Metano atmosférico

O metano atmosférico é o metano presente na atmosfera da Terra. As concentrações atmosféricas de metano são de interesse porque é um dos gases de efeito estufa mais potentes da atmosfera da Terra. O metano atmosférico está aumentando.

O potencial de aquecimento global de 20 anos do metano é 84. Ou seja, durante um período de 20 anos, prende 84 vezes mais calor por massa da unidade do que o dióxido de carbono (CO2) e 105 vezes o efeito ao contabilizar as interações aerossóis. As concentrações globais de metano aumentaram de 722 peças por bilhão (PPB) em tempos pré-industriais para 1879 ppb até 2020, um aumento em um fator de 2,5 e o maior valor em pelo menos 800.000 anos. Sua concentração é maior no hemisfério norte, uma vez que a maioria das fontes (naturais e humanas) está localizada em terra e o hemisfério norte tem mais massa terrestre. As concentrações variam sazonalmente, com, por exemplo, um mínimo nos trópicos do norte durante abril a maio principalmente devido à remoção pelo radical hidroxila. Permanece na atmosfera por 12 anos.

No início da história da Terra, dióxido de carbono e metano provavelmente produziram um efeito de estufa. O dióxido de carbono teria sido produzido por vulcões e o metano pelos primeiros micróbios. Durante esse período, a vida mais antiga da Terra apareceu. Estas primeiras, bactérias antigas adicionadas à concentração de metano convertendo hidrogênio e dióxido de carbono em metano e água. O oxigênio não se tornou uma parte importante da atmosfera até que os organismos fotossintéticos evoluíram mais tarde na história da Terra. Sem oxigênio, o metano permaneceu na atmosfera por mais tempo e em concentrações mais altas do que hoje.

As fontes conhecidas de metano estão predominantemente localizadas perto da superfície da Terra. Em combinação com movimentos atmosféricos verticais e vida relativamente longa do metano, o metano é considerado um gás bem misturado. Em outras palavras, a concentração de metano é considerada constante em relação à altura dentro da troposfera. O coletor dominante de metano na troposfera é a reação com radicais hidroxila que são formados pela reação de átomos de oxigênio singlete com vapor de água. O metano também está presente na estratosfera, onde a concentração do metano diminui com a altura.

Metano como um gás de efeito estufa

O metano na atmosfera da Terra é um forte gás de efeito estufa com um potencial de aquecimento global (GWP) 84 vezes maior que o CO2 em um período de 20 anos; O metano não é um gás tão persistente quanto o CO2 (assumindo nenhuma alteração nas taxas de seqüestro de carbono) e é de cerca de 28 anos para um prazo de 100 anos. Isso significa que uma emissão de metano deve ter 28 vezes o impacto na temperatura de uma emissão de dióxido de carbono da mesma massa nos 100 anos seguintes, assumindo nenhuma alteração nas taxas de seqüestro de carbono. O metano tem um grande efeito, mas por um período relativamente breve, com uma meia-vida média estimada de 9,1 anos na atmosfera, [página necessária], enquanto o dióxido de carbono recebe uma vida útil média estimada em mais de 100 anos.

A concentração globalmente de média de metano na atmosfera da Terra aumentou cerca de 150% de 722 ± 25 ppb em 1750 para 1803,2 ± 1,2 ppb em 2011. A partir de 2011, o metano contribuiu com forçante radiativa de 0,48 ± 0,05 wm - 2, ou cerca de 17% de A força radiativa total de todos os gases de efeito estufa de longa duração e misto. O pico de 2019 foi de 1866,2 ppb, enquanto o pico de abril de 2020 foi de 1876,0 ppb, um aumento de 0,5%.

Contabilidade de emissões de metano

O equilíbrio entre fontes e pias de metano ainda não está totalmente compreendido. O Grupo de Trabalho do IPCC que afirmei no Capítulo 2 do Quarto Relatório de Avaliação que existem "grandes incertezas nas estimativas de baixo para cima dos componentes da fonte global", e o equilíbrio entre fontes e pias ainda não é conhecido. O coletor mais importante no ciclo do metano é a reação com o radical hidroxil, que é produzido fotoquimicamente na atmosfera. A produção desse radical não é totalmente compreendida e tem um grande efeito nas concentrações atmosféricas. Essa incerteza é exemplificada por observações que mostraram entre os aumentos do ano 2000 e 2006 na concentração atmosférica de metano cessaram, por razões ainda sendo investigadas.

Vários grupos de pesquisa fornecem os seguintes valores para as emissões de metano:

Estimates of the global methane budget (in Tg(CH4)/yr) Reference:Fung et al. (1991)Hein et al. (1997)Lelieveld et al. (1998)Houweling et al. (1999)Bousquet et al. (2006) Saunois et al. (2016) Saunois et al. (2020) Base year:1980s–1992––2003–20122008-2017Natural emission sourcesWetlands115237225 145147±15167 (127–202)181 (159-200)Termites20–202023±464 (21–132)37 (21–50)Ocean10–151519±6Hydrates5–10––Anthropogenic emission sourcesEnergy759711089110±13105 (77–133)111 (81-131)Landfills4035407355±11 188 (115-243)217 (207-240)Ruminants (livestock)8090 11593Waste treatment– 25– Rice agriculture10088 –31±5Biomass burning554040–50±834 (15–53)30 (22-36)Other–––2090±14 SinksSoils10304021±333 (28–38)38 (27-45)Tropospheric OH450489510448±1515518 (474–532)Stratospheric loss464037±1Source versus sink imbalanceTotal source500587600525±8558 (540–568)576 (550-594)Total sink460535580506548556 (501–574)

Fontes naturais de metano atmosférico

Qualquer processo que resulte na produção de metano e sua liberação na atmosfera pode ser considerada uma "fonte". Dois processos principais responsáveis ​​pela produção de metano incluem microorganismos que convertem anaerobicamente compostos orgânicos em metano (metanogênese), que são generalizados em ecossistemas aquáticos e animais ruminantes. Outras fontes naturais incluem fusão de permafrost, pântanos, plantas e clatratos de metano.

