Метан

СН₄

Метан – наиболее важный представитель органических веществ в атмосфере (рис.1). Его концентрация существенно превышает концентрацию остальных органических соединений. В 60-е и 70-е годы количество метана в атмосфере возрастало со скоростью 1% в год, и это объяснялось хозяйственной деятельностью человечества.

Рис.1. Молекула метана

Увеличение содержания метана в атмосфере способствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли в инфракрасной области спектра на длине волны 7,66 мкм. Метан занимает второе место после углекислого газа по эффективности поглощения теплового излучения Земли. Вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой для углекислого газа. С ростом содержания метана изменяются химические процессы в атмосфере, что может привести к ухудшению экологической ситуации на Земле. Естественно возникает вопрос об управлении химическими и физическими процессами, в которых принимает участие метан. Если молекулы метана попадают в атмосферу, то они вовлекаются в процессы переноса и вступают в химические реакции, которые хорошо известны как качественно, так и количественно. Управление процессами непосредственно в атмосфере в глобальном масштабе практически исключено. До настоящего времени направленное воздействие на атмосферные процессы удавалось осуществлять только путем изменения мощности антропогенных источников. Поэтому важно понимать природу естественных и антропогенных источников метана и оценивать их мощность с достаточной степенью достоверности.

Метан по происхождению бывает:

- биогенным, если он возникает в результате химической трансформации органического вещества;

- бактериальным (или микробным), если он образуется в результате деятельности бактерий;

- термогенным, если его возникновение обязано термохимическим процессам;

- абиогенным, если он возникает в результате химических реакций неорганических соединений.

Бактериальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результате процессов пищеварения в желудках насекомых и животных (преимущественно жвачных). Термогенный метан возникает в осадочных породах при их погружении на глубины 3–10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и давлений. Абиогенный метан образуется обычно на больших глубинах в мантии Земли.

В настоящее время общее количество метана в атмосфере оценивают в пределах 4600–5000 Тг (Тг = 1012 г). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а океаны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8–12 лет.

Метан находится в атмосфере в основном в приземном слое, который называется тропосферой и толщина которого составляет 11–15 км. Концентрация метана мало зависит от высоты в интервале от поверхности Земли до тропопаузы, что обусловлено большой скоростью перемешивания по высоте в пределах 0–12 км (1 месяц) в сравнении со временем жизни метана в атмосфере.

Метан попадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников. Мощность антропогенных источников в настоящее время существенно превышает мощность естественных. К естественным источникам метана относятся болота, тундра, водоемы, насекомые (главным образом термиты), метангидраты, геохимические процессы. К антропогенным – рисовые поля, шахты, животные, потери при добыче газа и нефти, горение биомассы, свалки. Относительное распределение источников по их мощности дано на рис.2.

Рис. 2. Доли отдельных источников в общем потоке метана в атмосферу

Из данных рис.2 видно, что болота, рисовые поля и животные вносят доминирую-щий вклад в образование общего потока в атмосферу. Природа образования метана в таких источниках, как болота, озера, рисовые поля, жвачные животные, насекомые, свалки, примерно одинакова – ферментативная переработка клетчатки.

Интенсивность выделения метана из болот меняется в широких пределах. Эмиссия метана от западносибирских болот, которые являются достаточно типичным представителем северных болот, определенная с применением методов газовой хроматографии, составляет примерно 9 мг метана в ч/м². В среднем эмиссия метана из сибирских болот может достигать 20 Тг/год, что довольно много в сопоставлении с общим потоком метана от болот (50–70 Тг). Нужно сказать, что точность определения эмиссии метана от болот затруднена большим разбросом величин эмиссии при измерении даже на близко расположенных участках. Например, величина эмиссии метана в западносибирских болотах колебалась в интервале от 0,1 до 40 мг/( м²⋅ч). Большой поток метана от рисовых полей обусловлен резким ускорением транспорта метана внутри полостей в стеблях риса, так как диффузия метана происходит в воздушной среде, а не в воде. Поток метана с рисовых полей достигает в среднем 2,3 мг/( м²⋅ч).

Количество крупного рогатого скота в мире – около 1,5 млрд голов. Одна корова производит в сутки около 250 л чистого метана. Этого количества метана хватит, чтобы вскипятить 20 л воды. В развитых странах на свалки вывозится примерно 1,8 кг мусора в день в расчете на одного человека, в России 0,6 кг соответственно. Примерно 10% этой массы может конвертироваться в метан. Следовательно, в России производится 60 г метана в сутки в расчете на одного человека.

Шахтный метан возникает в процессе трансформации органических остатков в уголь под влиянием высоких давлений и температур. Можно считать, что в глубинах земли происходит пиролиз органических веществ. Растительные остатки содержат большое количество лигнина, в структуре которого имеется много метильных групп. В ходе термической переработки происходит освобождение метильных радикалов, которые затем отрывают атом водорода от органических молекул и превращаются в метан. Добыча 1 т угля сопровождается выделением 13 м³ чистого метана.

Аналогичный механизм образования метана наблюдается и при горении биомассы. Основной источник метана, выделяющегося при горении биомассы, находится в Африке, где широко практикуется сжигание соломы при подготовке почвы для нового урожая. Использование дерева для приготовления пищи и отопления дает незначительный вклад. Страны бывшего СССР производят около 5–15% от общего потока метана в атмосферу.

Таким образом, роль метана в экологических процессах исключительно велика. В настоящее время насущной задачей для многих регионов земного шара, и в том числе для России, являются инвентаризация существующих источников метана, выявление и прогнозирование появления новых источников.

В России более детальному исследованию следует подвергнуть те источники метана, мощность которых определена с недостаточной точностью. Прежде всего это болота, и особенно болота Западной Сибири. Важной является проблема образования и транспорта метана в болотах внутри водной фазы. Залежи метангидратов интересны не только с точки зрения воздействия на климат планеты при их дестабилизации, но и с целью промышленного использования. Рациональное использование отходов, например для получения тепловой энергии, может решить проблему свалочного газа. Еще одна проблема носит экологический характер. В настоящее время трудно сомневаться в том, что происходит постепенное потепление климата, хотя и гораздо меньшими темпами, чем предполагалось ранее. Повышение температуры планеты скажется на возрастании потоков метана, так как изменение температуры на один градус меняет интенсивность выделения метана в микробиологических процессах (болота, рисовые поля, свалки) примерно на 10%. Потенциально опасный источник метана, который может включиться при повышении температуры, – это гидраты метана. Запасы метангидратов огромны. Повышение температуры вызовет дестабилизацию метангидратов и начнется их распад, что иногда наблюдается и сейчас. В настоящее время оценка мощности потока метана от метангидратов невелика и составляет около 1% от общего потока. Увеличение поступления потока метана в атмосферу вызовет дальнейшее ускорение в повышении температуры атмосферы, что будет иметь огромные негативные последствия.

Список литературы

1) Арустамов Э.А. Безопасность жизнедеятельности. – М.: 2001.

2) Белов С.В. Безопасность жизнедеятельности. – М.: 2000.

3) Гарин В.М. Экология для технических вузов. – Ростов на Дону: 2001.