Метан

Метан

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.

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.