое давление. Сырьем для него служат отмершие растения и останки живых существ, поставляемых реками и самой океанской водой. Ил, содержащий углерод, быстро покрывается другими осадками, и доступ к нему аэробных бактерий, которые бы превратили биологический осадок в двуокись углерода, прекращается. Однако защищенный от этих микроорга низмов ил становится пищей для гнилостных бактерий. Результат их деятельности - метан.
Скопления метангидрата образуются и там, где океаническая кора сталкивается с континентальной и уходит под нее в магму. Это обстоятельство легло в основу другой точки зрения на происхождение метангидрата. Из российских источников почерпнута гипотеза, которая рассматривает не только органическое, но и космическое происхождение метана.
Уже сказано, что месторождения метанового льда встречаются и в тех местах океана, где океанское дно ныряет под континент. Там между двумя гигантскими трущимися друг о друга плитами есть щели, через них метан может высвобождаться из магмы в глубины океана. Этот газ присутствовал в протопланетном облаке, из которого родилось семейство планет, вращающихся ныне вокруг нашего Солнца. В протопланетном облаке, когда зажглось центральное светило, происходила дифференциация вещества: легкие молекулы - газы - давлением солнечного света отгонялись на периферию облака (не случайно дальние планеты-гиганты - Юпитер и Сатурн - содержат в своих атмосферах огромные массы аммиака и метана). Земля, как близкая к Солнцу планета, сложилась из более тяжелых элементов, но изрядное количество метана ей все-таки перепало. Теперь он выделяется из магмы, когда давление в щели между материковыми и океанскими плитами падает.
Оба предположения о природе метана - органической, то есть вторичной, и космической - могут мирно сосуществовать.
Глубины океана - печальная картина: на дне - немногочисленные морские огурцы, пятилучевые звезды и сотни всевозможных червей. Все они ждут падающих сверху остатков пищи животных, занявших солнечные этажи океана. Редкие рыбы-хищники проплывают здесь в надежде приманить жертву своими светящимися глазами или пятнами. Вечная тьма не дает никаких шансов для жизни растений.
Но некоторые места океанских глубин подобны оазисам в пустыне - здесь на дне жизнь расцветает. Тут благоденствуют раковинные моллюски, по дну ползают щетинистые и трубчатые черви, а само дно сочится нефтью и метаном. Это признак того, что где-то неподалеку находятся залежи метангидрата. Совместно углеводы и сероводород заменяют для жителей глубин свет и кислород. Бактерии вполне удовлетворены условиями жизни, предоставляемыми океанским дном. Свою энергию они расходуют на то, чтобы производить углеводы, которые служат пищей многим обитателям этого оазиса.
В 1997 году в Мексиканском заливе был открыт экзотический обитатель - розоватый щетинистый червь. Сотни этих тварей кишмя кишели на глыбе осадочных пород. Они проделывали себе отверстия в тех местах, где открывался доступ к метангидрату. Очевидно, здесь встретился новый случай симбиоза - червей с метановыми бактериями, но детали их взаимодействия еще не изучены. Живой мир, обитающий в местах выделения этого газа, остается почти непознанным.
Крупнейшее хранилище углерода
По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата (гига равна 1 миллиарду). Эти числа выведены на основе бурения и сейсмической разведки в ограниченном числе мест, но полученные данные распространены на те области океана, где есть сходные условия.
Огромная масса запрятанного на глубине метана перекрывает по запасам все известные на Земле природные источники энергии. Вопрос только в том, как воспользоваться этим богатством, не нарушив природного равновесия и не вызвав катастрофы, подобной той, что случилась в плеоцене. Но и природные катастрофы способны дестабилизировать подводные хранилища метангидрата. Правда, в настоящее время с потеплением климата уровень океана растет, способствуя тем самым росту давления в нижних слоях, а следовательно, стабильности метангидрата.
Но если океанские течения изменят свои маршруты и теплые воды проникнут в нижние слои океанов, особенно в Северной Атлантике, то метановый лед растает и освобожденный газ уйдет в атмосферу. Возможно, именно такое событие объясняет потепление, случившееся в плеоцене. В ту эпоху в сравнительно короткое время было выброшено в атмосферу, по расчетам ученых, примерно 1000 гигатонн углерода. Избыток углерода, попавший тогда в атмосферу, задержался в ней около 140 тысяч лет, пока не был поглощен океанской водой и не пошел на построение раковин многих морских животных, а затем стал частью донных известковых отложений.
За последние 1000 лет человечество с помощью своих печей и двигателей выбросило в газовую оболочку Земли значительно больше углерода - от 2000 до 4000 гигатонн. (Числа, относящиеся к плеоцену, получены Рихардом Норрисом из Океанографического института и Урсулой Роль из Бременского университета с помощью анализа кернов, добытых в Западной Атлантике около Флориды.)
