Метан

Метан СН₄

Метан — наиболее важный представитель органичес-ких веществ в атмосфере (рис.1). Его концентрация су-щественно превышает концентрацию остальных орга-нических соединений. В 60-е и 70-е годы количество метана в атмосфере возрастало со скоростью 1% в год, и это объяснялось хозяйственной деятельностью чело-вечества.

Рис. 1. Молекула метана

Увеличение содержания метана в атмосфере способ-ствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли в ин-фракрасной 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 изменя-ются 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 попа-дают в атмосферу, то они вовлекаются в процессы пере-носа и вступают в химические реакции, которые хоро-шо известны как качественно, так и количественно. Управление процессами непосредственно в атмосфере в глобальном масштабе практически исключено. До настоящего времени направленное воздействие на ат-мосферные процессы удавалось осуществлять только путем изменения мощности антропогенных источни-ков. 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 химиче-ской трансформации органического вещества;

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

— термогенным, если его возникновение обязано термохимиче-ским процессам;

— абиогенным, если он возникает в результате химических ре-акций неорганических соединений.

Бак-териальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результате процессов пище-варения в желудках насекомых и животных (преимуще-ственно жвачных). Термогенный метан возникает в оса-дочных породах при их погружении на глубины 3−10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и дав-лений. Абиогенный метан образуется обычно на больших глубинах в мантии Земли.

В настоящее время общее количество метана в атмо-сфере 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 оке-аны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8−12 лет.

Метан находится в атмосфере в основном в призем-ном 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 ско-ростью перемешивания по высоте в пределах 0−12 км (1 месяц) в сравнении со временем жизни метана в ат-мосфере.

Метан попадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников. Мощность антропоген-ных источников в настоящее время существенно пре-вышает мощность естественных. К естественным ис-точникам метана относятся болота, тундра, водоемы, насекомые (главным образом термиты), метангидраты, геохимические процессы. К антропогенным — рисовые поля, шахты, животные, потери при добыче газа и неф-ти, горение биомассы, свалки. Относительное распределе-ние 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 мета-на в таких источниках, как болота, озера, рисовые поля, жвачные животные, насекомые, свалки, примерно оди-накова — ферментативная переработка клетчатки.

Интенсивность выделения метана из болот меняется в широких пределах. Эмиссия метана от западносибирских болот, которые являются доста-точно типичным представителем северных болот, оп-ределенная с применением методов газовой хромато-графии, составляет примерно 9 мг метана в ч/м². В среднем эмиссия метана из сибирских болот может до-стигать 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 участ-ках. Например, величина эмиссии метана в западно-сибирских болотах колебалась в интервале от 0,1 до 40 мг/(м²?ч). Большой поток метана от рисовых полей обусловлен резким ускорением транспорта метана вну-три полостей в стеблях риса, так как диффузия метана происходит в воздушной среде, а не в воде. Поток мета-на 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 рас-чете на одного человека, в России 0,6 кг соответствен-но. Примерно 10% этой массы может конвертировать-ся в метан. Следовательно, в России производится 60 г метана в сутки в расчете на одного человека.

Шахтный метан возникает в процессе трансформа-ции органических остатков в уголь под влиянием высо-ких давлений и температур. Можно считать, что в глу-бинах земли происходит пиролиз органических веществ. Растительные остатки содержат большое ко-личество лигнина, в структуре которого имеется много метильных групп. В ходе термической переработки происходит освобождение метильных радикалов, кото-рые затем отрывают атом водорода от органических молекул и превращаются в метан. Добыча 1 т угля со-провождается выделением 13 м³ чистого метана.

Аналогичный механизм образования метана на-блюдается и при горении биомассы. Основной источ-ник метана, выделяющегося при горении биомассы, находится в Африке, где широко практикуется сжига-ние 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 по-тока метана в атмосферу.

Таким образом, роль метана в экологических процессах исключитель-но велика. В настоящее время насущной задачей для многих регионов земного шара, и в том числе для Рос-сии, являются инвентаризация существующих источ-ников метана, выявление и прогнозирование появле-ния 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. Важ-ной является проблема образования и транспорта ме-тана в болотах внутри водной фазы. Залежи метангидратов интересны не только с точки зрения воз-действия на климат планеты при их дестабилизации, но и с целью промышленного использования. Рацио-нальное использование отходов, например для получе-ния тепловой энергии, может решить проблему свалоч-ного 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 ра-нее. Повышение температуры планеты скажется на возрастании потоков метана, так как изменение темпе-ратуры на один градус меняет интенсивность выделе-ния метана в микробиологических процессах (болота, рисовые поля, свалки) примерно на 10%. Потенциаль-но опасный источник метана, который может вклю-читься 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 об-щего потока. Увеличение поступления потока метана в атмосферу вызовет дальнейшее ускорение в повыше-нии температуры атмосферы, что будет иметь огром-ные негативные последствия.

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.