Metanogênese

A maioria das emissões ecológicas do metano se relaciona diretamente aos metanogênios que geram metano em solos quentes e úmidos, bem como nos tratos digestivos de certos animais. Os metanógenos são microorganismos que produzem metano. Para produzir energia, eles usam um processo anaeróbico chamado metanogênese. Esse processo é usado em vez de processos aeróbicos ou com oxigênio, porque os metanógenos são incapazes de metabolizar na presença de pequenas concentrações de oxigênio. Quando o acetato é quebrado na metanogênese, o resultado é a liberação de metano no ambiente circundante.

A metanogênese, o termo científico para a produção de metano, ocorre principalmente em condições anaeróbicas devido à falta de disponibilidade de outros oxidantes. Nessas condições, os organismos microscópicos chamados archaea usam acetato e hidrogênio para quebrar os recursos essenciais [vagos] em um processo chamado fermentação.

Metanogênese acetoclástica - Certos acetatos de archaea clivam durante a fermentação anaeróbica para produzir metano e dióxido de carbono.

H3C-COOH → CH4 + CO2

Metanogênese hidrogenotrófica - Archaea oxidam o hidrogênio com dióxido de carbono para produzir metano e água.

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O

Enquanto a metanogênese acetoclástica e a metanogênese hidrogenotrófica são as duas principais reações da fonte para o metano atmosférico, outras reações menores da fonte biológica de metano também ocorrem. Por exemplo, foi descoberto que a cera da superfície foliar exposta à radiação UV na presença de oxigênio é uma fonte aeróbica de metano.

Zonas úmidas

As áreas úmidas representam aproximadamente 20 % do metano atmosférico através de emissões de solos e plantas. As áreas úmidas neutralizam a ação de naufrágio que normalmente ocorre com o solo devido ao lençol freático. O nível do lençol freático representa a fronteira entre a produção anaeróbica de metano e o consumo aeróbico de metano. Quando o lençol freático é baixo, o metano gerado no solo de zonas úmidas tem que subir pelo solo e superar uma camada mais profunda de bactérias metanotróficas, reduzindo assim a emissão. O transporte de metano por plantas vasculares pode ignorar essa camada aeróbica, aumentando assim a emissão.

Animais

Animais ruminantes, principalmente vacas e ovelhas, contêm bactérias em seus sistemas gastrointestinais que ajudam a quebrar o material vegetal. Alguns desses microorganismos usam o acetato do material vegetal para produzir metano e, como essas bactérias vivem nos estômagos e intestinos dos ruminantes, sempre que o animal "arrota" ou defeca, também emite metano. Com base em um estudo na região das montanhas nevadas, a quantidade de metano emitida por uma vaca é equivalente à quantidade de metano que cerca de 3,4 hectares de bactérias metanotróficas podem consumir.

Os cupins também contêm microrganismos metanogênicos em seu intestino. No entanto, alguns desses microorganismos são tão únicos que não vivem em nenhum outro lugar do mundo, exceto no terceiro intestino dos cupins. Esses microorganismos também quebram componentes bióticos para produzir etanol, bem como o subproduto do metano. No entanto, diferentemente dos ruminantes que perdem 20 % da energia das plantas que comem, os cupins perdem apenas 2 % de sua energia no processo. Assim, comparativamente, os cupins não precisam comer tanta comida quanto os ruminantes para obter a mesma quantidade de energia e emitir proporcionalmente menos metano.

Plantas

As plantas vivas (por exemplo, florestas) foram recentemente identificadas como uma fonte potencialmente importante de metano, possivelmente responsável por aproximadamente 10 a 30 % do metano atmosférico. Um artigo de 2006 calculou as emissões de 62–236 Tg A -1, e "essa fonte recentemente identificada pode ter implicações importantes". No entanto, os autores enfatizam "Nossas descobertas são preliminares em relação à força da emissão de metano".

Esses achados foram questionados em um artigo de 2007 que descobriu "não há evidências de emissão substancial de metano aeróbico por plantas terrestres, no máximo 0,3% dos valores publicados anteriormente".

Embora os detalhes das emissões de metano de plantas ainda não tenham sido confirmados, as plantas como uma fonte significativa de metano ajudaram a preencher as lacunas dos orçamentos globais anteriores do metano, além de explicar grandes plumas de metano que foram observadas sobre os trópicos.

Nas áreas úmidas, onde a taxa de produção de metano é alta, as plantas ajudam a viajar o metano para a atmosfera - acionando como hastes de raios invertidos, enquanto direcionam o gás pelo solo e para o ar. Eles também são suspeitos de produzir metano, mas como as plantas teriam que usar condições aeróbicas para produzir metano, o processo em si ainda não é identificado.

Gás de metano do metano clathrates

A altas pressões, como as encontradas no fundo do oceano, o metano forma um clatrato sólido com água, conhecida como hidrato de metano. Uma quantidade desconhecida, mas possivelmente muito grande de metano, está presa nesta forma em sedimentos oceânicos. A liberação de grandes volumes de gás metano de tais sedimentos para a atmosfera tem sido sugerida como uma possível causa de eventos de aquecimento global rápidos no passado distante da Terra, como o máximo térmico do Paleoceno -Eoceno de 55 milhões de anos atrás e o grande morrer .

As teorias sugerem que, caso o aquecimento global faça com que eles aqueçam o suficiente, todo esse gás metano pode ser novamente liberado na atmosfera. Como o gás metano é vinte e cinco vezes mais forte (para um determinado peso, em média de mais de 100 anos) do que o CO 2 como um gás de efeito estufa; Isso ampliaria imensamente o efeito estufa. No entanto, a maior parte desse reservatório de hidratos parece isolada das alterações no clima da superfície, portanto, é provável que qualquer liberação desse tipo ocorra em escalas de tempo geológicas de um milênio ou mais.

