Η χημική ένωση του μήνα

 [Ιούλιος 2008]

Επιμέλεια σελίδας:

Θανάσης Βαλαβανίδης, Καθηγητής - Κωνσταντίνος Ευσταθίου, Καθηγητής

Το μεθάνιο είναι το δεύτερο αέριο από άποψη συμβολής (αμέσως μετά το CO2) στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, αλλά σίγουρα είναι το πιο "ύπουλο". Σε καταστροφολογικά σενάρια, τα οποία αναφέρονται στο ενδεχόμενο μιας αλματώδους αύξησης της μέσης θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας του πλανήτη μας, ο κύριος "πρωταγωνιστής" είναι το μεθάνιο. 

Ιστορία του μεθανίου

Το μεθάνιο (CH4) είναι το μικρότερο σταθερό μόριο υδρογονάνθρακα με ένα άτομο άνθρακα. Είναι αέριο που καίγεται με χαρακτηριστική φλόγα κυανού χρώματος. Βρίσκεται σε αφθονία στη φύση ως κύριο (τυπικά: 75-90% κ.ό.) συστατικό του φυσικού αερίου. Το φυσικό αέριο (natural gas) δημιουργήθηκε κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων χρόνων, όπως και το πετρέλαιο, δηλαδή με αναερόβια αποσύνθεση μικροσκοπικών θαλάσσιων οργανισμών και φυτικών υλών, που εγκλωβίσθηκαν σε βαθειά πετρώματα και λάσπες και υπέστησαν υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες. Το φυσικό αέριο εκλύεται κατά τις γεωτρήσεις και από τις πετρελαιοπηγές λόγω των υψηλών πιέσεών του στα υπόγεια στρώματα.

Η φυσική παραγωγή του μεθανίου είναι μια συνεχής διαδικασία και εξακολουθεί να παράγεται ως προϊόν σήψης οργανικής ύλης σε έλη και υδροβιότοπους υπό την επίδραση μεθανογόνων (methanogenic) βακτηρίων κάτω από συνθήκες απουσίας οξυγόνου και σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Το "πρόσφατο" μεθάνιο διακρίνεται εύκολα από το "αρχέγονο" με βάση την ισοτοπική περιεκτικότητα σε C-14.

Από τους αρχαιότατους χρόνους ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε το μεθάνιο (ως φυσικό αέριο) ως μέσο θέρμανσης. Συστηματική χρήση του γινόταν από τους Κινέζους (10ος αιώνας π.Χ.), οι οποίοι το διαβίβαζαν μέσω καλαμιών μπαμπού και το έκαιγαν με σκοπό την εξάτμιση θαλασσινού νερού για παραγωγή αλατιού. Σε πολλές περιοχές που φυσικό αέριο εκλυόταν από σχισμές του εδάφους, ήταν γνωστό ότι όσοι το ανέπνεαν περιέρχονταν σε κατάσταση ημιαναισθησίας και μιλούσαν ασυνάρτητα. Αυτά τα φαινόμενα αποδίδονταν σε υπερφυσικές δυνάμεις και συχνά στις θέσεις αυτές έκτιζαν ναούς και μαντεία. Φωτιστική χρήση του μεθανίου αναφέρεται να γίνεται από τον 2ο αιώνα μ.Χ. [Αναφ. 2].

Μεθάνιο παράγεται και εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα της Γης από φυσικές (έλη, τερμίτες) και ανθρωπογενείς (πετρελαιοπηγές, κτηνοτροφία, χωματερές) πηγές. Η μέση συγκέντρωσή του στον αέρα είναι πολύ μικρή, της τάξης του 1,6-1,8 ppmv (ppmv: μέρη στο εκατομμύριο κατ' όγκο).

Το μεθάνιο ήταν ένα από τα πρώτα αέρια που χαρακτηρίστηκαν ως ξεχωριστές χημικές ενώσεις. 'Ηταν γνωστό ως "αέριο των ελών" ή "ελειογενές αέριο" (marsh gas) και ο πρώτος που το μελέτησε ήταν ο φυσικός Alessandro Volta (1745-1827), ο οποίος το απομόνωσε από έλη της Ιταλίας βασισμένος σε παρατηρήσεις που είχαν γίνει και καταγραφεί παλαιότερα από τον Benjamin Franklin (1706-1790). Ο Volta έγινε διάσημος κυρίως για τις ανακαλύψεις στο πεδίο του ηλεκτρισμού, ωστόσο τα πειράματά του με διάφορα αέρια και κυρίως με το μεθάνιο, στην αρχή της επιστημονικής του σταδιοδρομίας (1778), τον έκαναν γνωστό στην επιστημονική κοινότητα της εποχής του, πριν ακόμη προχωρήσει στην κύρια ανακάλυψή του, την ηλεκτρική στήλη (1800) [Αναφ. 3]. 

