Metano

Metano
Struttura della molecola del metano.
Identificazione
nome IUPAC	metano
Sinonimi	idruro di metile
N o CAS	74-82-8
N o ECHA	100.000,739
N o EC	200-812-7
PubChem	297
SORRISI	C PubChem , vista 3D
InChi	InChI: vista 3D InChI = 1 / CH4 / h1H4
Aspetto	gas compresso o liquefatto, incolore e inodore
Proprietà chimiche
Formula	C H 4   [Isomeri]
Massa molare	16,0425 ± 0,0011  g / mol C 74,87%, H 25,13%,
Proprietà fisiche
T° fusione	-182,47  ° C
T° ebollizione	−161,52  °C
solubilità	22  mg · l -1 (acqua, 25  ° C )
Parametro di solubilità δ	11,0  MPa 1/2 ( 25  °C )
Massa volumica	422,62  kg · m -3 ( -161  ° C , liquido) .6709  kg · m -3 ( 15  ° C , 1  bar , gas) equazione: ρ=2.9214/0.28976(1+(1-T/190.56)0.28881){\ displaystyle \ rho = 2,9214 / 0,28976 ^ {(1+ (1-T / 190,56) ^ {0,28881})}} Densità del liquido in kmol m -3 e temperatura in Kelvin, da 90,69 a 190,56 K. Valori calcolati: T (K) T (°C) (kmol m -3 ) (gcm -3 ) 90.69 −182,46 28.18 0.45209 97,35 −175,8 27.61427 0,44302 100.68 −172,47 27.32509 0,43838 104.01 −169,14 27.03133 0.43366 107.34 −165,82 26.73272 0,42887 110.66 −162,49 26.42893 0,424 113.99 −159,16 26.11961 0.41904 117.32 −155,83 25.80437 0,41398 120.65 −152,5 25.48275 0.40882 123,98 −149,17 25.15427 0.40355 127.31 −145,84 24.81836 0,39816 130.64 −142,51 24.47437 0,39264 133,97 −139.18 24.12157 0,38698 137.3 −135,85 23.7591 0.38117 140,63 −132,53 23.38596 0,37518 T (K) T (°C) (kmol m -3 ) (gcm -3 ) 143,95 −129,2 23.00098 0,369 147.28 −125,87 22.60275 0,36262 150.61 −122.54 22.18959 0,35599 153,94 −119.21 21.75941 0,34909 157,27 −115,88 21.30964 0.34187 160.6 −112,55 20.83698 0,33429 163,93 −109.22 20.33716 0,32627 167.26 −105,89 19.8044 0,31772 170.59 −102.56 19.23066 0,30852 173.92 −99,24 18.60413 0.29847 177.24 −95,91 17.90622 0.28727 180.57 −92.58 17.10471 0.27441 183.9 −89.25 16.13421 0.25884 187.23 −85,92 14.81501 0.23768 190.56 −82.59 10.082 0,16175
Temperatura di autoaccensione	537  °C
punto d'infiammabilità	Gas infiammabile
Limiti di esplosività nell'aria	4,4 - 17  % vol
Pressione di vapore saturante	2  atmosfere ( -152,3  ° C ); 5  atmosfere ( -138,3  ° C ); 10  atm ( −124,8  ° C ); 20  atm ( -108,5  ° C ); 40  atm ( -86,3  ° C ); 4,66 × 10 5  mmHg ( 25  °C ) equazione: PvS=eXp(39.205+-1324.4T+(-3.4366)×lnon(T)+(3.1019E-5)×T2){\ displaystyle P_ {vs} = exp (39.205 + {\ frac {-1324.4} {T}} + (- 3.4366) \ volte ln (T) + (3.1019E-5) \ volte T ^ {2})} Pressione in pascal e temperatura in kelvin, da 90,69 a 190,56 K. Valori calcolati: T (K) T (°C) P (Pa) 90.69 −182,46 11 687 97,35 −175,8 25.858,57 100.68 −172,47 36.869,79 104.01 −169,14 51,305.2 107.34 −165,82 69 845,34 110.66 −162,49 93.224.29 113.99 −159,16 122,223,62 117.32 −155,83 157,666,48 120.65 −152,5 200 411.9 123,98 −149,17 251 349,8 127.31 −145,84 311.396,77 130.64 −142,51 381.492,82 133,97 −139.18 462.599.22 137.3 −135,85 555.697,28 140,63 −132,53 661 788,38 T (K) T (°C) P (Pa) 143,95 −129,2 781.894,84 147.28 −125,87 917.061,96 150.61 −122.54 1.068.360,85 153,94 −119.21 1.236.892,23 157,27 −115,88 1.423.790,95 160.6 −112,55 1.630.231,32 163,93 −109.22 1 857 433,13 167.26 −105,89 2.106.668,24 170.59 −102.56 2,379.267,93 173.92 −99,24 2.676.630,71 177.24 −95,91 3.000 230,84 180.57 −92.58 3 351 627,34 183.9 −89.25 3.732.473,71 187.23 −85,92 4.144.528,18 190.56 −82.59 4.589.700
Punto critico	4.600  kPa , -82,6  ° C
Velocità del suono	1337  m · s -1 (liquido, -161,5  ° C ) 450  m · s -1 (gas, 27  ° C , 1  atm )
Termochimica
Δ f H 0 gas	-74,87  kJ · mol -1
Do p	equazione: VSP=(34.942)+(-3.9957E-2)×T+(1.9184E-4)×T2+(-1.5303E-7)×T3+(3.9321E-11)×T4{\ displaystyle C_ {P} = (34.942) + (- 3.9957E-2) \ volte T + (1.9184E-4) \ volte T ^ {2} + (- 1.5303E-7) \ volte T ^ {3 } + (3.9321E-11) \ volte T ^ {4}} Capacità termica del gas in J · mol -1 · K -1 e temperatura in Kelvin, da 50 a 1.500 K. Valori calcolati: 36,337 J · mol -1 · K -1 a 25 ° C. T (K) T (°C) Do p (JKmol×K){\ displaystyle ({\ tfrac {J} {kmol \ volte K}})} Do p (JKg×K){\ displaystyle ({\ tfrac {J} {kg \ volte K}})} 50 −223,15 33.405 2.082 146 −127.15 32.739 2.041 195 −78,15 33 367 2.080 243 -30.15 34,502 2 151 291 17.85 36.071 2 248 340 66.85 38.044 2,371 388 114.85 40,272 2,510 436 162,85 42 726 2.663 485 211.85 45.406 2.830 533 259,85 48 146 3.001 581 307,85 50 953 3176 630 356.85 53,840 3 356 678 404.85 56.652 3.531 726 452.85 59.413 3.703 775 501.85 62,151 3.874 T (K) T (°C) Do p (JKmol×K){\ displaystyle ({\ tfrac {J} {kmol \ volte K}})} Do p (JKg×K){\ displaystyle ({\ tfrac {J} {kg \ volte K}})} 823 549.85 64 730 4.035 871 597,85 67 189 4 188 920 646.85 69,562 4 336 968 694,85 71.742 4.472 1.016 742,85 73.779 4.599 1.065 791.85 75,710 4 719 1,113 839.85 77.465 4.829 1.161 887,85 79.097 4.930 1 210 936.85 80 653 5,027 1.258 984.85 82.093 5 117 1.306 1.032,85 83.476 5.203 1.355 1.081,85 84.864 5,290 1,403 1.129,85 86 237 5 376 1.451 1.177,85 87 666 5 465 1.500 1 226.85 89 233 5 562
PC	890,8  kJ · mol -1 ( 25  ° C , gas)
PCI	803.3  kJ · mol -1
Proprietà elettroniche
1 re energia di ionizzazione	12,61  ± 0,01  eV (gas)
Precauzioni
SGH
Pericolo H220, H220  : Gas altamente infiammabile
WHMIS
A, B1, A  : Temperatura critica del gas compresso = −82,62  ° C B1  : Limite inferiore di infiammabilità del gas infiammabile = 5,0% Divulgazione all'1,0% secondo i criteri di classificazione
Trasporto
23    1971    Codice Kemler: 23  : gas infiammabile Numero ONU  : 1971  : GAS NATURALE (alto in metano), COMPRESSO; o METANO COMPRESSO Classe: 2.1 Codice di classificazione: 1F  : Gas compresso, infiammabile; Etichetta: 2.1  : Gas infiammabili (corrisponde ai gruppi indicati con la F maiuscola); 223    1972    Codice Kemler: 223  : gas liquefatto refrigerato, infiammabile Numero ONU  : 1972  : GAS NATURALE (ad alto contenuto di metano) LIQUIDO REFRIGERATO; o METANO LIQUIDO REFRIGERATO Classe: 2.1 Codice di classificazione: 3F  : Gas liquefatto refrigerato, infiammabile; Etichetta: 2.1  : Gas infiammabili (corrisponde ai gruppi indicati con la F maiuscola);
Ecotossicologia
LogP	1.09
Unità di SI e STP se non diversamente indicato.

