全球暖化未爆彈 埋藏在海底的甲烷冰

by:時穿
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全球暖化讓你越來越有感嗎?除了減少二氧化碳排放之外,甲烷也是科學家關注的溫室氣體,特別是那些埋藏在海底的甲烷冰。

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如果要取得埋藏於海底的甲烷冰,就必須往下鑽入地層,才能取得甲烷冰。

Photo: World Mirror

甲烷也是溫室效應的重點

通常,大家在討論地球暖化時都會先想到二氧化碳的影響。這是因為近年地球暖化加劇的主因就是在工業革命之後,大量的二氧化碳等溫室氣體逸散到大氣,改變大氣濃度的組成。但是在溫室氣體(會造成溫室效應的氣體)當中,甲烷對於溫室效應的影響力其實緊接在二氧化碳之後。

含量第二 但效果是第一名的25倍

雖然甲烷在大氣中的含量不比二氧化碳來得高(根據統計,2015年美國所排放的溫室氣體當中,二氧化碳佔 82%,第二名的甲烷則為 10%),但一個單位分子的甲烷可以產生的溫室效應效果,卻是二氧化碳的 25倍

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甲烷冰是甲烷和水分子構成的結晶,外觀看起來像是冰塊卻可以燃燒。圖中綠色球體代表的是甲烷,紫色小球是水分子,只有特定的立體結構才能組成穩定的甲烷冰。

Photo: GEOMAR

發現甲烷的新形態:甲烷冰

甲烷冰(Methane hydrates)是甲烷水合物的別名,看起來像是冰塊卻又可以燃燒,所以又被稱為「可燃冰」(flammable ice或burning ice)。因為甲烷冰一定要在高壓低溫的環境下才能穩定存在,所以甲烷冰多半蘊藏在海床裡。

科學家認為,甲烷冰是自然界「儲存」甲烷的方式:甲烷可以和水結合形成甲烷冰,儲存在海床裡,才能讓大氣中的甲烷含量維持在一定的濃度,達成平衡。而且,一立方公尺的甲烷冰當中蘊含的甲烷含量,是一大氣壓下氣態甲烷的 164倍

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這是剛從海底開採出來的甲烷冰,外觀看起來就像是白色的冰塊一樣。

Photo: Petroleum Geology

開採過程一個不小心  就會加劇溫室效應

然而,只要甲烷冰一離開低溫高壓的環境下,甲烷冰當中的甲烷和水就會分開來。

這讓甲烷冰的開採出現了難題:只要在開採的過程中不小心讓甲烷從甲烷冰當中釋放出來,就會讓甲烷逸散到大氣中,而加劇溫室效應,讓地球暖化更嚴重。

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現在有德國的科學家發現,比起地球暖化,挪威的冰河更容易讓甲烷冰分解。圖為 2016年,挪威的布隆史川德冰河(Blomstrand Glacier)。

路透社

海水溫度上升  加速甲烷冰融化?

同時,科學家也擔心全球暖化讓海水溫度上升,是否會讓蘊藏在海床的甲烷冰融化,如果甲烷因此逸散到大氣中,就會加劇全球暖化的速度。

但在找出海水溫度上升是否會讓甲烷冰融化之前,科學家們必須要先找出甲烷冰能穩定地儲存在海床裡的原因,或其他可能會讓甲烷冰融化的因素。

冰河沉降比暖化更厲害

德國的基爾亥姆霍茲海洋研究中心(Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, GEOMAR)研究團隊發現,挪威冰河大幅沉降比起暖化的海水溫度更會使得甲烷冰變成甲烷和水。

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研究團隊為了要找尋甲烷冰和冰河沉降之間的關聯,來到挪威。因為挪威的海底有不少麻坑的地形,科學家認為麻坑的形成和地底下的氣體有關。圖為麻坑地形樣貌。

Photo: Alexander Synaptic

研究就從麻坑開始

研究團隊首先來到挪威的聶加(Nyegga)地區,他們認為這個地方是最適合研究海床上氣體和液體動力學的地方。這裡除了蘊含了大量的甲烷冰,在海底還有不少像是火山口的麻坑(pockmark),麻坑和蘊藏在地底的氣體有關:當蘊藏在地底的氣體要爆發出來的時候,就會形成麻坑的地形。