Το μεθάνιο εκλύεται συχνά στα ανθρακωρυχεία και πολλές ζωές ανθρακωρύχων χάθηκαν εξ αιτίας του, αφού σε αναλογίες 5-15% κ.ό. στον αέρα αναφλέγεται εκρηκτικά. Η χρήση γυμνής φλόγας για το φωτισμό των στοών ήταν το αίτιο το αναφλέξεων αυτών. Το 1815 ο Βρετανός χημικός Humphry Davy (1778-1829) διαπίστωσε ότι το μεθάνιο αναφλέγεται μόνο υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών. Η παρατήρηση αυτή τον οδήγησε στην κατασκευή φωτιστικής λυχνίας, στην οποία η φλόγα περιβαλλόταν από μεταλλικό πλέγμα. Το πλέγμα επέτρεπε την είσοδο αέρα προς τη φλόγα, παρουσία μεθανίου γινόταν εσωτερική ανάφλεξη, αλλά το πλέγμα διέσπειρε τη θερμότητα και η ανάφλεξη αυτή δεν διαδιδόταν εκτός λυχνίας. Η λυχνία αυτή, γνωστή ως λυχνία Davy (Davy lamp) ήταν και ένα είδος ανιχνευτή επικίνδυνων αερίων. Παρουσία μεθανίου η φλόγα γινόταν εντονότερη και αποκτούσε κυανό χρώμα, ενώ παρουσία του ασφυκτικού διοξειδίου του άνθρακα η φλόγα έσβηνε. Χάρις στη λυχνία Davy σώθηκαν πολλές ζωές ανθρακωρύχων και επαναλειτούργησαν πολλά ανθρακωρυχεία, τα οποία είχαν εγκαταλειφθεί ως επικίνδυνα [Αναφ. 4]. 

Χημική σύνθεση του μεθανίου

Σε εργαστηριακή κλίμακα (ως πείραμα επίδειξης) μεθάνιο παρασκευάζεται εύκολα με επίδραση ύδατος σε ανθρακαργίλιο (αντίδρ. 1) και συνήθως περιέχει μικρά ποσά από άλλους υδρογονάθρακες. Καθαρότερο μεθάνιο παρασκευάζεται με θέρμανση οξικού νατρίου με καυστικό νάτριο ή νατράσβεστο (NaOH+CaO) (αντίδρ. 2).

Σε μεγάλη κλίμακα, μεθάνιο παρασκευάζεται με απ' ευθείας αντίδραση άνθρακα και υδρογόνου σε υψηλές θερμοκρασίες (>1500 ºC) ή με αντίδραση μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου παρουσία καταλύτη (Ni) (αντιδρ. 3, 4). Η αντίδραση 4 είναι αμφίδρομη και η φορά της εξαρτάται από τη θερμοκρασία, έτσι σε πιέσεις 10-20 atm και θερμοκρασία γύρω στους 850°C προχωρά κατά την αντίστροφη φορά και χρησιμοποιείται για την παραγωγή του αερίου σύνθεσης (Syngas, μίγμα CO και Η2) από το φυσικό αέριο. Δεδομένης της αφθονίας του μεθανίου ως κύριου συστατικού του φυσικού αερίου, η σύνθεσή του σπάνια χρειάζεται.

Χρήσεις του μεθανίου

Τεράστιες ποσότητες μεθανίου χρησιμοποιούνται κυρίως υπό τη μορφή του φυσικού αερίου, του οποίου η ετήσια παραγωγή φθάνει περίπου τα 280 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα (2006)[Αναφ. 7β].

Η καύση του μεθανίου σύμφωνα με την αντίδραση:

είναι ισχυρά εξώθερμη  (ΔH =  -891 kJ/mol) και από αυτή την άποψη το φυσικό αέριο θεωρείται ως καύσιμο υψηλής ποιότητας, το οποίο δεν παράγει ρύπους εφόσον καίγεται πλήρως. Επιπλέον, σε σχέση με τους άλλους υδρογονάνθρακες, το μεθάνιο είναι περιβαλλοντικά φιλικότερο, αφού παράγει το λιγότερο CO2 ανά μονάδα παραγόμενης θερμότητας.