Il metano è un composto chimico di formula chimica CH 4, scoperto e isolato da Alessandro Volta tra il 1776 e il 1778. E' l' idrocarburo più semplice, e primo termine della famiglia degli alcani .

Abbastanza abbondante nell'ambiente naturale, il metano è un combustibile dalle grandi potenzialità. Gas in condizioni standard di temperatura e pressione , può essere trasportato in questa forma, solitamente tramite gasdotto , oppure liquefatto da GNL e raramente camion.

Enormi quantità di metano sono sepolte sotto forma di gas naturale . La maggior parte dei sedimenti di metano è avvenuta in modo anaerobico da archaea chiamati metanogeni . Grandi quantità, difficili da stimare, vengono prodotte anche mediante reazione di acqua marina in peridotiti di dorsali e presenti sul mare piano come idrati di metano (stabile a bassa temperatura e ad alta pressione). Anche i vulcani di fango , i combustibili fossili, le discariche ( gas di discarica ), la digestione del bestiame (in particolare i ruminanti ), le risaie, gli estuari inquinati ( metano dalle zone umide , gas di palude ) e gli incendi boschivi emettono molto metano.

Il metano è naturalmente presente nell'atmosfera terrestre , ma gli apporti antropici hanno più che raddoppiato la sua concentrazione dalla rivoluzione industriale . Ha raggiunto i 1.748  ppb nel 1998. Dopo un periodo di stabilizzazione (a circa 1.774  ppb , dal 1999 al 2006), la crescita della sua concentrazione è ripresa nel 2007 con un nuovo record nel 2016 (1.853  ppb , ovvero +257% all'anno). rispetto al livello preindustriale) poi nel 2018 (1.860  ppb ). Le analisi degli isotopi suggeriscono che questo recente aumento del metano atmosferico è principalmente di origine non fossile.

Il metano persiste per meno di dieci anni nell'atmosfera dove viene distrutto dai radicali idrossilici OH • , ma è un gas serra molto più potente della CO 2, con un potenziale di riscaldamento globale 28 volte superiore, responsabile, al livello attuale della sua concentrazione, di una piccola percentuale dell'effetto serra totale all'opera nella nostra atmosfera. Quindi, a titolo di confronto, su un orizzonte di 100 anni, il rilascio di una certa quantità di metano nell'atmosfera ha un effetto sul riscaldamento globale circa nove volte maggiore rispetto alla combustione di questa stessa quantità di metano in anidride carbonica (CO 2).

Storia

Nel 1776 Alessandro Volta scoprì il metano mentre studiava il "  gas infiammabile delle paludi  " dell'isola di Partegora , fuoriuscito dalle zone umide vicino a casa sua. Prende capsule dai sedimenti del Lago Maggiore e isola la frazione infiammabile, che capisce provenire dalla putrefazione delle piante.

Nel 1910, Söhngen scrive che il metano si forma così ampiamente nei Paesi Bassi "che in vari luoghi viene utilizzato per illuminare e riscaldare fattorie e case" .

E 'a causa del grisù (principalmente costituito da metano), responsabile fino ai nostri giorni molti minerarie disastri , che le lampade di sicurezza sono sviluppati nelle miniere di carbone , in particolare la lampada Davy (1817).

L'impatto del metano sul clima è sconosciuto, quindi sospettato fino al 1976 quando viene dimostrato che il metano è effettivamente un potente gas serra .

Le osservazioni dell'esplorazione spaziale hanno mostrato l'onnipresenza del metano nell'Universo .

Metano, paleoambiente e paleoclima

Sul pianeta Terra, come gas serra, il metano ha sempre svolto un ruolo importante nel ciclo del carbonio , nella chimica atmosferica e nel clima globale. Metano di origine abiotica, come CO 2, era molto presente nell'atmosfera della Terra primitiva prima che vi apparisse la vita e introducesse ossigeno (che permise la comparsa dello strato di ozono). Dopo la comparsa della vita batterica, la maggior parte del metano terrestre aveva un'origine biologica (fossile o diretta).

Esistono ancora emissioni geologiche naturali di metano fossile , oggi legate principalmente al vulcanismo (circa 52  teragrammi/anno di metano emesso, ovvero circa il 10% delle emissioni annue).

Il calcolo delle emissioni geologiche passate, e ancor più la valutazione delle fonti di metano secondo i tempi, sono state associate a grandi incertezze, ma stanno diventando più precise. Nel 2017, Petrenko et al. quantificato nelle carote di ghiaccio polare il metano contenente radiocarbonio ( 14 CH 4), dimostrando che il metano di origine geologica non ha superato durante l'ultimo periodo di riscaldamento (fine dell'ultima glaciazione ) 15,4  teragrammi/anno (confidenza 95%), in media durante l'improvviso riscaldamento che si è manifestato tra il Dryas Younger e il Preboreale (circa 11.600 anni fa). Poiché queste emissioni “geologiche” sono a priori non inferiori a quelle odierne, gli autori hanno concluso su questa base che le attuali emissioni di metano geologico (circa 52  teragrammi/anno ) sono sovrastimate, e quindi che le attuali stime delle emissioni antropiche di metano sono state sottovalutato.

Questo studio ha anche confermato i dati precedenti che mostravano che il rapido aumento di circa il 50% della frazione molare atmosferica di metano durante l'evento preboreale - Dryas era in gran parte dovuto a fonti come le zone umide e secondariamente (meno del 19%) ai vecchi serbatoi di carbonio come come clatrati marini, permafrost e metano intrappolati sotto il ghiaccio.

Superficie e seminterrato

Il metano è il principale costituente del biogas prodotto dalla fermentazione di materia organica animale o vegetale in assenza di ossigeno . È costituito da archaea metanogeni che vivono in ambienti anaerobici , cioè privi di ossigeno.

Il metano viene prodotto naturalmente in zone umide poco ossigenate come paludi e torbiere , così come in alcuni terreni coltivati ​​(prevalentemente tropicali), senza grandi differenze tra sistema arato, semina diretta o lavorazione superficiale e/o allagati lunghi (ma in questi media si possono essere anche organismi metanotrofi che consumano parte o tutto). Tuttavia, i terreni a semina diretta assorbono in media 0,4 kg C-CH4 per ettaro e all'anno in più rispetto al caso di aratura.

Il metano è quindi l'unico idrocarburo convenzionale che può essere ottenuto rapidamente e facilmente grazie ad un processo biologico naturale. Utilizziamo principalmente gas naturale e quindi metano fossile, ma l'utilizzo di metano rinnovabile ( biogas ) è in forte espansione (Svezia, Germania, Danimarca, Vietnam, Cambogia, Cina, India,  ecc. ) (vedi sezione #Utilizzo ).

Anche le specie vegetali rilasciano metano. Sebbene il meccanismo non sia ancora chiaro, le stime vanno da 10 a 60 milioni di tonnellate di metano emesse all'anno, contando solo le foglie delle piante, a 60-240 milioni, che rappresenterebbero quindi dal 10 al 30 % delle emissioni globali annue. Due terzi di loro provengono dai tropici. Queste emissioni della vegetazione, sommate a quelle delle paludi e forse a quelle dei fondali marini, sarebbero uno dei driver del cambiamento climatico storico.

CH 4si forma anche nel rumine e nel tubo digerente di molti animali (da alcuni invertebrati ai mammiferi, principalmente erbivori). È presente in piccole quantità nel gas intestinale umano.

fondale marino

Il metano prodotto dalla reazione di serpentinizzazione tra le peridotiti e l' acqua di mare nelle dorsali oceaniche può rimanere intrappolato sotto forma di idrati di metano ( clatrati ) o sfuggire nell'atmosfera.

Grandi quantità di metano vengono stoccate sotto forma di idrati di metano sul fondo degli oceani (dove è previsto il loro sfruttamento) e nel permafrost . Questi due serbatoi potrebbero svolgere un ruolo importante nei cicli climatici e, secondo le osservazioni di un team di oceanografi nel 2014, stanno iniziando a perdere una quantità crescente di metano nell'atmosfera.