Но спусковым курком для развязывания катастрофы в наше время могут стать, по мнению одного из сотрудников Оксфордского университета, и природные катаклизмы: обширное землетрясение или вулканические взрывы, в результате которых понизится давление (оно станет меньше 50 атмосфер) и поднимется температура в зоне океана, содержащего метангидрат. Исследователи предполагают, что под слоем метанового льда - его толщина достигает порой нескольких сотен метров - находится чистый метан. Сотрясение земных недр может выпустить этот запечатанный газ наверх через трещины в ледяном слое.
Бермудский треугольник - метангидратовая ловушка?
По мнению некоторых исследователей, в Мировом океане существуют места, где время от времени происходит выход метана. Не с этим ли связаны те или иные катастрофы в тех местах?
5 декабря 1945 года пять американских самолетов-торпедоносцев совершали тренировочный полет. Они стартовали с аэродромов Флориды в направлении Багамских островов. За полчаса до намеченной по плану посадки командный пункт получил радиограмму: командир эскадрильи сообщал о непонятном поведении компаса и о загадочных свечениях в атмосфере. И тут же радиосвязь оборвалась. На поиски эскадрильи был послан шестой самолет, он тоже исчез. Ни машины, ни люди так и не были найдены.
Возникло множество фантастических объяснений причин исчезновения самолетов, а впоследствии и судов у берегов Флориды. Среди тех, кто искал реальную причину непонятных катастроф, был геохимик Рихард Мак-Ивер. Он считает, что произошли подвижки метанового льда, покрывающего дно в треугольнике Флорида, Пуэрто-Рико и Бермуды, газ, до того запечатанный слоем метанового льда, высвободился и огромным пузырем взлетел через воду в атмосферу. Попавшие в этот поток самолеты рухнули в море.
Некоторые доказательства возможности такой катастрофы принесло бурение в Западной Атлантике. В поднятом керне после слоя, где еще присутствуют микроорганизмы, лежит двадцатисантиметровый слой ила. Исследовав его, группа ученых из университета Нью-Джерси удостоверилась, что этот ил, как они и ожидали, содержит метановый лед. Большая волна типа цунами вполне могла вызвать обрушение его подводного склона.
Действительно, условия у берегов Флориды не исключают возможности смещения полей метанового льда. Когда такой слой приходит в движение, размышляют ученые, газ из-под лежащих на нем слоев льда вполне может высвобождаться и в виде гигантских пузырей подниматься на поверхность океана. Если корабль, самолет попадут в такой пузырь, они, потеряв подъемную силу, тотчас уйдут под воду.
Теоретически это возможно, соглашается исследователь из США Вильям Диллон, руководитель исследования газовых гидратов при американской геологической службе. Но, по его мнению, нет никаких данных, которые бы говорили о том, что в Бермудском треугольнике суда гибнут чаще, чем в других местах океана.
Другой позиции придерживается Томас Гольд, геолог из Корнеллского университета. Он считает, что выбросы газа со дна океана ответственны по крайней мере за четыре крупные аварии самолетов у североамериканских берегов. Эти катастрофы случились недавно, и они у многих, вероятно, в памяти. Последней было падение в море после старта самолета компании "Egupt Air-990" в октябре 1999 года. По мнению эксперта, здесь нет "нормально го" объяснения трагедии. Как и во всех четырех случаях, причиной падения должно было служить нечто внезапное, что не дало пилотам возможности передать по радио какие-либо детали возникших неполадок. Хотя объяснения Т. Гольда и встретили возражения, его гипотезу поддерживают еще два факта: перед падением двух крупных машин в воздухе были видны газовое пламя и огненные шары. Может быть, это горел метан, вырвавшийся из воды? Гольд предполагает, что причиной тому послужило легкое землетрясение в прибрежной зоне дна.
Некоторые ученые скептически относятся к гипотезе о том, что свободный метан способен пробить толстый слой метанового льда. Однако есть свидетельства, подтверждающие выход метана на поверхность океана, правда, не в столь больших количествах.
Германское экспедиционное судно "Полярная звезда" побывало в арктическом море Лаптевых и у берегов Пакистана - в акваториях, где сосредоточены обильные скопления метангидрата. Оно нашло на дне кратеры диаметром 20 и 30 метров. Эти углубления, по мнению исследователей, - следы взрыва газа. В 1997 году российское исследовательское судно "Сергей Вавилов" у побережья Новой Земли оказалось в районе, где из моря происходило интенсивное выделение газов. В прошлом году немецкие и американские исследователи впервые наблюдали, как пузыри метана вырывались из воды. Это было в Тихом океане у берегов штата Орегон. При погружении исследовательской лодки "Alvin" ученые впервые увидели на дне отверстия, из которых выплывали газовые пузыри. Они, по их предположению, исходили из скоплений под слоями метангидрата (его толщина здесь равняется 140 метрам - согласно сейсмическим измерениям). Ученые считают, что метан стремительно прорывается через слой метангидрата: при медленном просачивании он застревал бы в этом слое и замерзал.