Το φυσικό αέριο περιέχει και άλλους ελαφρούς υδρογονάνθρακες σε χαμηλά ποσοστά. Τυπικά μπορεί να περιέχει 75-90% μεθάνιο (κ.ό.), 5-15% αιθάνιο, 3-4% βαρύτερα αλκάνια). Επίσης, περιέχει σε πολύ μικρά ποσοστά και μη καύσιμα αέρια (CO2, N2, He), όπως και αέρια που μπορεί να είναι τοξικά ή βλαπτικά τόσο για το δίκτυο διανομής, τους καυστήρες, αλλά και το περιβάλλον  (π.χ. H2S, ακόμα και ίχνη Hg). Σχεδόν πάντοτε, το φυσικό αέριο υφίσταται κατεργασία για να απαλλαχθεί κατά το δυνατόν ανεπιθύμητα συστατικά και από τους βαρύτερους υδρογονάνθρακες (C3-C4), οι οποίοι διατίθενται χωριστά ως "υγραέριο" ή "υγροποιημένο αέριο πετρελαίου" (liquefied petroleum gas, LPG).

Αξιοσημείωτο είναι ό,τι το φυσικό αέριο ορισμένων περιοχών (κυρίως στις ΗΠΑ) μπορεί να περιέχει μέχρι και 7% κ.ό. ήλιο και αποτελεί ουσιαστικά τη μοναδική πηγή παραγωγής αυτού του εξαιρετικά χρήσιμου ευγενούς αερίου [Αναφ. 8].

Κρυογόνο τάνκερ μεταφοράς  και δεξαμενή απoθήκευσης υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG).

Το καθαρισμένο φυσικό αέριο μπορεί να υγροποιηθεί με ψύξη στους -163ºC (liquefied natural gas, LNG) και υπό πίεση να διοχετευθεί μέσω αγωγών σε μεγάλες αποστάσεις ή με κρυογόνα τάνκερ (cryogenic tankers) να μεταφερθεί μέσω θαλάσσης σε άλλες περιοχές. Η Ελλάδα διαθέτει σημαντικό σταθμό υγροποιημένου φυσικού αερίου στη νήσο Ρεβυθούσα απέναντι από την Πάχη των Μεγάρων [Αναφ. 9-10].  

Το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται κυρίως ως καύσιμο για βιομηχανική και οικιακή χρήση, όπως και για τη λειτουργία ορισμένων κινητήρων. Σε πολλές περιπτώσεις χρησιμοποιείται και ως καύσιμο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Ως καύσιμο, το φυσικό αέριο είναι εξαιρετικά ασφαλές και εκρήξεις μπορούν να συμβούν μόνο όταν η συγκέντρωσή του στον αέρα βρίσκεται στην περιοχή 5 έως 15% (όρια ευφλεκτότητας) και εφόσον υπάρχει κάποια πηγή δημιουργίας υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. κάποιος σπινθήρας). Το ίδιο το μεθάνιο είναι ουσιαστικά άοσμο και η γνωστή δυσάρεστη οσμή του φυσικού αερίου οφείλεται σε θειούχες ενώσεις (θειόλες και θειαιθέρες), όπως π.χ. η t-βουτανοθειόλη (CΗ3)3CSH (με οσμή σάπιου λαχανικού), που σκόπιμα προστίθενται σε μικρές ποσότητες για λόγους ασφαλείας, ώστε να γίνεται εύκολα αντιληπτή μια διαρροή του.

Μεγάλες ποσότητες φυσικού αερίου χρησιμοποιούνται για την παραγωγή υδρογόνου, όπως και του αερίου σύνθεσης (Syngas) (αντίστροφη αντίδραση 4, γνωστή ως "steam reforming"), το οποίο είναι μίγμα H2 + CO ιδιαίτερα χρήσιμο για τη σύνθεση πολλών χρήσιμων οργανικών ενώσεων. Μια τυπική εφαρμογή του Syngas  στη σύνθεση της 2-αιθυλoεξανόλης-1 αναφέρεται στην 'Ενωση του Μήνα (Ιούλιος 2006): "Φθαλικός δι-(2-αιθυλοεξυλο) εστέρας".

Σύμφωνα με την παρακάτω αλληλουχία αντιδράσεων, από έναν όγκο μεθανίου μπορεί να ληφθούν μέχρι και τέσσερις όγκοι υδρογόνου.

Η αντίδραση φυσικού αερίου και ύδατος αποτελεί τον φθηνότερο τρόπο παραγωγής υδρογόνου σε βιομηχανική κλίμακα εκατομμυρίων τόννων [Αναφ. 11].