La de- gorgogliamento di metano da sedimenti marini, sulle linee di frattura del fondo dell'oceano , è considerato un indice di alta sismico rischio, anche come un possibile precursore dei terremoti (previa conferma seguente in corso esperimenti., Nella Mar di Marmara , sulla faglia nord anatolica al largo della Turchia).

Un documentario intitolato Méthane, rêve ou cauchemar sur Arte (2014 riporta la scoperta che il metano dai fondali oceanici, ad una profondità minima di 400  m , viene quasi completamente assorbito dai batteri prima di raggiungere un'altezza di 200  m ). L' incidente della piattaforma Deepwater Horizon , avvenuto nel Golfo del Messico , ha rilasciato una grandissima quantità di metano sul fondo oceanico, di cui non è rimasta traccia dopo sei mesi, un tempo ritenuto molto breve vista la quantità di metano fuoriuscito dal pozzo di estrazione danneggiato. Il fatto che il metano sia stato assorbito da microrganismi non significa che l'incidente non abbia conseguenze per l'ambiente, in particolare a causa della conseguente acidificazione dell'oceano.

Proprietà fisico-chimiche

In condizioni normali di temperatura e pressione , il metano è un gas incolore e inodore. Circa due volte più leggero dell'aria, è esplosivo in un ambiente confinato ( grisù ). In ambiente non confinato si diluisce nell'aria e fuoriesce nell'alta atmosfera, dove ha meno tendenza a formare nubi esplosive rispetto ai gas più pesanti dell'aria (propano, butano); dall'altro è un potente gas serra .

Solubilità del metano in acqua

Dipende molto dalla temperatura e dalla pressione (diminuisce con l'una e aumenta con l'altra). Così il grisù minerario può essere in parte solubilizzato e trasportato dall'acqua (che poi contiene anche radon oltre ad anidride carbonica e anidride solforosa che lo acidificano). Secondo Ineris, l' acqua a 10  °C inizialmente saturata con gas di miniera ad una pressione di 10  bar (equivalenti a 100  m di battente idraulico), perderà durante la sua espansione circa 0,5  m 3 di metano e 12  m 3 di CO 2per m 3 di acqua.

Degasaggio spontaneo

Gli idrati di metano sommersi si sciolgono, rilasciando stringhe di bolle, ma senza brusche variazioni. Allo stesso modo, le microtasche di metano prodotte dai batteri nel sedimento vengono liberate formando bolle che salgono nella colonna d'acqua, soprattutto nella torba (dove il fenomeno è difficile da seguire) e nei fanghi di estuario, e più o meno rapidamente a seconda della sostanza organica contenuto e la porosità/viscosità del supporto. Questo gorgogliamento rappresenta una frazione grande e probabilmente sottovalutata delle emissioni di metano e gas serra nelle zone umide . Le camere di flusso automatizzate a funzionamento continuo sono state combinate con uno spettroscopio per quantificare meglio queste bolle e il loro contenuto di CH 4 ..

Ad esempio, in un ambiente di fascia temperata povera, nel 2009, il gorgogliamento variava di ora in ora, con un picco di rilascio notturno (dalle 20:00 alle 6:00 ora locale) anche se flussi stabili (cioè quelli con aumento lineare nella concentrazione di CH 4nello spazio di testa della camera) non ha mostrato variabilità giornaliera. I tassi di gorgogliamento medi stagionali hanno raggiunto il picco di 843,5 ± 384,2 "eventi" per metro quadrato al giorno in estate, con una media di 0,19  mg di CH 4 rifiutato da "evento".

È inoltre dimostrato che la flora delle paludi (compreso il sale) influenza la quantità di metano rilasciato stagionalmente nell'aria o nell'acqua (con ad esempio Carex rostrata . Anche le date e l'importanza di inondazioni o siccità giocano un ruolo. .

Accensione e combustione

Il metano è un combustibile che costituisce il 90% del gas naturale . Il suo punto di autoaccensione dell'aria è di 540  °C . La reazione di combustione del metano si scrive:

CH 4+ 2 O 2→ CO 2+ 2 H 2 O   ( Δ H = -891  kJ / mol ).

La combustione del metano a 25  ° C rilascia un'energia di 39.77  MJ / m3 (55.53  MJ / kg ), o 11.05  kWh / m 3 (15.42  kWh / kg ).

Il gas naturale (composto da oltre il 90% di metano) viene trasportato dalle navi ( metano ) ad una temperatura di -162  °C e ad una pressione prossima a quella atmosferica . I serbatoi sono costruiti sul principio della bombola isotermica e la loro capacità può arrivare fino a 200.000  m 3 di gas liquido per serbatoio. Nave metaniera composta da più serbatoi, il suo carico può attualmente raggiungere i 154.000  m 3 di GNL, Gas Naturale Liquefatto . Le future navi metaniere potranno trasportare fino a 260.000  m 3 di GNL. Il volume del metano allo stato gassoso è pari a 600 volte il suo volume allo stato liquido , a pressione atmosferica.

Presente in tutte le fasi dell'industria petrolifera, ma poco valorizzata, viene spesso bruciata in una torcia , che contribuisce all'effetto serra (le compagnie petrolifere quindi limitano questo processo).

Nell'universo

Nelle nuvole interstellari

Il metano è stato trovato in tracce in diverse nubi interstellari.

su titano

Il metano è presente ovunque su Titano , e anche allo stato liquido sotto forma di laghi, fiumi e mari, in particolare vicino al polo nord della stella. La sua presenza è stata accertata nel 1944. Al punto che il calore sprigionato dalla sonda Huygens , durante l'impatto del14 gennaio 2005 causato un notevole rilascio di gas metano.

L' atmosfera di Titano , il satellite di Saturno , è costituita principalmente da azoto con una percentuale di metano che va dall'1,4% nella stratosfera al 4,9% a livello del suolo. Non pioveva quando la sonda Huygens è atterrata su Titano, ma l'ESA non esclude che lì siano frequenti gli acquazzoni di metano. Semplicemente, l'aridità del suolo assorbirebbe rapidamente questa precipitazione, alla maniera dei deserti terrestri.

Su Marte

Uno dei risultati più sorprendenti della sonda spaziale Mars Reconnaissance Orbiter , in orbita attorno a Marte dal10 marzo 2006, deriva dallo studio dettagliato del 2008 della regione Nili Fossae , individuata all'inizio del 2009 come fonte di significativi rilasci di metano. Questo gas è stato rilevato già nel 2003 nell'atmosfera di Marte , sia da sonde come Mars Express che dalla Terra  ; queste emissioni di CH 4si concentrerebbe in particolare in tre aree specifiche della regione Syrtis Major Planum . Tuttavia, il metano è instabile nell'atmosfera marziana, studi recenti suggeriscono addirittura che è seicento volte meno stabile di quanto inizialmente stimato (la sua vita media è stata stimata in 300 anni) perché il tasso di metano non ha il tempo di uniformarsi nell'atmosfera e rimane concentrato attorno alle sue zone di emissione, che corrisponderebbero a una vita di poche centinaia di giorni; la corrispondente fonte di metano sarebbe anche 600 volte più potente di quanto inizialmente stimato, emettendo questo gas circa sessanta giorni all'anno marziano, alla fine dell'estate nell'emisfero settentrionale.

Le analisi geologiche effettuate nel 2008 dalla sonda Mars Reconnaissance Orbiter nella regione di Nili Fossae hanno rivelato la presenza di argille ferromagnesiane ( smectiti ), olivina ( silicato ferromagnesiano (Mg, Fe) 2 SiO 4, rilevata già nel 2003) e magnesite (carbonato di magnesio MgCO 3), così come serpentino . La contemporanea presenza di questi minerali permette di spiegare molto semplicemente la formazione del metano, perché, sulla Terra , il metano CH 4forme in presenza di carbonati - come MgCO 3rilevato nella regione 2008 - e acqua liquida durante il metamorfismo idrotermale dell'ossido di ferro (III) Fe 2 O 3o olivina (Mg, Fe) 2 SiO 4in serpentino (Mg, Fe) 3 If 2 O 5 (OH) 4, In particolare quando il livello di magnesio in olivina non è troppo elevato e quando la pressione parziale di anidride carbonica CO 2è insufficiente per portare alla formazione di talco Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2ma al contrario porta alla formazione di serpentino e magnetite Fe 3 O 4, come nella reazione:

12 / x Mg 2-x Fe x SiO 4+ 2+ (8 (2-x) / x) H 2 O+ CO 2→ 4 (2-x) / x Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4+ (8x-4) x SiO 2+ 4 Fe 3 O 4+ CH 4.

