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,