Το υγροποιημένο μεθάνιο, σε συνδυασμό με υγρό οξυγόνο, έχει δοκιμαστεί από τη NASA με επιτυχία ως καύσιμο πυραύλων. Παρουσιάζει τα εξής δύο πλεονεκτήματα έναντι του υδρογόνου: (α) το μεθάνιο (με σ.ζ. -161ºC) μπορεί να συντηρηθεί σε υγρή κατάσταση ευκολότερα από το υδρογόνο (με σ.ζ. -253°C) και επομένως το κόστος θερμομόνωσης των δεξαμενών του στους πυραύλους θα είναι μικρότερο, (β) η πυκνότητα του υγρού μεθανίου (0,42 g/mL) είναι μεγαλύτερη από την πυκνότητα του υγρού υδρογόνου (0,07 g/mL) και επομένως για το ίδιο προωθητικό αποτέλεσμα θα απαιτούνται δεξαμενές πολύ μικρότερου μεγέθους. Ως επιπλέον πλεονέκτημα του μεθανίου αναφέρεται η αφθονία του στους εξώτατους πλανήτες του ηλιακού συστήματος και επομένως η εύκολη ανατροφοδότηση των διαστημικών οχημάτων μελλοντικών αποστολών με καύσιμα, δεν αναφέρεται όμως αν η ανεύρεση του απαραίτητου υγρού οξυγόνου θα είναι εξίσου εύκολη [Αναφ. 12].

Λίμνες μεθανίου

'Ηδη από τις αρχές του 20ου αιώνα φασματοσκοπικές παρατηρήσεις στο ανακλώμενο φωτός από τους πλανήτες Δία και Κρόνο, έδειξαν την παρουσία μεγάλων ποσοτήτων μεθανίου στην ατμόσφαιρά τους. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι όλοι οι αεριώδεις γίγαντες του ηλιακού συστήματος (Δίας, Κρόνος, Ουρανός και Ποσειδών), αλλά και πολλοί δορυφόροι τους διαθέτουν ατμόσφαιρα με σημαντικά ποσοστά μεθανίου.

Στους εξώτατους πλανήτες εικάζεται ότι οι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες στην επιφάνειά τους, θα κρατούν το μεθάνιο σε υγρή ή ακόμη και σε στερεή μορφή ("βράχια" μεθανίου).

Γενικά, το μεθάνιο είναι άφθονο στο ηλιακό σύστημα και θεωρείται ότι είναι προϊόν χημικών διεργασιών του πρωτογενούς ηλιακού νεφελώματος.

Η αποστολή του διαστημικού οχήματος Cassini στον Κρόνο και τους δορυφόρους του (2004-2007) απεκάλυψε λίμνες μεθανίου στην επιφάνεια του Τιτάνα (τυπική θερμοκρασία επιφάνειας: -179ºC), του μεγαλύτερου δορυφόρου του (διάμετρος: 5.150 km).

Το διαστημικό όχημα "σάρωσε" περιοχή του βορείου ημισφαιρίου του δορυφόρου με ραντάρ, αφού η υψηλή και συνεχής νέφωση της ατμόσφαιρας του δορυφόρου δεν επιτρέπει την απλή φωτογράφιση. Εξέταση των καταγραφών του ανακλώμενου σήματος, έδειξε περιοχές με περιορισμένη ανακλαστικότητα, οι οποίες ερμηνεύονται ως λίμνες με υγρό μεθάνιο. Μερικές λίμνες βρίσκονται μέσα σε κρατήρες και άλλες συνδέονται μεταξύ τους με κανάλια σαν ποτάμια. Το βάθος πολλών λιμνών ξεπερνά τα 10 μέτρα.

Εκτιμάται ότι η ποσότητα υδρογονανθράκων που βρίσκεται σε μια μέσου μεγέθους λίμνη ξεπερνά τη συνολική ποσότητα υδρογονανθράκων που βρίσκονται στη Γη.  

Η ανακάλυψη των λιμνών μεθανίου επιβεβαιώνουν τη θεωρία ότι ο Τιτάνας είναι το δεύτερο ουράνιο σώμα μετά τη Γη στο ηλιακό σύστημα, στο οποίο υφίσταται υδρολογικός κύκλος εξάτμισης - κατακρήμνισης, ανάλογος με τον κύκλο του νερού στη Γη, με το μεθάνιο αντί για νερό [Αναφ. 13].

Φανταστικές απεικονίσεις λιμνών και θαλασσών μεθανίου και αιθανίου στην επιφάνεια του Τιτάνα [πηγή].

Το μεθάνιο ως "αέριο θερμοκηπίου"

Το μεθάνιο είναι ένα από τα αέρια που συνεισφέρουν σημαντικά στο φαινόμενο του θερμοκηπίου (greenhouse effect), δηλαδή στην παγίδευση από την ατμόσφαιρα μέρους της ανακλώμενης από την επιφάνεια της Γης ηλιακής ακτινοβολίας με αποτέλεσμα τη θέρμανση του πλανήτη. Το μεθάνιο είναι κατά 21 φορές δραστικότερο (σε χρονικό ορίζοντα 100 ετών) από το διοξείδιο του άνθρακα, ως προς την ικανότητα παγίδευσης της θερμότητας. Σημειώνεται ότι το δραστικότερο αέριο είναι το καθαρά ανθρωπογενούς προέλευσης εξαφθοριούχο θείο (24.000 φορές δραστικότερο από το CO2).