La probabilità di questo tipo di reazione nella regione di Nili Fossae è rafforzata dalla natura vulcanica del Syrtis Major Planum e dalla stretta correlazione, osservata già nel 2004, tra il livello di umidità di una regione e la concentrazione di metano nell'atmosfera.

Il metano rilevato da Curiosity durante una trentina di analisi dell'atmosfera è presente solo in tracce (0,4  ppb , contro i 1.800  ppb della Terra), ma la sua fluttuazione stagionale (da 0,3 a 0,7  ppb ) è intrigante, perché è di tre volte maggiore di quanto previsto dalle teorie disponibili. Potrebbe eventualmente essere un'indicazione della presenza di vita microbica (corrente o fossile) e/o derivare da una o più fonti abiotiche: reazione di acqua calda con olivine (sopra menzionate), attacco da UV solare di meteoroidi e stelle polvere ricca di carbonio minerale (perché due picchi stagionali si sono verificati circa 15 giorni dopo uno sciame meteorico marziano), desorbimento da una roccia i cui pori o lastre si aprono in estate quando fa più caldo; o forse è solo un aumento relativo (sarebbe la CO 2 il gelo in inverno ai poli diminuirebbe nell'atmosfera dando l'impressione che ci sia più metano in questo momento, ma il fenomeno dovrebbe poi essere più marcato in pieno inverno marziano, a meno che le correnti d'aria non portino a fine estate questo metano alla località Curiosity) ... Il dibattito è in corso.

Sui pianeti giganti

Il metano si trova anche sotto forma di nubi e foschia su Urano e Nettuno , un gas non condensato nelle atmosfere di Giove e Saturno  ; così come forse sugli esopianeti Epsilon Eridani c e Fomalhaut b .

uso

I giacimenti di gas naturale fossile contengono tra il 50 e il 60% di metano, il gas naturale grezzo viene depurato prima di essere immesso nella rete di distribuzione.

La proporzione di metano presente nel gas naturale che utilizziamo è superiore al 90% nella maggior parte dei gas.

Il metano "biologico" o biogenico, o biogas , che viene prodotto dalla fermentazione anaerobica della materia organica contiene dal 50 all'80% di metano, (60-65% in genere)

Il biogas prodotto nelle discariche potrebbe essere (molto di più) recuperato e utilizzato sotto forma di elettricità , calore o come carburante per autotrazione . Per il momento sono emersi solo alcuni esperimenti isolati (in allevamenti, centri di raccolta rifiuti, ecc.), soprattutto nelle regioni più fredde (Germania settentrionale, Francia, Scandinavia,  ecc. ), ma l'economia di redditività di questi impianti è tutt'altro che certa . (vedi esperienza carceraria ruandese ).

Il metano può essere utilizzato come combustibile, ma sarebbero possibili altri usi. Ad esempio, i ricercatori sono riusciti a trasformare il metano quasi a temperatura ambiente ( 40  °C ) in un estere potenzialmente prezioso ( propanoato di etile ). Per fare ciò, è stato introdotto un carbene (composto molto reattivo) in un legame metano tramite un catalizzatore organometallico .

Biocarburante di terza generazione

Per produrre un metano da discarica abbastanza puro e per realizzare un buon biocarburante di terza generazione, in Canada è in fase di sperimentazione un “digestore anaerobico” ispirato alla digestione anaerobica operata nel rumine dei bovini . I microrganismi metanogeni che vivono in simbiosi con le mucche sanno produrre più metano della CO 2, ma hanno esigenze specifiche, soprattutto di temperatura e umidità. La difficoltà è mantenere le condizioni di vita ottimali di questi organismi in un mezzo costituito da rifiuti, che viene testato mediante elettrodi che regolano la temperatura del mezzo. Si tratta quindi di fibre cave costituite da una membrana permeabile che dovrebbe separare la CO 2 metano, che può quindi essere bruciato come fonte di energia, utilizzato dalla chimica del carbonio o compresso e immagazzinato.

In vista di una transizione verso le energie rinnovabili , i ricercatori della società austriaca Solar Fuel Technology ( Salisburgo ), in collaborazione con l'Istituto Fraunhofer per la ricerca sull'energia eolica di Lipsia (IWES), il Centro di ricerca sull'energia solare e l'idrogeno di Stoccarda (ZSW ) e l' Università di Linz hanno sviluppato una soluzione per immagazzinare energia sotto forma di metano. L'energia elettrica in eccesso di origine eolica o fotovoltaica viene utilizzata per scomporre l'acqua in idrogeno e diossigeno ( elettrolisi dell'acqua ), quindi l'idrogeno viene combinato con anidride carbonica mediante una reazione di metanazione ( reazione di Sabatier ).

Uno dei principali vantaggi di questo processo è quello di utilizzare le infrastrutture esistenti (serbatoi e tubi del gas), la cui capacità di stoccaggio sarebbe sufficiente a coprire il fabbisogno di metano della Germania per diversi mesi, ad esempio per un periodo in cui solare ed eolico non possono soddisfare l'energia esigenze.

Ambiente: contributo all'effetto serra

Un gas serra

Il metano è un gas serra che contribuisce al riscaldamento globale , considerato come tale dalla Direttiva 2003/87/CE . Assorbe parte della radiazione infrarossa emessa dalla Terra, impedendole così di fuggire nello spazio.

Inoltre, contribuisce indirettamente all'effetto serra , riducendo la capacità dell'atmosfera di ossidare altri gas serra (come i freon ). Il suo utilizzo come combustibile emette CO 2fino a 380  Mt/anno ( le emissioni industriali circa 6.000  Mt/anno ) .

L'influenza del metano sul clima è meno importante di quella dell'anidride carbonica , ma è comunque preoccupante. Una delle principali lezioni della quinta relazione di valutazione del del Gruppo intergovernativo di esperti sui cambiamenti climatici Change (IPCC) nel 2014 è che l'influenza del metano è stato a lungo sottovalutato, il suo potenziale di riscaldamento globale (GWP)) a cento anni dal 21 sotto il Kyoto Protocollo , a 28 e anche a 34 tenendo conto dei feedback climatici .

Il metano persiste per meno di dieci anni nell'atmosfera, dove viene distrutto dai radicali idrossili OH • , ma è un gas serra molto più potente della CO 2, responsabile, al livello attuale della sua concentrazione, di una piccola percentuale dell'effetto serra totale all'opera nella nostra atmosfera. Quindi, a titolo di confronto, su un orizzonte di 100 anni, rilasciare una certa quantità di metano nell'atmosfera ha un effetto sul riscaldamento globale circa nove volte maggiore che bruciare questa stessa quantità di metano in CO2 ..

Il metano è il secondo gas responsabile del cambiamento climatico ( forcing radiativo di 0,97  W/m 2 nel 2011) dietro la CO 2(1,68  W / m 2 ), ma molto più avanti di freon (0,18  W / m 2 ) e l'ossido di azoto (0,17  W / m 2 ). Una molecola di metano assorbe in media 28 volte più radiazioni di una molecola di anidride carbonica in un periodo di 100 anni, quindi il suo potenziale di riscaldamento globale (GWP) è 28; dopo 20 anni, il suo GWP è addirittura 67.

Uno studio pubblicato nel dicembre 2016 da più di 80 scienziati di laboratori di tutto il mondo mette in guardia dalla consueta sottovalutazione del contributo del metano al riscaldamento globale: il metano contribuisce per il 20% all'attuale riscaldamento (contro il 70% per la CO 2), perché, nonostante la sua concentrazione molto più bassa, il suo potenziale di riscaldamento globale (GWP) è 28 volte superiore. Ciò implica che per raggiungere l'obiettivo di rimanere al di sotto dei 2  °C, non possiamo limitarci a limitare le emissioni di anidride carbonica, ma dobbiamo anche ridurre quelle di metano.

Nel 2019, la Ocean and Atmospheric Observation Agency (NOAA) degli Stati Uniti ha riferito che le concentrazioni atmosferiche di metano hanno raggiunto un livello record nel 2018.

A luglio 2020, uno studio condotto da un centinaio di ricercatori riuniti nel Global Carbon Project ha rivelato un continuo aumento delle emissioni di metano dal 2007 (+9% all'anno), con una forte accelerazione dal 2014. Queste emissioni hanno raggiunto i 596  Mt nel 2017, Il 60% è dovuto alle attività umane: agricoltura e rifiuti 227  Mt (38%), produzione e utilizzo di combustibili fossili 108  Mt (18%), biomasse e biocarburanti 28  Mt (5%). 193  Mt (32%) provengono dall'Asia, di cui 56  Mt (9%) dalla Cina, 117  Mt (20%) dall'Africa e dal Medio Oriente, 105  Mt dal Sud America e 93  Mt (16%) dal Nord America, per 44  Mt dalla Russia e dall'Asia Centrale e 30  Mt dall'Europa. I ricercatori stimano che l'agricoltura e i rifiuti abbiano contribuito per il 60% all'aumento delle emissioni globali, lo sfruttamento di petrolio e gas oltre il 20% e lo sfruttamento del carbone oltre il 10%. Sostengono una quantificazione più regolare delle emissioni di metano, come si fa per la CO 2 Poiché il metano ha una durata di vita più breve dell'anidride carbonica nell'atmosfera, le emissioni più basse possono giovare rapidamente al clima.