Ecossistemas aquáticos

Estima -se que as emissões naturais e antropogênicas de metano dos ecossistemas aquáticos contribuam com cerca de metade das emissões globais totais. Espera -se que a urbanização e a eutrofização levem ao aumento das emissões de metano dos ecossistemas aquáticos.

Permafrost

O permafrost contém quase o dobro de carbono que a atmosfera, com ~ 20 gt de metano associado ao permafrost preso em clatratos de metano. O descongelamento de permafrost resulta na formação de lagos termoquarstos em depósitos de yedoma ricos em gelo. O metano congelado no permafrost é liberado lentamente à medida que o permafrost derrete. A datação por radiocarbono de traço metano em bolhas do lago e carbono orgânico do solo concluiu que 0,2 a 2,5 pg de carbono de permafrost foram liberados como metano e dióxido de carbono nos últimos 60 anos. A onda de calor de 2020 pode ter liberado metano significativo de depósitos de carbonato no permafrost siberiano.

As emissões de metano pelo 'feedback do carbono permafrost' - amplificação do aquecimento da superfície devido à força radiativa aprimorada pela liberação de carbono do permafrost - poderia contribuir com 205 gt estimados de emissões de carbono, levando até 0,5 ° C (0,9 ° F) de aquecimento adicional até o final do século XXI. No entanto, pesquisas recentes baseadas na composição isotópica de carbono do metano atmosférico presas em bolhas no gelo antártico sugerem que as emissões de metano dos hidratos de permafrost e metano foram menores durante a última deglaciação, sugerindo que futuras emissões de metano permafrost podem ser inferiores às estimadas anteriormente.

Fontes antropogênicas de metano atmosférico

Pouco acima da metade da emissão total é devido à atividade humana. Como a revolução industrial que os seres humanos tiveram um grande impacto nas concentrações de metano atmosférico, aumentando as concentrações atmosféricas aproximadamente 250%. De acordo com o relatório do IPCC de 2021, 30 - 50 % do aumento atual das temperaturas são causados ​​por emissões de metano, e a redução do metano é uma maneira rápida da mitigação das mudanças climáticas. Uma aliança de 107 países, incluindo o Brasil, a UE e os EUA, ingressaram no pacto conhecido como promessa global de metano, comprometendo -se a um objetivo coletivo de reduzir as emissões globais de metano em pelo menos 30 % em relação aos níveis de 2020 até 2030.

Ecological conversion

A conversão de florestas e ambientes naturais em parcelas agrícolas aumenta a quantidade de nitrogênio no solo, o que inibe a oxidação do metano, enfraquecendo a capacidade das bactérias metanotróficas no solo de atuar como afundamentos. Além disso, alterando o nível do lençol freático, os humanos podem afetar diretamente a capacidade do solo de atuar como fonte ou afundamento. A relação entre os níveis de lençol freático e a emissão de metano é explicado na seção de áreas úmidas de fontes naturais.

Farm animals

Um relatório da FAO da ONU de 2006 relatou que o gado gera mais gases de efeito estufa, conforme medido em equivalentes de CO2 do que todo o setor de transporte. O gado é responsável por 9 % do CO2 antropogênico, 65 % do óxido nitroso antropogênico e 37 % do metano antropogênico. Um alto funcionário da ONU e co-autor do relatório, Henning Steinfeld, disse que "o gado é um dos contribuintes mais significativos para os problemas ambientais mais sérios de hoje".

A recente pesquisa da NASA confirmou o papel vital da fermentação entérica no gado no aquecimento global. "Entendemos que outros gases de efeito estufa, além do dióxido de carbono, são importantes para as mudanças climáticas hoje", disse Gavin Schmidt, principal autor do estudo e pesquisador do Instituto Goddard de Estudos Espaciais da NASA, na cidade de Nova York e no centro de sistemas climáticos da Universidade de Columbia, Pesquisar. Outras pesquisas recentes da NASA revisadas por pares publicadas na revista Science também indicaram que a contribuição do metano para o aquecimento global foi subestimada.

Nicholas Stern, autor da revisão Stern de 2006 sobre mudança climática, declarou que "as pessoas precisarão se tornar vegetarianas se o mundo conquistar a mudança climática". O presidente da Academia Nacional de Ciências, Ralph Cicerone (um cientista atmosférico), indicou a contribuição do metano pela flatulência de gado e a erucção para o aquecimento global é um "tópico sério". Cicerone afirma "o metano é o segundo gás de efeito estufa mais importante na atmosfera agora. A população de gado de corte e gado leiteiro cresceu tanto que o metano das vacas agora é grande. Isso não é uma questão trivial".

Aproximadamente 5% do metano é liberado via Flatus, enquanto os outros 95% são liberados por eructação. As vacinas estão em desenvolvimento para reduzir a quantidade introduzida através da eructação. Asparagopsis As algas marinhas como aditivo para alimentos para animais reduziram as emissões de metano em mais de 80%.

Rice agriculture

Devido a uma população mundial em crescimento continuamente, a agricultura de arroz se tornou uma das fontes antropogênicas mais significativas de metano. Com clima quente e solo lançado a água, os arrozais agem como zonas úmidas, mas são geradas por seres humanos para fins de produção de alimentos. Devido ao ambiente semelhante ao pântano dos campos de arroz, esses arrozais produzem de 50 a 100 milhões de toneladas de emissão de metano a cada ano. Isso significa que a agricultura do arroz é responsável por aproximadamente 15 a 20 % das emissões antropogênicas de metano. Um artigo escrito por William F. Ruddiman explora a possibilidade de as emissões de metano começarem a subir como resultado da atividade antropogênica 5000 anos atrás, quando as culturas antigas começaram a se estabelecer e usar a agricultura, a irrigação de arroz em particular, como fonte de alimento primária.