Συγκέντρωση του μεθανίου στην ατμόσφαιρα (στην επιφάνεια και στην στρατόσφαιρα). Αξίζει να σημειωθεί η παρουσία σχετικά μεγάλων συγκεντρώσεων μεθανίου σε ορισμένες πετρελαιοπαραγωγές περιοχές (π.χ. περιοχή Ιράκ), όπως και το ότι οι συγκεντρώσεις του στρατοσφαιρικού μεθανίου είναι μεγαλύτερες στο βόρειο ημισφαίριο. Αναφέρεται ότιι η σημερινή μέση συγκέντρωση μεθανίου είναι περισσότερο από διπλάσια εκείνης του 1750 [Αναφ. 14].

Η δραστικότητα κάθε αερίου εκφράζεται ως δυναμικό παγκόσμιας θέρμανσης (Global Warming Potential, GWP) και εξαρτάται από χαρακτηριστικά όπως: (α) η απορροφητικότητα του αερίου στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος, (β) τη φασματοσκοπική περιοχή απορρόφησης και (γ) από τον χρόνο ζωής του αερίου στην ατμόσφαιρα [Αναφ. 15]. Η μέση ζωή του μεθανίου στην ατμόσφαιρα έχει εκτιμηθεί στα 12±3 έτη, με κύριο μηχανισμό απομάκρυνσης την οξείδωσή του, μέσω ριζών OH^. στην τροπόσφαιρα, προς διοξείδιο του άνθρακα [Αναφ. 1β, 15β].

Μεταξύ των αερίων θερμοκηπίου που δημιουργούν οι δραστηριότητες του ανθρώπου και συμβάλλουν στην υπερθέρμανση του πλανήτη, το μεθάνιο έρχεται δεύτερο με σχετική συμβολή 9,3%, με πρώτο το διοξείδιο του άνθρακα με σχετική συμβολή 83%.

Περισσότερα για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, πίνακες με το δυναμικό παγκόσμιας θέρμανσης κάθε αερίου θερμοκηπίου και τη συνεισφορά καθενός από αυτά στην παγκόσμια θέρμανση, μπορούν να αναζητηθούν στην 'Ενωση του Μήνα (Σεπτέμβριος 2007): "Εξαφθοριούχο θείο".

Φυσικές και ανθρωπογενείς πηγές ρύπανσης της ατμόσφαιρας με μεθάνιο

Επειδή το μεθάνιο συμβάλλει σημαντικά στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, οι πιθανές πηγές ρύπανσης της ατμόσφαιρας με το αέριο αυτό έχουν εξετασθεί διεξοδικά και διακρίνονται σε φυσικές και ανθρωπογενείς πηγές. Οι εκτιμήσεις ως προς τις ποσότητες μεθανίου που παρέχουν οι διάφορες πηγές διαφέρουν ανάλογα με το πότε και πού έγινε η μελέτη και τη μεθοδολογία που ακολουθήθηκε. 'Ολες οι μελέτες συμφωνούν στο ό,τι οι ποσότητες μεθανίου που εκλύουν οι ανθρωπογενείς πηγές είναι μεγαλύτερες από εκείνες των φυσικών πηγών.

Μια εκτίμηση της IPPC (2001) ανέφερε έκλυση 350 εκατομμυρίων τόννων/έτος από ανθρωπογενείς πηγές, έναντι 250 εκατομμυρίων τόννων/έτος από φυσικές πηγές [Αναφ. 16]. Σε ορισμένες περιπτώσεις οι πηγές αυτές θα μπορούσαν να χαρακτηρισθούν ως "απρόσμενες" [Αναφ. 1β, 17]. Οι ποσότητες αυτές υπερβαίνουν τις ποσότητες μεθανίου που χάνονται (κυρίως με οξείδωση μέσω των ριζών OH^., αλλά και με απορρόφηση από τους ωκεανούς και τα εδάφη [Αναφ. 15β]), οπότε συνολικά υπάρχει μια βραδεία, αλλά σταθερή αύξηση της μέσης περιεκτικότητας της ατμόσφαιρας σε μεθάνιο.