Metano e ozono

Il metano interagisce con l' ozono in modo diverso negli strati superiori e inferiori dell'atmosfera .

Secondo i modelli tridimensionali disponibili nella chimica della troposfera , ridurre le emissioni antropiche di CH 4potrebbe essere "una potente leva per ridurre sia il riscaldamento globale che l'inquinamento atmosferico dovuto all'ozono troposferico" .

Variazione storica (dall'Impero Romano)

Le emissioni di metano da paludi, bovini, incendi boschivi o combustibili fossili hanno tutte una specifica firma isotopica . I batteri metanogeni nelle zone umide assorbono più isotopi di carbonio più leggeri ( 12 C) mentre il metano fossile è invece arricchito con carbonio più pesante ( 13 C). Nel mezzo c'è il metano proveniente da incendi boschivi o boschivi.

Oggi sappiamo anche analizzare finemente il metano intrappolato nel ghiaccio, che ad esempio ha permesso nel 2012 di confermare l'ipotesi avanzata alcuni anni fa dal climatologo William Ruddiman , il quale stimò che l'impatto dell'umanità sul clima risalga indietro a prima del recente “  Antropocene  ” e ben prima della rivoluzione industriale . Secondo lo studio isotopico Antartico ghiaccio di metano pubblicato sulla rivista Nature nel mese di ottobre 2012, i cambiamenti nei livelli di metano passato e composizione dimostrano che gli incendi, probabilmente di origine antropica arricchiscono in quanto il XVI °  secolo, almeno i livelli di metano nell'atmosfera. L'analisi dettagliata di due carote di ghiaccio dal pozzo glaciale NEEM1 (Groenlandia) che copre circa 2000 anni è stata condotta con una precisione senza precedenti in termini di dosaggio, analisi e risoluzione temporale. Mostra o conferma che tra un secolo a.C. DC e il XIX °  secolo, il mondo avevano già vissuto tre periodi di aumento dei livelli di metano (sulla scala di qualche secolo) ed una tendenza a lungo declino del isotopica firma 13 C metano. Secondo questi dati, i modelli di equilibrio isotopico dell'atmosfera e i dati paleoclimatici di questo periodo (temperatura, precipitazioni) nonché in considerazione dei dati della demografia umana, gli incendi della vegetazione legati alla deforestazione, al riscaldamento, alla cottura e alla metallurgia erano diminuiti durante il declino dell'Impero Romano e quello della dinastia Han (Cina), per aumentare nuovamente durante la grande deforestazione e l'espansione medievale. Gli esseri umani sembrano essere responsabili dal 20 al 30% delle emissioni totali di metano dagli incendi della vegetazione tra un secolo aC. DC e il XVI °  secolo.

Recenti cambiamenti nel contenuto dell'aria

Il livello di metano nell'atmosfera terrestre ha raggiunto i 1.748  ppb nel 1998. Dopo un periodo di stabilizzazione (a circa 1.774  ppb , dal 1999 al 2006) la crescita della sua concentrazione è ripresa nel 2007 con un nuovo record nel 2016 (1853  ppb , ovvero +257% rispetto al livello preindustriale) poi nel 2018 (1.860  ppb ). Le analisi isotopiche suggeriscono che questo recente aumento del metano atmosferico è principalmente di origine non fossile.

Il tasso nel 2018 è compreso tra 1.850 e 1.900  ppb , o 0,000 19  % o 1,9  ppm . È stato mantenuto tra il 1780 e il 1810  ppb dal 2000 al 2010 con una grande variazione a seconda della latitudine. In passato, il livello di metano nell'atmosfera è spesso variato con la temperatura . Questo tasso è aumentato di circa il 150% dal 1750 ed è oggi a un ritmo senza pari nella storia, principalmente a causa delle attività umane. Un aumento dei livelli è stato osservato nel 2008-2009. Modelli di computer del livello CH 4nell'aria hanno permesso di risalire alla fonte delle emissioni degli ultimi vent'anni di misurazioni atmosferiche. Secondo questo lavoro, la riduzione delle emissioni e/o un uso più efficiente del gas naturale nell'emisfero settentrionale (miglioramento della tenuta delle tubazioni del gas, recupero del grisù o del gas di discarica per la produzione di energia elettrica,  ecc. ) ha consentito di diminuire le emissioni negli anni '90, ma poi si è nuovamente osservato un marcato aumento delle emissioni da combustibili fossili nell'Asia settentrionale (2006…). Il declino delle zone umide, attraverso il drenaggio tra gli altri, e, in misura minore, gli incendi boschivi, spiegano anche le variazioni misurate in CH 4 atmosferico da oltre vent'anni.

Si ritiene che il metano sia responsabile di circa il 20% del riscaldamento medio registrato dall'inizio della rivoluzione industriale.

Si stima che senza la sua presenza, la temperatura superficiale media della Terra sarebbe inferiore di 1,3  °C . Il calcolo del GWP ( global warming power ) del metano viene periodicamente rivalutato dall'IPCC alla luce delle nuove conoscenze.

Questo GWP tende ad aumentare, c'è un raddoppio del forzante radiativo addizionale ad esso attribuito tra il 2007 e il 2013, che lo avvicina alla CO 2(è passato da 0,48 a 0,97  W/m 2 tutti gli effetti combinati e il GWP di CO 2è 1,68 W), gli scienziati hanno dimostrato che contribuisce più di quanto si pensasse in precedenza al riscaldamento globale, con una nuova fonte in forte aumento negli Stati Uniti che sono le perdite di metano dalle trivellazioni e gli impianti di gas in shale o layer di gas o emissioni di permafrost ,22 gennaio 2014 - secondo l'ultimo rapporto IPCC, pubblicato nel 2013, il GWP relativo del metano è stimato in 28.

Il costante aumento della concentrazione di metano nell'atmosfera potrebbe anche essere in parte legato ad una diminuzione del contenuto di radicali ossidrili atmosferici (il distruttore naturale del metano nell'aria).

Mezzi di misura

La sua misurazione in laboratorio è ben padroneggiata, ma stiamo cercando di sviluppare mezzi di misurazione più leggeri, più veloci, più facili da usare e meno costosi, per misurare le basse dosi di metano emesse discretamente in acqua dolce, acqua salata, estuari, aria . , suoli e sedimenti o durante determinati fenomeni (bocche marine, scioglimento del permafrost, geyser, fughe di gas, incluso il gas di scisto , ecc.)

Origine delle emissioni

A livello globale, le emissioni di metano in atmosfera sono stimate tra i 500 ei 900  Mt/anno , di cui circa il 60% sono di origine antropica .

Le principali fonti sono, in ordine decrescente di importanza quantitativa, stimate come segue:

• fermentazione anaerobica sott'acqua (32% delle emissioni): avviene soprattutto in zone umide (naturali o artificiali, in particolare risaie e dighe idroelettriche che hanno allagato foreste o accumulato un carico organico significativo . Possono anche trattarsi di estuari che hanno diventare distrofico o qualsiasi zona di accumulo di inquinamento organico ( ad es. discarica ).

Le paludi , le mangrovie tropicali e il riso sono soggette all'azione di metanogeni arcaici medio anaerobici . La temperatura agisce sulle emissioni, che raggiungono il loro valore massimo tra 37  °C e 48  °C , quindi un'amplificazione delle emissioni in caso di riscaldamento. In presenza di una sufficiente quantità di ossigeno, l'attività degli archei stessi contribuisce a riscaldare il materiale, ma con l'emissione di CO 2. L'analisi dei gas intrappolati 10.000 anni fa nei ghiacci polari e lo studio del rapporto isotopico carbonio 13 / carbonio 12 del carbonio di queste molecole di metano (δ 13 CH 4) ha mostrato un raddoppio dei livelli di CH 4 durante l'ultima transizione glaciale-interglaciale. Questo raddoppio è dovuto, per quasi il 50%, alle regioni paludose tropicali, rafforzate dalle emissioni delle torbiere boreali favorite dalla transizione climatica;

• i combustibili fossili (21% delle emissioni): il gas naturale è metano al 90%. Le perdite in atmosfera durante la sua estrazione, trasporto, lavorazione e distribuzione potrebbero rappresentare fino al 2% della produzione di gas naturale, tre quarti di queste perdite che si verificano presso il cliente, dopo il contatore. Il grafico a lato mostra l'importanza delle perdite durante la produzione, in particolare in alcuni grandi giacimenti di gas nel Mar Caspio e in Siberia .