Landfills

Devido às grandes coleções de matéria orgânica e disponibilidade de condições anaeróbicas, os aterros sanitários são a terceira maior fonte de metano atmosférico nos Estados Unidos, representando aproximadamente 18,2% das emissões de metano globalmente em 2014. Quando o desperdício é adicionado a um aterro, oxigênio é abundante e, portanto, passa por decomposição aeróbica; durante o qual é produzido muito pouco metano. No entanto, geralmente dentro de um ano, os níveis de oxigênio são esgotados e as condições anaeróbicas dominam o aterro, permitindo que os metanógenos tomem o processo de decomposição. Esses metanógenos emitem metano na atmosfera e, mesmo após o fechamento do aterro, a quantidade de massa de matéria em decomposição permite que os metanógenos continuem produzindo metano por anos.

Waste water treatment

As instalações de tratamento de águas residuais agem para remover matéria orgânica, sólidos, patógenos e riscos químicos como resultado da contaminação humana. A emissão de metano nas instalações de tratamento de resíduos ocorre como resultado de tratamentos anaeróbicos de compostos orgânicos e biodegradação anaeróbica do lodo.

Biomass burning

A queima incompleta da matéria orgânica viva e morta resulta na emissão de metano. Embora os incêndios naturais possam contribuir para as emissões de metano, a maior parte da queima de biomassa ocorre como resultado de seres humanos - incluindo tudo, desde queimaduras acidentais de civis a queimaduras deliberadas usadas para limpar a terra a queimaduras de biomassa que ocorrem como resultado de destruir resíduos.

Oil and natural gas supply chain

O metano é um componente primário do gás natural e, portanto, durante a produção, processamento, armazenamento, transmissão e distribuição de gás natural, uma quantidade significativa de metano é perdida na atmosfera.

De acordo com o inventário da EPA das emissões e pias de gases de efeito estufa dos EUA: relatório de 1990–2015, as emissões de metano de 2015 dos sistemas de gás natural e petróleo totalizaram 8,1 TG por ano nos Estados Unidos. Individualmente, a EPA estima que o sistema de gás natural emitiu 6,5 Tg por ano de metano, enquanto os sistemas petrolíferos emitiam 1,6 Tg por ano de metano. As emissões de metano ocorrem em todos os setores da indústria de gás natural, desde perfuração e produção, através de coleta, processamento e transmissão, até distribuição. Essas emissões ocorrem através da operação normal, manutenção de rotina, vazamentos fugitivos, perturbações do sistema e ventilação de equipamentos. Na indústria do petróleo, um petróleo subterrâneo contém gás natural que é arrastado no petróleo a altas pressões de reservatório. Quando o óleo é removido do reservatório, o gás associado é produzido.

No entanto, uma revisão dos estudos de emissões de metano revela que o inventário da EPA de emissões e sumidouros de gases de efeito estufa: 1990–2015 Relatório provavelmente subestimou significativamente as emissões de metano de 2015 da cadeia de suprimentos de petróleo e gás natural. A revisão concluiu que em 2015 a cadeia de suprimentos de petróleo e gás natural emitiu 13 TG por ano de metano, que é cerca de 60% a mais que o relatório da EPA para o mesmo período de tempo. Os autores escrevem que a causa mais provável da discrepância é uma amostragem sob a EPA das chamadas "condições de operação anormal", durante as quais grandes quantidades de metano podem ser emitidas.

2015 methane emissions from oil and natural gas supply chain in the United States (Tg per year)Supply chain segmentEPA Inventory of US Greenhouse Gas

Emissões e Pias: Relatório 1990–2015

Alvarez et al. 2018 Oil and natural gas production3.57.6Natural gas gathering2.32.6Natural gas transmission and storage1.41.8Natural gas processing0.440.72Natural gas local distribution0.440.44Oil refining and transportation0.0340.034Total (95% confidence interval)8.1 (6.7–10.2)13 (11.3–15.1)

Deslizamento de metano de motores a gás

O uso de gás natural e biogás no gelo (motor de combustão interna) para aplicações como produção de eletricidade / cogeração / CHP (calor combinado e energia) e veículos pesados ​​ou navios marinhos, como portadores de GNL, usando o gás fervilhado para propulsão, emite a certa porcentagem de UHC, hidrocarboneto não queimado, do qual 85% é metano. As questões climáticas do uso do gás para combustível no gelo podem compensar ou até mesmo cancelar as vantagens de menos emissões de CO2 e partículas são descritas neste artigo de emissão de 2016 da UE sobre deslizamento de metano dos motores marinhos: "Emissões de metano não queimado (conhecido como 'Methane Slip ') estavam em torno de 7 g por kg de GNL em cargas mais altas do motor, subindo para 23-36 g em cargas mais baixas. Esse aumento pode ser devido à combustão lenta a temperaturas mais baixas, o que permite pequenas quantidades de gás para evitar o processo de combustão ". Os veículos rodoviários funcionam mais em baixa carga do que os motores marítimos, causando deslizamento de metano relativamente mais alto.

Mineração de carvão

Em 2014, os pesquisadores da NASA relataram a descoberta de uma nuvem de metano de 2.500 milhas quadradas (6.500 km2) flutuando sobre a região dos quatro cantos do sudoeste dos Estados Unidos. A descoberta foi baseada em dados do espectrômetro de absorção de imagens de imagem da Agência Espacial Europeia para instrumento de cartografia atmosférica de 2002 a 2012.

O relatório concluiu que "a fonte provavelmente é de mineração e processamento de gás, carvão e metano estabelecido". A região emitiu 590.000 toneladas de metano todos os anos entre 2002 e 2012 - quase 3,5 vezes as estimativas amplamente utilizadas no banco de dados de emissões da União Europeia para pesquisa atmosférica global. Em 2019, a Agência Internacional de Energia (AIE) estimou que as emissões de metano que vazam das minas de carvão do mundo estão aquecendo o clima global na mesma taxa que as indústrias de transporte e aviação combinadas.