Первые попытки "приручить" метангидрат
Еще нет полного описания всех запасов метангидрата, но, даже пользуясь приблизительными оценками того, что накопила Природа у океанских побережий, ученые оценивают его энергетический эквивалент как самый крупный резерв энергии, доступный человечеству, если иметь в виду горючие ископаемые. Только углерода в метангидрате содержится больше, чем в привычных каменном угле, торфе, сланцах и нефти, вместе взятых (но в это соединение входит еще и водород - самый ценный энергоноситель). Можно с уверенностью считать, что этого вида топлива человечеству хватит еще на многие тысячелетия. Вопрос: как к нему подобраться?
В марте 1998 года канадско-японская геологическая экспедиция на северо-западе Канады провела испытательное бурение в дельте реки Мак-Кензи. На глубине 900 метров бур наткнулся на метангидрат. На поверхность был извлечен керн - хрупкий лед серого цвета, пронизанный илом. Когда ученые положили кусок керна в миску с водой, началось бурное, подобно кипению, высвобождение газа из ледяного плена. Но эта энергия очень мала по сравнению с той, которую мы получаем при химическом взаимодействии метана с кислородом, то есть при горении.
Сегодня еще нет отлаженной промышленной технологии добычи нового топлива. Высказывается, например, идея, что при добыче следует предусмотреть крышу над слоем этого вещества или полог, чтобы случайное повышение температуры или действие химических веществ не высвободили газ из-под слоя льда. Даже бурение метанового льда - рискованная операция: оно может снизить давление, следовательно, породить нестабиль ность. Пока неясны такие исходные данные, как концентрация метангидрата в донных отложениях. Поскольку он сохраняет стабильность только при больших давлениях, то еще ни разу не удалось поднять на борт достаточно большую глыбу конгломерата.
Соединенные Штаты, согласно перспективным расчетам, к 2020 году должны на 30 процентов увеличить потребление энергии. готовы они использовать и метангидрат: конгресс страны отпустил 42 миллиона долларов на разрабтку программы включения нового топлива в энергетический баланс страны. Намечено, что к 2015 году начнется эксплуатация прибрежных хранилищ метангидрата.
Особенно заинтересована в освоении добычи метангидрата Япония - страна, лишенная нефтяных месторождений, но обладающая обширными запасами метана, спрятанного в океане - во льду и под ним. Японцы стремятся освоить коммерческую, промышленную добычу. Бурение, предпринятое в канадской Арктике, в дельте реки Мак-Кензи, в условиях вечной мерзлоты, показало, что в кернах поры льда заполнены газом на 80 процентов. Японцы выдвигают свои буровые в сторону Тихого океана, и опробуются различные технологии. Однако о результатах их экспериментальных работ пока ничего не известно.
Геолог Скотт Даллимор считает, что бурение в Сибири и на Аляске показало концентрацию газа в порах льда от 50 до 80 процентов. Морские залежи крупнее, но там заполняемость газом равна примерно 20 процентам. В России, в Сибири, есть месторождение Meссоякское - газовое поле, расположенное в вечной мерзлоте, - единственное место в мире, где обычный природный газ получают из метангидрата. Это довольно мощное месторождение, работающее уже много лет. От него проложен трубопровод до Норильска - крупного потребителя энергии.
В отличие от вечной мерзлоты океанские запасы, как уже говорилось, состоят из двух частей: метанового льда, слой которого может превышать несколько сотен метров, и удерживаемого этим слоем газового пузыря. Сейчас идет поиск промышленной технологии, которая позволила бы чрезвычайно аккуратно добывать газ, не допуская его утечек в атмосферу: метан и углекислый газ ответственны за парниковый эффект - его влияние в последние годы мы все почувствовали. Если в дополнение к СО2 в атмосферу вырвутся еще и большие массы метана, то растущая ее температура может возродить те условия, в которых оказалась наша планета 55 миллионов лет назад, о чем говорилось в начале статьи.
Не годится также и обычное сжигание вновь добываемых гигантских объемов метана - мы получим в большом количестве все тот же СО2, парниковый газ, то есть и в этом случае атмосфера начнет энергичнее разогревать ся. Природа припасла для человека щедрый подарок, но ученым и инженерам придется хорошенько поломать головы, прежде чем удастся воспользоваться ее милостью.