Diversi studi scientifici hanno dimostrato che le emissioni di metano derivanti dallo sfruttamento del gas di scisto sono molto superiori a quelle dei giacimenti di gas convenzionali al punto che l'impronta di CO 2 equivalenteun pozzo di gas di scisto in 20 anni sarebbe dal 20 al 50% più alto che se il carbone fosse stato utilizzato per produrre la stessa quantità di energia. Più recentemente, nel 2018, la NASA ha rivelato una forte accelerazione nella crescita della concentrazione di metano nell'atmosfera, negli ultimi dieci anni; gli autori dello studio concludono che è in gran parte legato all'attività del settore dei combustibili fossili Allo stesso modo, il gas intrappolato nei giacimenti di carbone durante la sua formazione ( grisù ) viene rilasciato durante l'estrazione del minerale. Nel 2018 le major petrolifere, tramite l'OGCI ( Oil and Gas Climate Initiative ), in particolare formate da Total, Saudi Aramco, BP, recentemente affiancate dalle americane Chevron ed ExxonMobil, si sono prefissate per la prima volta degli obiettivi (entro il 2025) : "Ridurre di un quinto l'intensità media collettiva del metano" , ovvero dallo 0,32% del metano venduto perso per perdite nel 2017 allo 0,25% nel 2015 (rispetto al volume totale venduto), che corrisponde - secondo l'OGCI - alla riduzione l'immissione collettiva di metano in atmosfera per 350.000  t/anno  ;

• dei ruminanti ( Eruttazioni flatulenza , letame e liquame ) negli anni '90, è dimostrato che gli allevamenti bovini attraverso la loro digestione e letame, contribuiscono in modo significativo alle emissioni globali di metano (circa il 16% entro il 2010 ). In Francia, nel 2008 il bestiame è stato la fonte (compreso il letame stabile) dell'80% del metano emesso (contro il 69% del 1990, con un aumento relativo del 4,6% in 18 anni). L'agricoltura stessa è responsabile del 92% delle emissioni nazionali di metano (di cui il 70% è dovuto alla fermentazione enterica e il 30% ai fumi di letame).

Una singola vacca può emettere da 100 a 500  litri di metano al giorno (5% da flatulenza e 95% da eruttazioni legate alla ruminazione ), quantità che varia molto a seconda della dieta dell'animale, con ad esempio una media di 100  kg per vacca da latte (VL) e all'anno (variabile da 63 a 102  kg ) secondo Dollé et al. (2006), o 117,7  kg in media (da 90 a 163  kg ) secondo Vermorel et al. (2008), quando la produzione di latte passa da 3.500 a 11.000  kg/anno . “I concentrati ricchi di amido (orzo, frumento, mais) hanno un effetto depressivo maggiore sulla metanogenesi rispetto ai concentrati ricchi di pareti digeribili ( polpa di barbabietola ). Martin et al. (2006) citano uno studio che mostra che nelle vacche da latte, la sostituzione della polpa di barbabietola (70% della razione) con l'orzo ha portato a una riduzione del 34% delle perdite energetiche sotto forma di metano. » Le piante più ricche di tannino (tra cui legumi come lupinella , trifoglio e sulla ) riducono la degradazione delle proteine ​​alimentari ma anche la metanogenesi ruminale. Eliminando la soia (amido) e sostituendola con semi di lino estrusi (8,4% sulla sostanza secca ) si migliora la qualità nutrizionale del latte (+ 34% di acidi grassi insaturi, +120% di omega-3) mentre si riduce l'emissione di metano della mandria (-10 al -20% di metano al giorno e l'efficienza dell'azoto è migliorata del 16%) senza ridurre la produzione di latte, ma con livelli di grassi e proteine ​​inferiori (rispettivamente da -8% e -3%) nel latte. Fonte di metano sono anche gli escrementi (letame stabile) che continuano a decomporsi con una metanizzazione più o meno anaerobica a seconda del contesto. Tra le soluzioni studiate: migliorare l'alimentazione animale , evitare lo stoccaggio di rifiuti che producono solo metano in assenza di aria, o meglio recuperare questo metano e recuperarlo per produrre energia. Gli amidi come la soia aumentano la quantità di metano rilasciato dal bestiame quando sostituiscono l'erba nei mangimi industriali. L'apporto nel rumine di batteri acetogeni o batteri capaci di ossidare il metano), o l'apporto di lipidi alimentari ricchi di acidi grassi polinsaturi nella razione dei ruminanti è una strada promettente. I test effettuati sulle vacche da latte presso il centro INRA di Clermont hanno dimostrato che un'assunzione del 6% di lipidi dai semi di lino ha ridotto la produzione di metano degli animali dal 27 al 37%. I ricercatori neozelandesi hanno utilizzato con successo metodi di allevamento per ridurre del 10% i rutti e le scoregge nelle pecore. Il loro lavoro ha dimostrato che questi rifiuti sono in parte legati a tratti ereditari. La reintroduzione delle fibre vegetali nei mangimi per suini riduce la volatilizzazione dell'ammoniaca e la produzione di metano effluente, senza perdita di produttività.

• i rifiuti umani (11% delle emissioni): gli scarichi fermentano ed emettono grandi quantità di metano ( gas di scarico ); questo biogas può essere utilizzato come fonte di energia. Le fogne possono anche emettere;
• la biomassa (10% delle emissioni); il metano emesso deriva principalmente dall'ossidazione incompleta delle piante, durante alcuni processi naturali di decomposizione organica (come foglie morte del sottobosco accumulate sotto l'acqua, fermentazione di fanghi ricchi di sostanza organica); alcune specie ( termiti ) possono produrre quantità significative di metano; l'uso della biomassa come fonte di energia è anche fonte di alcune perdite di CH 4 nell'aria ;
• sedimenti e oceani (4% delle emissioni, ma che potrebbero aumentare notevolmente): gli idrati contenenti metano ( clatrati ) potrebbero emettere gas in caso di perturbazione della temperatura oceanica e/o disgelo di alcuni terreni ricchi della tundra siberiana e canadese. Queste emissioni sono attualmente limitate ma il riscaldamento globale porterà ad un aumento dell'emissione di CH 4da clatrati (anche alla periferia delle calotte polari). Tale sorgente potrebbe quindi costituire una vera e propria “bomba climatica a orologeria” in caso di riscaldamento dei fondali oceanici e delle calotte glaciali;
• il permafrost  contengono metano, rilasciato quando il clima si riscalda. Negli anni 2000, uno studio internazionale (2003-2008) nelle acque della piattaforma artica della Siberia orientale (oltre due milioni di chilometri quadrati) ha mostrato che il permafrost sommerso perde metano, più e più velocemente di quanto previsto dai modelli. : da cinque anni, più oltre il 50% delle acque superficiali e più dell'80% delle acque profonde studiate aveva un livello di metano circa otto volte superiore al normale. L'attuale tasso medio di CH 4Arctic è all'inizio del XXI °  secolo, circa 1,85  ppm o superiore per 400 000 anni, avviso Natalia Chakhova. Un tasso ancora più alto sull'altopiano artico siberiano orientale significa che N. Chakhova menziona segni di instabilità nel permafrost sommerso: “Se continua a destabilizzarsi, le emissioni di metano […] saranno molto maggiori” .
• la calotta glaciale  : nel 2018 non sono ancora riconosciuti nei “budget” globali del metano, ma è stato recentemente dimostrato che esistono ecosistemi microbici abbastanza attivi sotto la calotta polare artica, forniti da ex suoli organici ogni estate, quando è presente acqua liquida; questa materia organica proviene da antiche zone umide , tundra e torbiere che vi prosperavano durante i precedenti interglaciali). Il ciclo del metano è attivo lì ma deve ancora essere valutato. Tuttavia, le indicazioni ( in particolare il paleoclima ) suggeriscono che questo CH 4potrebbe amplificare il riscaldamento globale. Poiché questo metano può influenzare i cicli biogeochimici planetari, gli scienziati chiedono di accelerare lo studio della biogeochimica degli ecosistemi microbici subglaciali; questi studi sono iniziati sotto il ghiacciaio Russel sul confine occidentale della Groenlandia, dove il metano è abbondantemente prodotto dai batteri, ma in parte consumato da altri batteri (metanotrofi). Durante le due estati del 2012 e 2013, in condizioni aerobiche (che esistono solo localmente), oltre il 98% del metano nell'acqua subglaciale campionata è stato consumato da microbi metanotrofi (in circa 30 giorni di incubazione a +/- 4  °C ). Ogni stagione calda si forma sotto l'indlandsis reti di torrenti, torrenti, gallerie, laghi, ecc. da cui emergono "sbuffi" di acqua sovrasatura di metano (CH 4(aq)) che poi perdono gran parte di questo CH 4nell'aria ("  evasione atmosferica  " è il principale serbatoio di metano in questa regione una volta che il deflusso raggiunge il bordo della calotta glaciale). Per l'area di studio, la prima stima di questo flusso stagionale è stata di 6,3 tonnellate (media; compreso tra 2,4 e 11 tonnellate) di CH 4disciolto (CH 4aq) trasportato lateralmente da sotto la calotta glaciale.