Processos de remoção

Qualquer processo que consome metano da atmosfera pode ser considerado um "coletor" de metano atmosférico. O mais proeminente desses processos ocorre como resultado de metano ser destruído na atmosfera ou quebrado no solo. Os seres humanos ainda precisam atuar como qualquer pia significativo de metano atmosférico.

Reação com o radical hidroxil - o principal mecanismo de remoção do metano da atmosfera envolve química radical; Ele reage com o radical hidroxil (· OH), formado inicialmente a partir do vapor de água quebrado por átomos de oxigênio que vêm da clivagem do ozônio por radiação ultravioleta. A reação do metano com hidroxil na troposfera ou estratosfera cria o radical metil · ch3 e vapor de água. Além de ser a maior pia conhecida para o metano atmosférico, essa reação é uma das fontes mais importantes de vapor de água na atmosfera superior. Após a reação do metano com o radical hidroxil, existem duas vias dominantes da oxidação do metano: [A] que leva a uma produção líquida de ozônio e [B] que não causa alteração líquida de ozônio. Para que a oxidação do metano segue a via que leva à produção líquida de ozônio, o óxido nítrico (NO) deve estar disponível para reagir com CH3O2 ·. (O óxido nítrico pode ser formado a partir de dióxido de nitrogênio pela ação da luz solar.) Caso contrário, o CH3O2 · reage com o radical hidroperoxil (HO2 ·) e a oxidação toma a via sem alteração líquida de ozônio. Ambas as vias de oxidação levam a uma produção líquida de formaldeído e vapor de água.

[A] Produção líquida de O3

CH4 + · OH → CH3 · + H2O

CH3 · + O2 + M → CH3O2 · + M

CH3O2 · + NO → NO2 + CH3O ·

CH3O · + O2 → HO2 · + HCHO

HO2 · + NO → NO2 + · OH

(2x) NO2 + HV → O (3P) + NO

(2x) O (3p) + O2 + M → O3 + M

[NET: CH4 + 4O2 → HCO + 2O3 + H2O]

[B] Nenhuma alteração líquida de O3

CH4 + · OH → CH3 · + H2O

CH3 · + O2 + M → CH3O2 · + M

CH3O2 · + HO2 · + M → CH3O2H + O2 + M

CH3O2H + HV → CH3O · + · OH

CH3O · + O2 → HO2 · + HCHO

[NET: CH4 + O2 → HCO + H2O]

M representa uma molécula aleatória que facilita a transferência de energia durante a reação. Observe que, para a segunda reação, haverá uma perda líquida de radicais no caso em que o CH3O2H é perdido para a deposição úmida antes de sofrer fotólise de modo que: CH3O2H + H2O → Deposição úmida. Essa reação na troposfera dá uma vida útil média de metano de 9,6 anos. Dois mais pequenos sumidouros são os sumidouros do solo (vida média de 160 anos) e perda estratosférica por reação com · OH, · Cl e · O1D na estratosfera (vida média de 120 anos), dando uma vida útil média líquida de 8,4 anos. A oxidação do metano é a principal fonte de vapor de água na estratosfera superior (começando em níveis de pressão em torno de 10 kPa).

O radical metil formado na primeira etapa pode, durante as condições diurnas normais na troposfera, reagir com outro radical hidroxil para formar formaldeído. [Citação necessária] Embora o mecanismo seja diferente, o resultado é o mesmo que na pirólise oxidativa que é o Primeiro passo na combustão do metano:

CH4 + O2 → CH2O + H2O

O formaldeído pode reagir novamente com um radical hidroxil para formar dióxido de carbono e mais vapor de água. Sidechains nessas reações podem interagir com compostos de nitrogênio que provavelmente produzirão ozônio, suplantando os radicais necessários na reação inicial.

Pias naturais de metano atmosférico

A maioria das pias naturais ocorre como resultado de reações químicas na atmosfera, bem como a oxidação por bactérias que consomem metano nos solos da Terra.

Methanotrophs in soils

Os solos atuam como uma pia importante para o metano atmosférico através das bactérias metanotróficas que residem dentro delas. Isso ocorre com dois tipos diferentes de bactérias. As bactérias metanotróficas de "alta capacidade de alta capacidade" crescem em áreas de alta concentração de metano, como solos alagados em áreas úmidas e outros ambientes úmidos. E em áreas de baixa concentração de metano, as bactérias metanotróficas de "baixa capacidade de alta capacidade" fazem uso do metano na atmosfera para crescer, em vez de depender do metano em seu ambiente imediato.

Os solos da floresta atuam como bons sumidouros para o metano atmosférico, porque os solos são úmidos de maneira ideal para a atividade do metanotrófafão, e o movimento de gases entre o solo e a atmosfera (difusividade do solo) é alto. Com um lençol freático mais baixo, qualquer metano no solo deve passar pelas bactérias metanotróficas antes que ele possa atingir a atmosfera.

Os solos de zonas úmidas, no entanto, são frequentemente fontes de metano atmosférico, em vez de sumidouros, porque o lençol freático é muito maior e o metano pode ser difundido facilmente no ar sem ter que competir com os metanotróficos do solo.

Bactérias metanotróficas em solos - bactérias metanotróficas que residem no solo usam metano como fonte de carbono na oxidação do metano. A oxidação do metano permite que as bactérias metanotróficas usem metano como fonte de energia, reagindo metano com oxigênio e como resultado produzindo dióxido de carbono e água.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2OTroposphere

O coletor mais eficaz do metano atmosférico é o radical hidroxil na troposfera, ou a porção mais baixa da atmosfera da Terra. À medida que o metano sobe no ar, ele reage com o radical hidroxil para criar vapor de água e dióxido de carbono. A vida útil média do metano na atmosfera foi estimada em 9,6 anos a partir de 2001; No entanto, o aumento das emissões de metano ao longo do tempo reduz a concentração do radical hidroxil na atmosfera. Com menos oh˚ para reagir, a vida útil do metano também pode aumentar, resultando em maiores concentrações de metano atmosférico.