Φυσικές πηγές μεθανίου. Οι εκπομπές μεθανίου από φυσικές πηγές καθορίζονται κυρίως από παράγοντες, όπως η θερμοκρασία και οι ποσότητες των κατακρημνίσεων. Αν και υπάρχει σημαντική αβεβαιότητα ως προς τη συμβολή κάθε φυσικής πηγής, οι διαθέσιμες πληροφορίες δείχνουν ότι οι φυσικές πηγές κατανέμονται ως εξής:

Υδρότοποι (Wetlands). Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 76%. Οι υδρότοποι (έλη, λίμνες) αποτελούν φυσικούς βιοτόπους των μεθανογόνων βακτηρίων, τα οποία παράγουν μεθάνιο κατά την αποσύνθεση οργανικής ύλης κάτω από συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Οι υδρότοποι αποτελούν τη σημαντικότερη φυσική πηγή μεθανίου.		Τερμίτες. Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 11%. Απρόσμενη αλλά σημαντική φυσική πηγή μεθανίου. Οι τερμίτες (λευκά μυρμήγκια) δημιουργούν μεθάνιο ως φυσικό προϊόν της διαδικασίας πέψης. Ερευνητές εκτιμούν ότι στον κόσμο υπάρχουν 250.000 δισεκατομμύρια τερμίτες που κατατρώνε το 1/3 της παγκόσμιας βλάστησης [Αναφ. 18].
Ωκεανοί. Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 8%. Η φύση των ωκεάνιων πηγών μεθανίου δεν είναι απόλυτα εξακριβωμένη. Γενικά πιστεύεται ότι είναι αποτέλεσμα των αναερόβιων πεπτικές διαδικασίών των θαλάσσιων οργανισμών, όπως επίσης και η βακτηριακή μεθανογένεση σε θαλάσσια ιζήματα και στις παράκτιες περιοχές.		Υδρίτες μεθανίου. Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 5%. Προέρχεται από τη σταδιακή διάσπαση των υπεδάφιων υδριτών που αφθονούν σε περιοχές με μόνιμα παγωμένο έδαφος (permafrost) και στους πυθμένες των θαλασσών. Εφιαλτικά σενάρια υπερθέρμανσης του πλανήτη βασίζονται στην επιταχυνόμενη διάσπαση των υδριτών μεθανίου [Αναφ. 19].

Ανθρωπογενείς πηγές μεθανίου. Μεγάλες ποσότητες μεθανίου παράγονται από τις αγροτικές (κτηνοτροφία, καλλιέργειες) και τις βιομηχανικές δραστηριότητες του ανθρώπου. Στον επόμενο πίνακα παρουσιάζονται οι κυριότερες ανθρωπογενείς πηγές. Τα αναφερόμενα ποσοστά έχουν μόνο ενδεικτική σημασία, αφού αφορούν της ανθρωπογενείς πηγές των ΗΠΑ (μελέτη 2003), για άλλες περιοχές του κόσμου μπορεί να υπάρχουν κάποιες διαφοροποιήσεις:

Επιχώσεις απορριμμάτων (landfills). Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 24%. Οι χωματερές είναι (παντού) οι σημαντικότερες ανθρωπογενείς πηγές μεθανίου. Στις σύγχρονες χωματερές (χώροι υγειονομικής ταφής απορριμμάτων, ΧΥΤΑ) πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα αξιοποίησης ή καύσης του εκλυόμενου μεθανίου.		Απώλειες φυσικού αερίου. Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 23%. Το μεθάνιο αποτελεί το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου. Απώλειες φυσικού αερίου αναπόφευκτα συμβαίνουν κατά την παραγωγή, επεξεργασία, αποθήκευση, μεταφορά και διανομή του.
Εντερική ζύμωση τροφών ζώων. Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 21%. Μια από τις "απρόσμενες" πηγές. Κάθε αγελάδα κατά την πέψη της τροφής της εκπέμπει 200 έως 400 g μεθανίου ημερησίως. 'Εχει εκτιμηθεί ότι, σε παγκόσμια κλίμακα, τα εντερικά αέρια οικιακών ζώων συνεισφέρουν ετησίως περί τα 80 έως 100 εκατομ. τόννους μεθανίου [Αναφ. 18].		Ανθρακωρυχεία. Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 10%. Κατά τις κανονικές εργασίες εξόρυξης άνθρακα από υπόγεια ή επιφανειακά ανθρακοφόρα κοιτάσματα, εκλύεται παγιδευμένο αρχέγονο μεθάνιο.
Διαχείριση ζωικών λιπασμάτων (κοπριά). Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 7%. Κατά την αναερόβια αποσύνθεση του οργανικού υλικού της κοπριάς στα επεξεργασίας υγρής κοπριάς σε δεξαμενές ή τεχνητές λίμνες  εκλύονται σημαντικά ποσά μεθανίου. Αντίθετα, η κοπριά που προστίθεται ως βελτιωτικό εδάφους στις καλλιέργειες δεν εκλύει σημαντικά ποσά μεθανίου.		Επεξεργασία λυμάτων. Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 7%. Οι μονάδες επεξεργασίας αποβλήτων απομακρύνουν τη διαλυτή οργανική ύλη, αιωρούμενα συστατικά, παθογόνους οργανισμούς και χημικούς ρυπαντές από τα αστικά και βιομηχανικά απόβλητα. Σε περιπτώσεις ανεπαρκούς οξυγόνωσης κατά τη διαδικασία εκλύεται μεθάνιο.
Παραγωγή - επεξεργασία πετρελαίου.  Εκτιμούμενη σχετική συμβολή: 7%. Οι εργασίες αναζήτησης και άντλησης πετρελαίου συχνότατα συνοδεύονται από έκλυση φυσικού αερίου. Μεθάνιο εκλύεται και κατά τις διεργασίες διύλισης του ακάθαρτου πετρελαίου, όπως και κατά τη μεταφορά και αποθήκευσή του.		'Αλλες ανθρωπογενείς πηγές. Σχετική συμβολή (υπόλοιπο) 5%. Καλλιέργειες ρυζιού (ορυζώνες) μια ιδιαίτερα σημαντική πηγή μεθανίου [Αναφ. 20] - Στατικές πηγές - Παλιά ανθρακωρυχεία - Κινητές πηγές - Παραγωγή πετροχημικών - Χαλυβουργεία - Καύση αγροτικών υπολειμμάτων