L' idrologia subglaciale deve essere compresa meglio; lo è meno sotto gran parte dell'Artico che sotto i ghiacciai alpini o in certi contesti paleoclimatologici europei, eppure nell'Artico sembra essere un fattore cruciale nel “controllo” dei flussi di metano.

Prospettiva

Le variazioni future di queste emissioni sono incerte, ma un aumento del consumo di fonti fossili, marine e agricole, dei rifiuti, dovuto alla demografia globale , all'industrializzazione di alcuni paesi e alla crescente domanda di energia, oltre al riscaldamento globale.

Il tasso globale di metano atmosferico si era stabilizzato e poi ha ripreso a salire (+ 3% circa dal 2007 al 2015)) Oltre all'aumento delle fonti già noto, questo aumento potrebbe essere dovuto anche ad un calo del tasso atmosferico di ossidrile, un molecola che "svolge il ruolo di detergente atmosferico" , in particolare nei confronti del metano che degrada. Possono essere coinvolti anche un aumento delle inondazioni tropicali e un effetto di riscaldamento. Come lo scioglimento del ghiaccio marino artico, questo è un nuovo segnale di sconvolgimento ecologico e climatico del sistema Terra.

Nota: alcuni archaea metanotrofi (che consumano metano) sono la fonte di pozzi naturali di metano (ad esempio nelle foreste vetuste ), ma il loro ruolo ecosistemico e i loro potenziali usi sono ancora poco valutati.

Pozzi di metano

Sono ancora poco conosciuti, ma il contributo del metano a determinate reti trofiche e alcuni meccanismi di degradazione del metano nell'acqua o nell'aria potrebbero essere stati sottovalutati.

Ora sappiamo che:

• i diversi meccanismi di rimozione del metano atmosferico asportano circa 515  Mt/anno  ;
  • il principale CH 4 beneè il radicale ossidrile OH • contenuto nell'atmosfera, che contribuisce al 90% della scomparsa di CH 4. Il radicale OH • , agente ossidante per i principali inquinanti in atmosfera (CH 4, CO, NOx , composti organici), deriva dalla dissociazione fotochimica di O 3e H 2 O. Il contenuto di radicali ossidrili è quindi influenzato dalla concentrazione atmosferica di CH 4ma anche da quella dei suoi prodotti, tra cui CO. Allo stesso modo, vari meccanismi influenzano il contenuto di OH •  :
  • l'aumento della concentrazione urbana di NOx genera più formazione di O 3e quindi più dissociazione in OH • ,
  • la caduta della concentrazione di O 3stratosferico induce più radiazioni UV che raggiungono la troposfera e quindi più dissociazione di O 3 troposferico,
  • l'aumento del vapore acqueo conseguente all'aumento della temperatura media produce più nubi che bloccano il flusso dei protoni , effetto che riduce la formazione di OH • , e più vapore acqueo, reagente di formazione OH • .

È stato riscontrato che dal 1750 il livello di OH • è diminuito di circa il 20% a causa dell'aumento di CO e CH 4, ed è ora stabile. Entro il 2050, questo livello dovrebbe diminuire di un altro 25%, il che avrà un impatto significativo sui livelli di oligoelementi gassosi. Il restante 10% è dovuto all'ossidazione del metano in terraferma da parte degli archaea metanotrofi che lo utilizzano come fonte di carbonio, nonché al suo trasferimento nella stratosfera;

• nel suolo, in alcune falde acquifere, nei sedimenti marini o nelle zone umide vivono archaea che consumano metano. Localmente sono all'origine di una rete trofica ( pelagico ) e un "lavandino biologica" di importanti metano, in mare, ma anche in alcuni laghi, in particolare in inverno, quando questi archeobatteri diventare più importante fonte di cibo per lo zooplancton. , Che ha è stato dimostrato da analisi isotopiche , ad esempio alimentando alcune larve di chironomidi (fenomeno osservato in seguito all'inaspettato ritrovamento di larve di chironomidi i cui organismi erano anormalmente impoveriti in 13 C (sempre in laghi eutrofici e poveri di ossigeno);
• il metano è spesso associato a IPA tossici. Alcuni degli archaea metanotrofi sono mobili e hanno dimostrato di migliorare il trasporto degli IPA nel sottosuolo. Questa qualità può essere utilizzata per purificare una falda acquifera inquinata da IPA, ma può anche spiegare l'inquinamento delle falde acquifere o una certa distribuzione o dispersione di IPA.

L'evoluzione della concentrazione di metano nell'aria sembra essersi arrestata (2007); questo potrebbe essere spiegato da una distruzione accelerata delle molecole di ozono O 3, catalizzata da radicali NO • in maggiore quantità.

Ridurre le emissioni di metano

Ridurre le emissioni di metano, rispetto a quelle di anidride carbonica , potrebbe rivelarsi più economico ed efficace nel mitigare i cambiamenti climatici , dato il suo alto potenziale di riscaldamento globale e il suo tempo di permanenza nell'atmosfera relativamente breve., nove anni.

Diversi mezzi consentono di ridurre le emissioni di metano per ridurne l'azione sull'effetto serra  :

• catturare il metano, o biogas , emesso nelle discariche o negli impianti di trattamento delle acque reflue e bruciarlo (combustione forma CO 2 che ha un minor effetto serra), oppure depurarlo per distillazione e poi immetterlo nella rete di distribuzione del gas naturale, che andrebbe a sostituire parzialmente il gas importato invece di bruciare il gas di discarica come avviene spesso ora;
• captare e utilizzare il metano, o biogas , prodotto nei sistemi di stoccaggio degli effluenti zootecnici; recuperare il metano emesso durante e dopo l'estrazione;
• modificare la dieta dei bovini per ridurre la produzione di metano durante la digestione: i ricercatori dell'INRA Clermont-Ferrand hanno dimostrato che sostituendo parte della loro dieta con lipidi provenienti dai semi di lino, o addirittura dalla colza, i bovini emettono fino al 40% in meno di metano; 650 allevatori dell'associazione Bleu Blanc Cœur hanno così intrapreso questo percorso, e il progetto europeo Ecometano associa otto paesi; I produttori svizzeri dovrebbero impegnarsi massicciamente nel processo a partire dal 2017; piantare 250.000  ettari di lino, contro i 50.000 di oggi, sarebbe sufficiente per l'allevamento francese. L'industria sta anche studiando additivi alimentari sintetici che agiscono sulla flora microbica degli animali. Il consumo da parte dei ruminanti di alghe Asparagopsis taxiformis , contenenti bromoformio , sarebbe un'altra strada per ridurre questo tipo di produzione di metano  ;
• sviluppare coltivazioni di riso che producono meno metano, ridurre i tassi di fertilizzazione, combattere la torbidità dell'acqua e la produzione di sedimenti metanogeni, e quindi a monte contro l' erosione , la regressione e il degrado del suolo . Studi in Asia hanno dimostrato che il semplice drenaggio delle risaie due volte l'anno ridurrebbe le loro emissioni dell'80%;
• a livello personale:
  • ridurre il consumo di carne (soprattutto bovina),
  • ridurre il consumo di riso (vedi il legame tra risicoltura ed effetto serra ),
  • rifiuti di compost , assicurandosi che il compost sia sufficientemente aerato e drenato.

