Доклад: Метан

Метан СН4

Метан– наиболее важный представитель органичес­ких веществ в атмосфере (рис.1). Егоконцентрация су­щественно превышает концентрацию остальных орга­ническихсоединений. В 60-е и 70-е годы количество метана в атмосфере возрастало соскоростью 1% в год, и это объяснялось хозяйственной деятельностью чело­вечества.

/>

Рис.1. Молекуламетана

Увеличениесодержания метана в атмосфере способ­ствует усилению парникового эффекта, таккак метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли в ин­фракрасной областиспектра на длине волны 7,66 мкм. Метан занимает второе место после углекислогогаза по эффективности поглощения теплового излучения Земли. Вклад метана всоздание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой дляуглекислого газа. С ростом содержания метана изменя­ются химические процессы ватмосфере, что может привести к ухудшению экологической ситуации на Земле.Естественно возникает вопрос об управлении химическими и физическимипроцессами, в которых принимает участие метан. Если молекулы метана попа­дают ватмосферу, то они вовлекаются в процессы пере­носа и вступают в химическиереакции, которые хоро­шо известны как качественно, так и количественно.Управление процессами непосредственно в атмосфере в глобальном масштабепрактически исключено. До настоящего времени направленное воздействие на ат­мосферныепроцессы удавалось осуществлять только путем изменения мощности антропогенныхисточни­ков. Поэтому важно понимать природу естественных и антропогенныхисточников метана и оценивать их мощность с достаточной степенью достоверности.

Метан попроисхождению бывает:

- биогенным, еслион возникает в результате химиче­ской трансформации органического вещества;

- бактериальным(или микробным), если он образуется в результате деятельности бактерий;

- термогенным, еслиего возникновение обязано термохимиче­ским процессам;

- абиогенным, еслион возникает в результате химических ре­акций неорганических соединений.

Бак­териальныйметан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результатепроцессов пище­варения в желудках насекомых и животных (преимуще­ственножвачных). Термогенный метан возникает в оса­дочных породах при их погружении наглубины 3–10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации вусловиях высоких температур и дав­лений. Абиогенный метан образуется обычно набольших глубинах в мантии Земли.

Внастоящее время общее количество метана в атмо­сфере оценивают в пределах4600–5000 Тг (Тг = 1012 г). В южном полушарии концентрация метана несколькониже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшеймощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основныеисточники метана расположены на континентах, а оке­аны не вносят заметноговклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8–12 лет.

Метаннаходится в атмосфере в основном в призем­ном слое, который называетсятропосферой и толщина которого составляет 11–15 км. Концентрация метана малозависит от высоты в интервале от поверхности Земли до тропопаузы, чтообусловлено большой ско­ростью перемешивания по высоте в пределах 0–12 км (1 месяц)в сравнении со временем жизни метана в ат­мосфере.

Метанпопадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников.Мощность антропоген­ных источников в настоящее время существенно пре­вышаетмощность естественных. К естественным ис­точникам метана относятся болота,тундра, водоемы, насекомые (главным образом термиты), метангидраты,геохимические процессы. К антропогенным – рисовые поля, шахты, животные, потерипри добыче газа и неф­ти, горение биомассы, свалки. Относительное распределе­ниеисточников по их мощности дано на рис.2.

/>

Рис. 2. Доли отдельных источников в общем потоке метана в атмосферу

Изданных рис.2 видно, что болота, рисовые поля и животные вносят доминирую-щийвклад в образование общего потока в атмосферу. Природа образования мета­на втаких источниках, как болота, озера, рисовые поля, жвачные животные, насекомые,свалки, примерно оди­накова – ферментативная переработка клетчатки.

