Explicación de fugas desconcertantes de capas congeladas

La fuga de capas congeladas fue un rompecabezas, pero un nuevo estudio muestra cómo el potente gas de efecto invernadero rompe las barreras heladas.

El metano, el principal componente del gas natural, es el combustible más limpio 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. Sin embargo, la forma en que el metano se 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 que brotan de estas formaciones en algunos lugares, sin embargo, la alta presión y baja temperatura de estos entornos de aguas profundas deberían crear una capa sólida congelada que se esperaría que actuara como una especie. de capstone, 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, conocidas como hidratos de metano. Utilizando 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, PhD ’17, ahora en la Universidad de California en Berkeley; El profesor Rubén Juanes en MIT; y otros cinco en Suiza, España, Nuevo México y California.

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

Al principio, Fu vio fotos y videos que mostraban columnas de metano, tomadas desde un barco de investigación de la NOAA en el Golfo de México, que revelaban el proceso de formación de burbujas justo en el fondo marino. Estaba claro que las burbujas mismas a menudo se formaban con una costra congelada a su alrededor, y flotaban 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 por sí solo detectó miles de estas columnas”, dice Fu, quien dirigió el proyecto de investigación mientras era estudiante de posgrado y postdoctorado en el MIT. “Podríamos seguir estas burbujas de metano incrustadas por conchas de hidratos en la columna de agua”, dice ella. “Fue entonces cuando supimos por primera vez que la formación de hidratos en estas interfaces de gas puede ser algo 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 fondo marino en estas regiones de ventilación muestran una serie de conductos relativamente estrechos, o chimeneas, a través de los cuales 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, explica Fu. 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.

Cuando un gas intenta subir a través del lecho marino, dice Fu, si está formando una capa de hidrato cuando golpea el agua de mar fría, eso debería bloquear su avance: “Se está estrellando contra una pared. Entonces, ¿cómo no impediría ese muro una 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 propio caparazón ”, dice Fu. Pero en lugar de que cada ruptura vuelva a congelarse con el hidrato reformador, la formación del hidrato 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 abrirse camino por sí mismo, y ese camino está amurallado por el hidrato sólido”, dice. Este fenómeno que observaron a pequeña escala en el laboratorio, sugiere su análisis, es también lo que también sucedería a una escala mucho mayor en el fondo marino.

Esa observación, dijo, “fue realmente la primera vez que nos enteramos de un fenómeno como este que podría explicar cómo la formación de hidratos no inhibirá el flujo de gas, sino que en este caso lo facilitaría”, al proporcionar 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 hidrato, 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 forma gaseosa no congelada 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 la formación de hidratos, en lugar de prevenirlos ”, 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 tal ventilación, Fu dice que hasta ahora hay poca evidencia de eso. Ella señala que se espera que las temperaturas en las profundidades donde ocurren estas formaciones, 600 metros (1900 pies) de profundidad o más, experimenten un aumento de temperatura menor del que sería necesario para desencadenar una liberación generalizada del gas congelado.

Algunos investigadores han sugerido que estas vastas formaciones de metano submarino algún día podrían aprovecharse para la producción de energía. Aunque habría grandes obstáculos técnicos para tal uso, dice Juanes, 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, se escape al lecho marino, aún no se comprende del todo”, dice Hugh Daigle, profesor asociado de ingeniería de petróleo y geosistemas en la Universidad de Texas en Austin, quien no estuvo asociado con esta investigación. “Este trabajo presenta un probable mecanismo nuevo 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 trabajos futuros”, dice Daigle.

El equipo de investigación incluyó a Joaquín Jiménez-Martínez del Instituto Federal Suizo de Ciencia y Tecnología Acuáticas; Than Phon Nguyen, William Carey y Hari Vinaswanathan en el Laboratorio Nacional de Los Alamos; y Luis Cueto-Felgueroso de la Universidad Politécnica de Madrid. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de Estados Unidos.