Διάθεση απορριμμάτων και μεθάνιο

Η κυριότερη ανθρωπογενής πηγή μεθανίου είναι οι χώροι απόρριψης και επίχωσης των αστικών απορριμμάτων (χωματερές). Στις σύγχρονες χωματερές (χώροι υγειονομικής ταφής απορριμμάτων, ΧΥΤΑ) προβλέπεται ανάκτηση και αξιοποίηση του παραγόμενου βιοαερίου (biogas), το οποίο μπορεί να περιέχει 50 έως 75% μεθάνιο, π.χ. για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θέρμανση χώρων ή για άλλους επωφελείς σκοπούς.

Σε κάθε περίπτωση είναι περιβαλλοντικά προτιμότερη η καύση του εκλυόμενου μεθανίου προς διοξείδιο του άνθρακα, παρά η απελευθέρωσή του στην ατμόσφαιρα, αφού (όπως αναφέρθηκε παραπάνω) το μεθάνιο είναι πολύ δραστικότερο από το διοξείδιο του άνθρακα ως προς τη δυναμικότητα θέρμανσης του πλανήτη.

Το εφιαλτικό σενάριο

Η αύξηση της θερμοκρασίας λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου οδηγεί σε ένα φαύλο κύκλο: Η θέρμανση του μόνιμα παγωμένου εδάφους (permafrost) των αρκτικών περιοχών οδηγεί στη σταδιακή διάσπαση των υδριτών του μεθανίου, που από εκατομμύρια χρόνια βρίσκονται παγιδευμένοι εκεί. Το εκλυόμενο μεθάνιο συμβάλλει στην επιπλέον θέρμανση του πλανήτη και επομένως αυξάνει ακόμη περισσότερο τον ρυθμό έκλυσης μεθανίου.

Η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας των ωκεανών "βάζει στο παιχνίδι" και τους υδρίτες μεθανίου των ωκεανών, οι οποίοι θα αρχίσουν να διασπώνται. Η διάσπαση των ωκεάνιων υδριτών του μεθανίου οδηγεί σε αποσταθεροποίηση των πυθμένων και σε υποθαλάσσιες κατολισθήσεις, που εκθέτουν επιπλέον ποσότητες υδριτών σε χαμηλότερες πιέσεις διευκολύνοντας τη διάσπασή τους.

Είναι προφανές ότι το σενάριο αυτό οδηγεί σε μια εκθετική αύξηση της συγκέντρωσης του μεθανίου στην ατμόσφαιρα και επομένως της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη συνοδευόμενη με όλα τα καταστροφικά για την ανθρωπότητα αποτελέσματα.

Σύμφωνα με μια θεωρία, το πλέον εκτεταμένο συμβάν μαζικής εξαφάνισης των ειδών (mass extinction event), το οποίο έβαλε τέλος στην Πέρμια περίοδο πριν 250 εκατομμύρια χρόνια και κατά το οποίο εξαφανίστηκε το 90-95% των υδρόβιων οργανισμών και περίπου το 70% των χερσαίων οργανισμών, οφείλεται σε μαζική απελευθέρωση μεθανίου από τη διάσπαση των ωκεάνιων υδριτών του μεθανίου και πολλοί φοβούνται ότι "ό,τι συνέβη στο παρελθόν, μπορεί να συμβεί και στο μέλλον" [Αναφ. 24].

Πηγές από το Διαδίκτυο - Βιβλιογραφία

  1. (α) Merck Index 12th edition (1996): "Methane". (β) Wikipedia: "Methane".

