Ein Fluchtweg für Meeresboden-Methan: Rätselhafte Leckagen aus gefrorenen Schichten erklärt.

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Das Austreten aus gefrorenen Schichten war ein Rätsel, aber eine neue Studie zeigt, wie das starke Treibhausgas eisige Barrieren durchbricht.

Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, verbrennt von allen fossilen Brennstoffen am saubersten, aber wenn es in die Atmosphäre ausgestoßen wird, ist es ein viel wirksameres Treibhausgas als Kohlendioxid. Einige Schätzungen gehen davon aus, dass das in gefrorenen Formationen an den Kontinentalrändern enthaltene Methan am Meeresboden die Gesamtmenge an Kohle, Öl und Gas in allen anderen Lagerstätten weltweit erreicht oder übersteigt. Die Art und Weise, wie Methan aus diesen tiefen Formationen entweicht, ist jedoch nur unzureichend verstanden.

Vor allem die Wissenschaftler stehen vor einem Rätsel. Beobachtungen an Standorten auf der ganzen Welt haben gezeigt, dass an einigen Stellen kräftige Methangassäulen aus diesen Formationen aufsteigen, doch der hohe Druck und die niedrigen Temperaturen dieser Tiefseeumgebungen sollten eine feste gefrorene Schicht erzeugen, die als eine Art Deckstein wirken und das Entweichen von Gas verhindern sollte. Wie kommt das Gas also heraus?

Eine neue Studie hilft zu erklären, wie und warum Gassäulen aus diesen Formationen, die als Methanhydrate bekannt sind, ausströmen können. Mithilfe einer Kombination aus Tiefsee-Beobachtungen, Laborexperimenten und Computermodellierung haben Forscher Phänomene gefunden, die erklären und vorhersagen, wie sich das Gas aus dem eisigen Griff einer gefrorenen Mischung aus Wasser und Methan löst. Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift PNAS in einem Artikel von Xiaojing (Ruby) Fu SM ’15, PhD ’17, jetzt an der Universität von Kalifornien in Berkeley; Professor Ruben Juanes am MIT und fünf weiteren in der Schweiz, Spanien, New Mexico und Kalifornien veröffentlicht.

Überraschenderweise kann die gefrorene Hydratbildung nicht nur nicht verhindern, dass Methangas in die Ozeansäule entweicht, sondern in einigen Fällen erleichtert sie sogar das Entweichen.

Schon früh sah Fu Fotos und Videos mit Methanfahnen, die von einem NOAA-Forschungsschiff im Golf von Mexiko aus aufgenommen wurden und den Prozess der Blasenbildung direkt am Meeresboden offenbaren. Es war klar, dass sich die Blasen selbst oft mit einer gefrorenen Kruste um sie herum bildeten und mit ihren eisigen Schalen wie winzige Heliumballons nach oben schwebten.

Später verwendete Fu ein Sonargerät, um ähnliche Blasenfahnen von einem Forschungsschiff vor der Küste von Virginia aus aufzuspüren. “Allein auf dieser Fahrt wurden Tausende dieser Blasenfahnen entdeckt”, sagt Fu, der das Forschungsprojekt als Doktorand und Postdoc am MIT leitete. “Wir konnten diesen Methanblasen folgen, die von Hydrathüllen in der Wassersäule verkrustet sind”, sagt sie. “Damals wussten wir zum ersten Mal, dass die Bildung von Hydraten an diesen Gasgrenzflächen sehr häufig vorkommen kann”.

Aber was genau unter dem Meeresboden vor sich ging, um die Freisetzung dieser Blasen auszulösen, blieb unbekannt. Durch eine Reihe von Laborexperimenten und -simulationen wurden die wirkenden Mechanismen nach und nach deutlich.

Seismische Untersuchungen des Untergrunds des Meeresbodens in diesen Schlotregionen zeigen eine Reihe von relativ engen Kanälen oder Schornsteinen, durch die das Gas entweicht. Das Vorhandensein von Gashydratbrocken aus eben diesen Formationen machte jedoch deutlich, dass das feste Hydrat und das gasförmige Methan nebeneinander existieren können, erklärt Fu. Um die Bedingungen im Labor zu simulieren, verwendeten die Forscher einen kleinen zweidimensionalen Aufbau, bei dem eine Gasblase in einer Wasserschicht unter hohem Druck zwischen zwei Glasplatten eingeschlossen wurde.

Während ein Gas versucht, durch den Meeresboden aufzusteigen, sagt Fu, wenn es eine Hydratschicht bildet, wenn es auf das kalte Meerwasser trifft, sollte dies sein Vorankommen blockieren: “Es läuft gegen eine Wand. Wie sollte diese Wand es also nicht an einer kontinuierlichen Migration hindern? Mit Hilfe der Mikrofluidik-Experimente fanden sie ein bisher unbekanntes Phänomen bei der Arbeit, das sie Krusten-Fingersätze nannten.

Wenn die Gasblase sich auszudehnen beginnt, “sahen wir, dass die Ausdehnung des Gases genug Druck erzeugen konnte, um die Hydrathülle im Wesentlichen zu zerreißen. Und es ist fast so, als würde sie aus ihrer eigenen Schale schlüpfen”, sagt Fu. Aber anstatt dass jeder Bruch mit dem sich neu bildenden Hydrat wieder zufriert, findet die Hydratbildung an den Seiten der aufsteigenden Blase statt, wodurch eine Art Röhre um die Blase herum entsteht, während sie sich nach oben bewegt. “Es ist fast so, als ob die Gasblase in der Lage wäre, sich ihren eigenen Weg herauszuschneiden, und dieser Weg wird durch den Hydrat-Festkörper ummauert”, sagt sie. Dieses Phänomen, das sie in kleinem Maßstab im Labor beobachtet haben, wie ihre Analyse vermuten lässt, ist auch das, was in viel größerem Maßstab im Meeresboden passieren würde.

Diese Beobachtung, sagt sie, “war wirklich das erste Mal, dass wir uns eines solchen Phänomens bewusst wurden, das erklären könnte, wie die Hydratbildung den Gasfluss nicht hemmt, sondern in diesem Fall eher erleichtern würde”, indem es eine Leitung zur Verfügung stellt und den Fluss lenkt. Ohne diese Fokussierung wäre der Gasstrom viel diffuser und würde sich ausbreiten.

Wenn sich die Hydratkruste bildet, verlangsamt sie die Bildung von mehr Hydrat, weil sie eine Barriere zwischen dem Gas und dem Meerwasser bildet. Das Methan unterhalb der Barriere kann daher lange Zeit in seiner ungefrorenen, gasförmigen Form verbleiben. Die Kombination dieser beiden Phänomene – das

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