Strategia europea per ridurre le emissioni di metano

Il 14 ottobre 2020 la Commissione Europea presenta la sua strategia per la riduzione delle emissioni di metano: creazione di un osservatorio internazionale per migliorare la misurazione e la condivisione delle informazioni, rafforzamento della sorveglianza tramite la galassia satellitare Copernicus, direttiva prevista per il 2021 per obbligare i produttori di combustibili fossili a rilevare meglio e riparare le perdite di metano e vietare pratiche sistematiche di combustione e degassamento , estensione del campo di applicazione della direttiva sulle emissioni industriali ai settori che emettono metano non ancora coperti, richiesta agli Stati membri di uno sforzo per affrontare le miniere di carbone abbandonate, pressioni sui paesi partner commerciali affinché ridurre l'impatto del metano dell'energia importata, incentivi per ridurre le emissioni in agricoltura attraverso l'innovazione nell'alimentazione animale e nella gestione del bestiame, rafforzare la raccolta dei rifiuti e dei residui agricoli non riciclati che può essere utilizzato per produrre biogas e biomateriali, migliorando la gestione del gas di discarica.

I ricercatori del laboratorio di elettrochimica molecolare dell'Università di Parigi Diderot hanno dimostrato che la conversione fotochimica della CO 2in metano a temperatura ambiente e da un catalizzatore selettivo, abbondante, non inquinante, non tossico ed economico , associato alla luce solare è stato possibile, il che apre nuove prospettive che, a lungo termine, si possono sperare per il piombo alle applicazioni industriali. Si potrebbe quindi - in linea di principio - ridurre gli effetti del consumo di combustibili fossili e contribuire a ridurre CO 2 le emissioni..

Finora, le principali vie esplorate per l'eliminazione fisico-chimica della CO 2industriali erano principalmente elettrochimici. Per essere “sostenibili”, richiedono una produzione di energia elettrica rinnovabile e pulita, ma sono possibili anche approcci fotochimici attivati ​​dalla luce solare. Tra i fotocatalizzatori e molecolari elettrocatalizzatori inventariati, solo pochi sembrano essere sia stabile e selettiva per CO 2 riduzione.. Ma la maggior parte di questi catalizzatori produce principalmente monossido di carbonio (CO, tossico) o acido formico (HCOOH). Ancora più rari sembrano i catalizzatori che in determinate condizioni possono generare idrocarburi con una resa da bassa a moderata.

Un complesso elettrocatalitico molecolare si era già dimostrato il più efficiente e il più selettivo per convertire la CO 2in CO; è il tetrafenilporfirina di ferro funzionalizzati gruppi trimetil . È stato dimostrato nel 2017 che sotto irraggiamento ultravioletto può anche catalizzare la riduzione di CO 2 COin metano a temperatura e pressione ambiente. Utilizzato in una soluzione di acetonitrile contenente un fotosensibilizzatore e un donatore di elettroni sacrificale, questo catalizzatore funziona regolarmente per alcuni giorni, producendo principalmente CO (per fotoriduzione di CO 2), ma Heng Rao e i suoi colleghi hanno scoperto che l'esposizione alla CO 2a questo prodotto, realizzato in due fasi, riduce innanzitutto la CO 2in CO poi per sintetizzare metano (con una selettività che arriva fino all'82% e un “  quantum yield  ” (efficienza luminosa) dello 0,18%).

Siamo ancora molto lontani da un prototipo industriale, ma gli autori ritengono che questo esperimento potrebbe preludere ad altre scoperte di catalizzatori molecolari che renderebbero possibile una lenta ma delicata produzione di un combustibile gassoso da CO2 .e ultravioletto dalla luce solare .

Biosintesi del metano

Il metano è considerato una fonte di energia interessante e sostenibile se non è di origine fossile ma rinnovabile e sostenibile nella sua fabbricazione. Poiché l'umanità emette troppa CO 2nell'aria, un sistema di conversione diretta della CO 2in CH 4è attivamente ricercato sia per proteggere il clima sia per immagazzinare energia rinnovabile. Si cercano soluzioni prive di catalizzatori rari, costosi o tossici.

Per questo, i ricercatori possono trarre ispirazione dagli organismi viventi ( biomimetici ) perché per miliardi di anni il metano puro è stato prodotto in modo efficiente e abbondante da alcune specie microbiche chiamate "  metanogeni  ", nell'acqua o nell'apparato digerente di altre organizzazioni.

Una chiave sembra essere la metil-coenzima M reduttasi , l' enzima di biogenesi del metano (che consente anche l'uso del metano come fonte di energia (attraverso l'ossidazione anaerobica)). Questo enzima possiede un fattore ausiliario chiamato "coenzima F430" , un tetrapirrolo modificato contenente nichel che favorisce la catalisi attraverso un radicale metilico/intermedio Ni(II)-tiolato. Non è ancora chiaro come sia sintetizzato il coenzima F430 (da un composto comune, l' uroporfirinogeno III ), ma è noto che la sua sintesi coinvolge la chelazione , l' amidazione , la riduzione dell'anello macrociclico, la lattamizzazione e la formazione dell'anello carbociclico.

Recentemente sono state identificate le proteine ​​che catalizzano la biosintesi del coenzima F430 (da siroidrocloruro, denominate CfbA-CfbE), che consentono di considerare sistemi ricombinanti basati su questi gruppi metalloprotesici. Questa migliore comprensione della biosintesi di un coenzima di produzione di metano da microbi complementi noto vie biosintetiche per una famiglia di composti importanti compreso clorofilla , eme e vitamina B 12 . In natura, la maggior parte del metano è prodotto in un mezzo acquoso, che può ispirare soluzioni tecniche sommerse, ma la maggior parte delle fonti massicce di CO 2 antropiche sono gassose.

Un primo metodo di conversione della CO 2in CH 4(controllato / catalizzata dalla luce e utilizzando un eme , vale a dire, una porfirina di ferro contenente) è stato proposto nel 2018 da due ricercatori tedeschi (Steinlechner e Junge) del Istituto Leibniz per Katalyse  (del) l' Università di Rostock e altri ricercatori stanno lavorando su metalli utili o complessi organometallici e sui modi per potenziare questo tipo di reazione chimica.

Metano e biodiversità

Probabilmente il metano ha da tempo effetti sulla biodiversità e viceversa, in particolare tramite il clima che può modificare o tramite le comunità microbiche che formano il microbiota intestinale degli animali.

Un'ipotesi è che alcuni gruppi di invertebrati ( metazoi il cui metabolismo e ciclo riproduttivo possono poi aumentare) abbiano in passato beneficiato di fasi di riscaldamento marino; l' esplosione cambriana ("Big Bang dell'evoluzione") potrebbe essere stata collegata ad alternanze abbastanza ravvicinate di intense fasi di pozzo ( clatrati ) ed emissioni bioniche di metano, legate a spostamenti tettonici nelle placche (migrazione verso i poli poi l'equatore). Queste migrazioni ( True Polar Wander  (en) o TPW) avrebbero avuto conseguenze tettoniche, biogeochimiche e quindi climato-ecologiche, in particolare tramite cambiamenti nella circolazione termoalina oceanica, conseguenze strettamente legate tra loro; l'aspetto stocastico di questi eventi avrebbe drogato la radiazione evolutiva dei metazoi nel Cambriano . Secondo Kirschvink e Raub nel 2003, una "miccia del metano" potrebbe aver innescato questa esplosione cambriana. Nota: nel Cambriano il sole era un po' più piccolo e più fresco di oggi. Durante l'ultimo grande riscaldamento ( massimo termico del passaggio Paleocene-Eocene ), 56 milioni di anni fa, sono comparsi gli antenati dei mammiferi, ma molti altri gruppi si sono estinti.

Se oggi il metano è principalmente associato ad ambienti anossici poveri di specie, esistono anche alcune specie metanotrofiche che da esso dipendono. Ad esempio, abbiamo recentemente identificato:

• un nematode senza bocca né intestino ( Astomonema southwardorum  (nl) ) che, nel Mare del Nord , dominava la microfauna dei sedimenti di un'area ricca di metano;
• il " verme del ghiaccio del metano" ( Hesiocaeca methanicola );
• comunità microbiche che possono formare biofilm in laboratori o strutture industriali utilizzando o filtrando il metano.

Note e riferimenti

Appunti

1. Il potere calorifico a 25  °C è PCI = 890,8 × 10 3  J /mol e il volume molare V = 22,4 × 10 -3  m 3 / mol quindi PCI / V = 39,77 × 10 6  J / m 3 . La massa molare vale M = 16,042 5 × 10 -3  kg/mol quindi PCI/ M = 55,53 × 10 6  J/kg .
2. 1  kWh = 3,6 x 10 6  J .
3. Compresi, in Francia, il CEA, il CNRS e l'Università di Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ).

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Vedi anche

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