Stratosphere

Se não for destruído na troposfera, o metano durará aproximadamente 120 anos antes de ser destruído na próxima camada atmosférica da Terra: a estratosfera. A destruição na estratosfera ocorre da mesma maneira que na troposfera: o metano é oxidado para produzir dióxido de carbono e vapor de água. Com base nas medições transmitidas por balões desde 1978, a abundância de metano estratosférico aumentou 13,4% ± 3,6% entre 1978 e 2003.

Reaction with free chlorine

A reação dos átomos de metano e cloro atua como um coletor primário de átomos de Cl e é uma fonte primária de ácido clorídrico (HCl) na estratosfera.

CH4 + CL → CH3 + HCL

O HCl produzido nesta reação leva à destruição catalítica do ozônio na estratosfera.

A remoção do metano na troposfera inferior pode ser alcançada por radicais de cloro produzidos por aerossóis de sal de ferro, que podem ser aumentados artificialmente sem risco para ozônio estratosférico.

Tendências nos níveis de metano ao longo do tempo

Desde o século XIX, as concentrações atmosféricas de metano aumentaram anualmente a uma taxa de cerca de 0,9%.

Tendências globais nos níveis de metano

As medições atmosféricas de longo prazo do metano pela NOAA mostram que o acúmulo de metano nivelou durante a década anterior a 2006, depois de quase triplicar desde os tempos pré-industriais. Embora os cientistas ainda não determinem o que causou essa redução na taxa de acúmulo de metano atmosférico, parece que pode ser devido a emissões industriais reduzidas e seca nas áreas de áreas úmidas.

Exceções a essa queda na taxa de crescimento ocorreram em 1991 e 1998, quando as taxas de crescimento aumentaram repentinamente para 14-15 nmol/mol por ano para esses anos, quase o dobro das taxas de crescimento dos anos anteriores.

O Spike de 1991 é considerado devido à erupção vulcânica do Monte Pinatubo em junho daquele ano. Os vulcões afetam as emissões atmosféricas de metano quando entram em erupção, liberando dióxido de cinzas e enxofre no ar. Como resultado, a fotoquímica das plantas é afetada e a remoção do metano através do radical hidroxil troposférico é reduzida. No entanto, as taxas de crescimento caíram rapidamente devido a temperaturas mais baixas e redução global nas chuvas.

A causa do pico de 1998 não é resolvida, mas os cientistas atualmente o atribuem a uma combinação de emissões de campo de áreas úmidas e arroz, além de uma quantidade aumentada de queima de biomassa. 1998 também foi o ano mais quente desde que as temperaturas da superfície foram registradas pela primeira vez, sugerindo que temperaturas anomalamente altas podem induzir emissão elevada de metano.

Os dados de 2007 sugeriram que as concentrações de metano estavam começando a subir novamente. Isso foi confirmado em 2010, quando um estudo mostrou que os níveis de metano estavam em ascensão nos 3 anos de 2007 a 2009. Após uma década de crescimento próximo de zero nos níveis de metano, "o metano atmosférico de média global aumentou [aproximadamente] 7 nmol/mol por Ano durante 2007 e 2008. Durante o primeiro semestre de 2009, o CH4 atmosférico de média global foi [aproximadamente] 7 nmol/mol maior do que em 2008, sugerindo que o aumento continuará em 2009 ". De 2015 a 2019, níveis níveis de metano atmosférico foram registrados.

Os níveis de emissões de metano variam muito, dependendo da geografia local. Para fontes naturais e antropogênicas, temperaturas mais altas e níveis mais altos de água resultam no ambiente anaeróbico necessário para a produção de metano.

Ciclos naturais de metano

As emissões de metano na atmosfera estão diretamente relacionadas à temperatura e à umidade. Assim, as mudanças ambientais naturais que ocorrem durante a mudança sazonal atuam como um grande controle da emissão de metano. Além disso, mesmo mudanças de temperatura durante o dia podem afetar a quantidade de metano que é produzida e consumida.

Por exemplo, as plantas que produzem metano podem emitir até duas a quatro vezes mais metano durante o dia do que durante a noite. Isso está diretamente relacionado ao fato de que as plantas tendem a confiar na energia solar para aprovar processos químicos.

Além disso, as emissões de metano são afetadas pelo nível de fontes de água. As inundações sazonais durante a primavera e o verão aumentam naturalmente a quantidade de metano liberado no ar.

Mudanças devido à atividade humana

Part of a series on theCarbon cycle

Mudanças devido à atividade humana pré-industrial

O aumento mais claramente identificado do metano atmosférico como resultado da atividade humana ocorreu na década de 1700 durante a revolução industrial. À medida que a tecnologia aumentava a uma taxa considerável, os seres humanos começaram a construir fábricas e plantas, queimar combustíveis fósseis para energia e limpar as florestas e outras vegetação com o objetivo de construção e agricultura. Esse crescimento continuou a subir a uma taxa de quase 1 % ao ano, até 1990, quando as taxas de crescimento caíram para quase zero.