  2. Bookrugs: "World of Chemistry: Methane".

  3. (α) Wikipedia: "Alessandro Volta". (β) Corossion Doctors: "Alessandro Volta (1745-1827)".

  4. (α) Wikipedia: "Davy lamp". (β) Durham Mining Museum: "Safety lamps".

  5. (α) Wikipedia: "Flammability limits". (β) The Engineering Toolbox: "Gases explosive and flammability concentration Limits".

  6. (α) Wikipedia: "Methanol". (β) McBride JM (Yale University): "Development of systematic names for the simple alkanes".

  7. (α) Δημόσια Επιχείρηση Αερίου (ΔΕΠΑ): "Φυσικό αέριο: Σύσταση". (β) Energy Information Administration (USA): "Natural Gas Basic Statistics". 

  8. (α) Wikipedia: "Helium". (β) American Chemical Society: "The gas that wouldn't burn".

  9.  Center for Energy Economics (CEE): "Introduction to LNG" (updated Jan 2007).

10. (α) Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας: "Τεχνικά χαρακτηριστικά συστήματος φυσικού αερίου στην Ελλάδα". (β)  Κτενάς Σπ.: "Η Ρεβυθούσα είναι έτοιμη" (Το Βήμα, 14/11/1999).

11. (α) Wikipedia: "Syngas". (β) Biofuel: "What is Syngas". (γ) Wikipedia: "Steam reforming".

12. Science and NASA: "Methane Blast", (Apr. 4, 2007).

13. (α) Chemical & Engineering News (Jan 8, 2007): "Methane lakes on Titan: Cassini spacecraft finds long-predicted bodies of liquid". (β) NASA, Jet Propulsion Laboratory: "Cassini-Huygens: Mission to Saturn and Titan". (γ) NASA: "Astronomy picture of the day" (Febr. 2007). (γ) Stofan ER et al: "The lakes of Titan", Nature, 445:61-64, 2007 (Abstract). (δ) Tobie G, Lunine JI, Soting C: "Episodic outgassing as the origin of atmospheric methane on Titan", Nature, 440:61-64, 2006 (Abstract).

14. Ramanujan Κ (NASA): "Methane's impacts on climate change may be twice previous estimates" (Jul. 2005).

15. (α) Wikipedia: "Global warming potential". (β) Environmental Protection Agency: "Greenhouse gases and Global Warming Potential Values" (αρχείο PDF, 74 KB).

16. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): "Climate Change 2001: The scientific basis (subchapter 4.2.1.1: 'Methane')".

17. Environmental Protection Agency (USA): "Methane, Sources and Emissions: Where does methane come from?".

18. (α) Johnson DE, Ward GM: "Estimates of animal methane emissions", Environmental Monitoring and Assessment, 42:133-141, 2006 (Abstract). (β) Sun H et al: "Alcohol, volatile fatty acid, phenol, and methane emissions from dairy cows and fresh manure", Journal of Environmental Quality, 37:615-622, 2008 (Abstract). (γ) Pearce F: "Methane - the hidden greenhouse gas: Methane from cows, rubbish tips and rice fields is warming the Earth. Car exhausts may help the process. But methane from the Arctic tundra could be most damaging of all" (New Scientist, May 1989).

19. Borenstein S (The Boston Globe): "Climate 'time bomb' forecast: Methane bubbles out of permafrost at increased rate" (Sept. 7, 2006)

20. Greenhouse Gas News (GHG): "Methane Sources - Rice Paddies".

21. (α) Centre for Gas Hydrate Research (Heriot Watt University): "What are gas hydrates?". (β) U.S. Department of Energy: "The national methane hydrates R&D Program: All about hydrates". (γ) Wikipedia: "Clathrate hydrate". (δ) Long D (British Geological Survey): "Methane hydrates" (αρχείο PDF, 2,85 MB). 

22. (α) U.S. Department of Energy: "Methane hydrate - The gas resource of the future". (β) U.S. Department of Energy: "Methane hydrate: Future energy within our grasp" (αρχείο PDF, 1,64 MB). (γ) U.S. Department of Energy: "World proved reserves of oil and natural gas, most recent estimates" (January 9, 2007).

23. Energy Kids page: "Energy & Waste - Landfilling".

24. (α) Mielke JE (Congressional Research Service): "RS20050: Methane Hydrates: Energy Prospect or Natural Hazard?" (Updated February 14, 2000 ). (β) Krause FK (Alaska Science Forum): "Catastrophic climate change: What is permafrost?". (γ) Hecht J: "Methane prime suspect for greatest mass extinction" (New Scientist, March 2002). (δ) Wikipedia: "Permian-Triassic extinction event".