Интенсивностьвыделения метана из болот меняется в широких пределах. Эмиссия метана отзападносибирских болот, которые являются доста­точно типичным представителемсеверных болот, оп­ределенная с применением методов газовой хромато­графии,составляет примерно 9 мг метана в ч/м2. В среднем эмиссия метана изсибирских болот может до­стигать 20 Тг/год, что довольно много в сопоставлениис общим потоком метана от болот (50–70 Тг). Нужно сказать, что точностьопределения эмиссии метана от болот затруднена большим разбросом величинэмиссии при измерении даже на близко расположенных участ­ках. Например,величина эмиссии метана в западно­сибирских болотах колебалась в интервале от0,1 до 40 мг/( м2⋅ч). Большой поток метана от рисовыхполей обусловлен резким ускорением транспорта метана вну­три полостей в стебляхриса, так как диффузия метана происходит в воздушной среде, а не в воде. Потокмета­на с рисовых полей достигает в среднем 2,3 мг/( м2⋅ч).

Количествокрупного рогатого скота в мире – около 1,5 млрд голов. Одна корова производит всутки около 250 л чистого метана. Этого количества метана хватит, чтобывскипятить 20 л воды. В развитых странах на свалки вывозится примерно 1,8 кгмусора в день в рас­чете на одного человека, в России 0,6 кг соответствен­но.Примерно 10% этой массы может конвертировать­ся в метан. Следовательно, вРоссии производится 60 г метана в сутки в расчете на одного человека.

Шахтныйметан возникает в процессе трансформа­ции органических остатков в уголь подвлиянием высо­ких давлений и температур. Можно считать, что в глу­бинах землипроисходит пиролиз органических веществ. Растительные остатки содержат большоеко­личество лигнина, в структуре которого имеется много метильных групп. В ходетермической переработки происходит освобождение метильных радикалов, кото­рыезатем отрывают атом водорода от органических молекул и превращаются в метан.Добыча 1 т угля со­провождается выделением 13 м3 чистого метана.

Аналогичныймеханизм образования метана на­блюдается и при горении биомассы. Основной источ­никметана, выделяющегося при горении биомассы, находится в Африке, где широкопрактикуется сжига­ние соломы при подготовке почвы для нового урожая.Использование дерева для приготовления пищи и отопления дает незначительныйвклад. Страны бывшего СССР производят около 5–15% от общего по­тока метана ватмосферу.

Такимобразом, роль метана в экологических процессах исключитель­но велика. Внастоящее время насущной задачей для многих регионов земного шара, и в томчисле для Рос­сии, являются инвентаризация существующих источ­ников метана,выявление и прогнозирование появле­ния новых источников.

ВРоссии более детальному исследованию следует подвергнуть те источники метана,мощность которых определена с недостаточной точностью. Прежде всего это болота,и особенно болота Западной Сибири. Важ­ной является проблема образования итранспорта ме­тана в болотах внутри водной фазы. Залежи метангидратов интересныне только с точки зрения воз­действия на климат планеты при их дестабилизации,но и с целью промышленного использования. Рацио­нальное использование отходов,например для получе­ния тепловой энергии, может решить проблему свалоч­ногогаза. Еще одна проблема носит экологический характер. В настоящее время трудносомневаться в том, что происходит постепенное потепление климата, хотя игораздо меньшими темпами, чем предполагалось ра­нее. Повышение температурыпланеты скажется на возрастании потоков метана, так как изменение темпе­ратурына один градус меняет интенсивность выделе­ния метана в микробиологическихпроцессах (болота, рисовые поля, свалки) примерно на 10%. Потенциаль­но опасныйисточник метана, который может вклю­читься при повышении температуры, – этогидраты метана. Запасы метангидратов огромны. Повышение температуры вызоветдестабилизацию метангидратов и начнется их распад, что иногда наблюдается исейчас. В настоящее время оценка мощности потока метана от метангидратовневелика и составляет около 1% от об­щего потока. Увеличение поступления потокаметана в атмосферу вызовет дальнейшее ускорение в повыше­нии температурыатмосферы, что будет иметь огром­ные негативные последствия.

Список литературы

1) Арустамов Э.А. Безопасностьжизнедеятельности. – М.: 2001.

2) Белов С.В. Безопасностьжизнедеятельности. – М.: 2000.

3) Гарин В.М. Экологиядля технических вузов. – Ростов на Дону: 2001.