Um artigo de 2003 de William F. Ruddiman, no entanto, indica que a mudança antropogênica no metano pode ter começado 5000 anos antes da revolução industrial. Os ciclos de insolação do metano do núcleo de gelo permaneceram estáveis ​​e previsíveis até 5000 anos atrás, provavelmente devido a algum efeito antropogênico. Ruddiman sugere que a transição de humanos de coletores de caçadores para a agricultura agrícola foi a primeira instância de seres humanos que afetam a concentração de metano na atmosfera. A hipótese de Ruddiman é apoiada pelo fato de que a irrigação precoce do arroz ocorreu aproximadamente 5000 anos atrás - o mesmo tempo que os ciclos do núcleo de gelo perderam sua previsibilidade. Devido à ineficiência dos seres humanos primeiro aprendendo a cultivar arroz, padres de arroz extensos seriam necessários para alimentar até uma pequena população. Estes, super inundados e cheios de ervas daninhas, teriam resultado em enormes áreas úmidas emitidas por metano.

Mudanças devido à atividade humana industrial

Aumentos nos níveis de metano devido às atividades humanas modernas surgem de várias fontes específicas.

Methane emissions from industrial activityMethane emissions from extraction of oil and natural gas from underground reservesMethane emissions from transportation via pipeline of oil and natural gasMethane emissions from melting permafrost in Arctic regions, due to global warming which is caused by human use of fossil fuels

Emissões devido à extração de petróleo e gás

Natural gas pipelines

Uma fonte de emissões de metano foi identificada como oleodutos que transportam gás natural; Um exemplo são oleodutos da Rússia para os clientes na Europa. Perto de Yamburgo e Urengoy existem campos de gás com uma concentração de metano de 97 %. O gás obtido a partir desses campos é obtido e exportado para a Europa Ocidental e Central através de um extenso sistema de oleodutos conhecido como sistema de gasoduto de gasoduto transmiberiano. De acordo com o IPCC e outros grupos de controle de emissões de gás natural, as medições tiveram que ser tomadas em todo o oleoduto para medir as emissões de metano a partir de descargas e vazamentos tecnológicos nos acessórios e aberturas de pipeline. Embora a maioria dos vazamentos de gás natural tenha sido dióxido de carbono, uma quantidade significativa de metano também estava sendo liberada consistentemente do oleoduto como resultado de vazamentos e avarias. Em 2001, as emissões de gás natural do sistema de transporte de gasoduto e gás natural representaram 1 % do gás natural produzido. Felizmente, entre 2001 e 2005, esse número reduziu para 0,7 %, e até o valor de 2001 ainda é significativamente menor que o de 1996.

General industrial causes

No entanto, o transporte de pipeline é apenas uma parte do problema. Howarth et al. argumentaram que:

Acreditamos que a preponderância de evidências indica que o gás de xisto tem uma pegada maior de GEE [Green House Gas] do que o gás convencional, considerado em qualquer escala de tempo. A pegada de GEE de gás de xisto também excede a do petróleo ou carvão quando considerado em escalas de tempo decadal, [...]

Para os trabalhos subsequentes, confirmando esses resultados, consulte "Uma ponte para nenhum lugar: emissões de metano e a pegada de gás de efeito estufa de gás natural", "emissões de metano e risco de aquecimento climático de fraturamento hidráulico e desenvolvimento de gás de xisto: implicações para a política". Um estudo de 2013 de Miller et al. indica que as políticas atuais de redução de gases de efeito estufa nos EUA são baseadas no que parece ser subestimadas significativas das emissões antropogênicas de metano. Os autores afirmam:

Encontramos emissões de gases de efeito estufa da agricultura e a extração e processamento de combustíveis fósseis (isto é, petróleo e/ou gás natural) são provavelmente um fator de dois ou mais do que o citado nos estudos existentes.

Liberação de metano do Ártico armazenado devido ao aquecimento global

O aquecimento global devido às emissões de combustível fóssil causou liberação do metano do Ártico, isto é, a liberação de metano de mares e solos nas regiões permafrost do Ártico. Embora a longo prazo, este seja um processo natural, a liberação de metano está sendo exacerbada e acelerada pelo aquecimento global. Isso resulta em efeitos negativos, pois o metano é um poderoso gás de efeito estufa.

A região do Ártico é uma das muitas fontes naturais do metano de gases de efeito estufa. O aquecimento global acelera sua liberação, devido à liberação de metano das lojas existentes e da metanogênese na biomassa apodrecida. Grandes quantidades de metano são armazenadas no Ártico em depósitos de gás natural, permafrost e como submarino clatratos. Permafrost e Clathrates se degradam no aquecimento, portanto, grandes liberações de metano dessas fontes podem surgir como resultado do aquecimento global. Outras fontes de metano incluem taliks submarinos, transporte fluvial, retiro do complexo de gelo, permafrost submarino e depósitos de hidrato de gás em decomposição.

Impactos atmosféricos

O efeito de forçamento de gases de efeito estufa radiativo direto foi estimado em 0,5 W/m2.

O metano é um GEE forte com um potencial de aquecimento global 84 vezes maior que o CO2 em um período de 20 anos. O metano não é tão persistente um gás e é cerca de 28 vezes maior que o CO2 por um período de 100 anos.

Além do efeito de aquecimento direto e dos feedbacks normais, o metano se decompõe ao dióxido de carbono e à água. Essa água geralmente está acima da tropopausa, onde pouca água geralmente chega. Ramanathan (1988) observa que as nuvens de água e gelo, quando formadas a temperaturas estratosféricas mais baixas, são extremamente eficientes para melhorar o efeito da estufa atmosférica. Ele também observa que há uma possibilidade distinta de que grandes aumentos no metano futuro podem levar a um aquecimento da superfície que aumenta não linearmente com a concentração de metano.

Camada de ozônio

O metano também afeta a degradação da camada de ozônio, quando o metano é transformado em água na estratosfera. Esse processo é aprimorado pelo aquecimento global, porque o ar mais quente mantém mais vapor de água que o ar mais frio, portanto a quantidade de vapor de água na atmosfera aumenta à medida que é aquecida pelo efeito estufa. Os modelos climáticos também indicam que os gases de efeito estufa, como dióxido de carbono e metano, podem aumentar o transporte de água para a estratosfera; Embora isso não seja totalmente compreendido.

