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.