Técnicas de gerenciamento de metano

Em um esforço para mitigar as mudanças climáticas, os seres humanos começaram a desenvolver métodos e medicamentos alternativos.

Por exemplo, para neutralizar a quantidade de metano que os ruminantes emitem, um tipo de medicamento chamado monensin (comercializado como rumensina) foi desenvolvido. Este medicamento é classificado como um ionóforo, que é um antibiótico produzido naturalmente por uma cepa de bactérias inofensivas. Este medicamento não apenas melhora a eficiência da alimentação, mas também reduz a quantidade de gás metano emitido do animal e seu estrume.

Além da medicina, técnicas específicas de gerenciamento de esterco foram desenvolvidas para neutralizar as emissões do adubo de gado. Os recursos educacionais começaram a ser fornecidos para pequenas fazendas. As técnicas de gerenciamento incluem a coleta diária e o armazenamento de esterco em uma instalação de armazenamento completamente fechada que impedirá o escoamento de entrar em corpos de água. O estrume pode ser mantido em armazenamento até que seja reutilizado para fertilizante ou retirado e armazenado em um composto externo. Os níveis de nutrientes de vários adubos de animais são fornecidos para uso ideal como composto para jardins e agricultura.

Para reduzir os efeitos na oxidação do metano no solo, várias etapas podem ser tomadas. Controlar o uso do fertilizante que aumenta o nitrogênio e a redução da quantidade de poluição por nitrogênio no ar pode diminuir a inibição da oxidação do metano. Além disso, o uso de condições de crescimento mais seco para culturas como arroz e a seleção de cepas de culturas que produzem mais alimentos por unidade de área pode reduzir a quantidade de terra com condições ideais para a metanogênese. A seleção cuidadosa de áreas de conversão de terras (por exemplo, arando as florestas para criar campos agrícolas) também pode reduzir a destruição das principais áreas de oxidação do metano.

Para combater as emissões de metano de aterros sanitários, em 12 de março de 1996, a EPA (Agência de Proteção Ambiental) acrescentou a "regra do aterro" à Lei do Ar Limpo. Esta regra requer grandes aterros que já aceitaram resíduos sólidos municipais, foram usados ​​em 8 de novembro de 1987, podem ter pelo menos 2,5 milhões de toneladas de resíduos com um volume superior a 2,5 milhões de metros cúbicos e/ou têm composto orgânico não metano (NMOC) emissões de pelo menos 50 toneladas por ano para coletar e emoção emitida em aterros sanitários. Esse conjunto de requisitos exclui 96% dos aterros nos EUA. Embora o resultado direto disso seja os aterros, reduzindo a emissão de compostos não metanos que formam poluição, o resultado indireto também é a redução das emissões de metano.

Além disso, na tentativa de absorver o metano que já está sendo produzido a partir de aterros sanitários, foram realizados experimentos nos quais os nutrientes foram adicionados ao solo para permitir que metanotróficos prosperem. Demonstrou -se que esses aterros suplementados com nutrientes atuam como um pia de metano em pequena escala, permitindo que a abundância de metanotróficos esponja o metano do ar para usar como energia, reduzindo efetivamente as emissões do aterro.

Para reduzir as emissões das indústrias de gás natural, a EPA desenvolveu o programa Star Gas Star, também conhecido como Gas Star.

Outro programa também foi desenvolvido pela EPA para reduzir as emissões da mineração de carvão. O programa de divulgação de metano (CMOP) do leito de carvão ajuda e incentiva a indústria de mineração a encontrar maneiras de usar ou vender metano que, de outra forma, seriam liberados da mina de carvão para a atmosfera.

Monitoramento de emissões de metano

Foi desenvolvido um detector de metano portátil que, montado em um veículo, pode detectar níveis excessivos de metano na atmosfera ambiente e diferenciar entre metano natural da vegetação apodrecida ou vazamentos de esterco e gás. A partir de 2013, a tecnologia estava sendo implantada pela Pacific Gas & Electric.

O instrumento de monitoramento troposférico a bordo da espaçonave Sentinel-5p da Agência Espacial Europeia lançada em outubro de 2017 fornece o monitoramento de emissões de metano mais detalhado, disponível ao público. Tem uma resolução de cerca de 50 quilômetros quadrados.

A Methanesat está em desenvolvimento pelo Fundo de Defesa Ambiental em parceria com pesquisadores da Universidade de Harvard, para monitorar as emissões de metano com uma resolução aprimorada de 1 quilômetro. A Methanesat foi projetada para monitorar 50 principais instalações de petróleo e gás e também pode ser usada para o monitoramento de aterros e agricultura. Ele recebe financiamento do Audacious Project (uma colaboração da TED e da Gates Foundation) e é projetado para lançar até 2020.

Medição de metano atmosférico

Cromatografia em fase gasosa

O metano é tipicamente medido usando cromatografia gasosa. A cromatografia gasosa é um tipo de cromatografia usada para separar ou analisar compostos químicos. É mais barato em geral, em comparação com métodos mais avançados, mas é mais tempo e trabalho intensivo.

Método espectroscópico

Os métodos espectroscópicos são o método preferido para medições de gás atmosférico devido à sua sensibilidade e precisão. Além disso, os métodos espectroscópicos são a única maneira de detectar remotamente os gases atmosféricos. A espectroscopia infravermelha abrange um grande espectro de técnicas, uma das quais detecta gases com base na espectroscopia de absorção. Existem vários métodos para métodos espectroscópicos, incluindo espectroscopia de absorção óptica diferencial, fluorescência induzida por laser e infravermelho de transformação de Fourier.

Cavity ring-down spectroscopy

A espectroscopia do anel de cavidade é a técnica de absorção de IR mais amplamente utilizada para detectar metano. É uma forma de espectroscopia de absorção a laser que determina a fração molar na ordem de peças por trilhão.

Veja também

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