選擇聶加地區當作研究的開始還有另一個原因:因為這個地方已經有不少現成的測量數據,就能省下不少力氣。

最後一次冰河期  甲烷冰變得不穩定

研究團隊利用最後一次冰河時期(距今 3萬到 1萬5,000年前)的數據進行電腦模擬,因為冰河時期在短時間內就能累積大量的沉積物,而且在冰河時期海平面上升,就會增加海底的壓力。

結果發現,原本蘊藏在海底的甲烷冰變得很不穩定,有很多甲烷從甲烷冰裡面跑了出來。

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左圖為甲烷冰層很穩定的層層堆積在海床上,底下的黃色圓點代表氣體分子。如果地層受到擠壓(紅色箭頭),原本蘊含在地層底下的氣體(黃色圓點)就會像火山爆發一樣離開海底。地層受到擠壓,同時也會有地方(墨綠色)塌陷,從外面看起來表面就會出現一坑一坑的樣子,而形成麻坑的地形。 

Photo: GRID Arendal

因為變化速度太快

研究團隊的卡斯坦斯博士(Dr. Jens Karstens)表示,甲烷冰只會穩定存在於特定的水深,當有大量的沉積物產生時,甲烷冰就會從最底部開始解離成甲烷和水,同時,又會在最上層形成新的甲烷冰。

然而,如果海底的甲烷濃度已經飽和,再加上變化速度太快,這些從甲烷冰底部解離出來的甲烷,就不會在上層形成新的甲烷冰,而會直接逸散出去,就像這次的模擬結果一樣。

甲烷冰還可以阻止海嘯發生?

另一方面,1990年代起科學家們也注意到在海底的大陸坡藏有大量的甲烷冰。

在海底大陸坡的甲烷冰常常會被誤認成是水泥,於是科學家們推測,這些在大陸坡的甲烷冰有強化地盤的效果,讓大陸坡不容易鬆動、滑移而引發海嘯。

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科學家們猜測,如果海床的甲烷冰可以讓地盤更穩固,那個地方就不容易引發海嘯。圖為 2018年在美國加州高速公路旁的海嘯注意標誌。

路透社

不,甲烷冰讓地盤鬆動了

GEOMAR的團隊又接著進行下一個實驗,結果發現甲烷冰真的和海底地盤滑移有關。但甲烷冰並沒有讓地盤變得更堅固,反而間接地讓沉積在甲烷冰上層的地盤鬆動了。

這個水深不對

GEOMAR的埃爾格博士(Dr. Judith Elger)解釋,他們注意到水深不太對。不論是海水溫度升高或海平面下降,甲烷水合物一開始是先從大陸坡的上層開始解離,但是最常見的海底地盤滑移是發生在更深的位置。

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圖為甲烷冰層讓地層更容易鬆動的示意圖。右下角深褐色的區域是地下穩固的地層,和土黃色地層之間夾著甲烷冰層。如果甲烷冰層出現裂縫,讓氣體可以逸散到海洋中(右上角的藍色氣泡),就會讓甲烷冰層以上的地層鬆動、坍方。

Photo: GRID Arendal

撐不住就會有裂縫

研究團隊發現,如果甲烷冰在海底形成了堅固的不透水層,就能讓氣體和其他流體在不透水的甲烷冰層底下自由的活動。但隨著時間經過,甲烷冰層底下的流體壓力過大,甲烷冰層支撐不住就會產生裂縫。

裂縫釋放了壓力

而這些在甲烷冰層的裂縫變成了底下流體的通道,讓壓力可以釋放、轉移到甲烷冰層上的沉積層上。就會使得甲烷冰層之上的沉積層鬆動、坍方。

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GEOMAR的研究團隊利用斯瓦巴群島三萬年前的地震波數據,進行這次的甲烷冰研究。圖為斯瓦巴群島的朗伊爾城。

Photo: Torbjørn Taskjelle

從地震波看見裂縫

研究團隊表示,他們以 3萬年前的斯瓦巴(Svalbard)群島水深 750-2,200公尺的地震波數據進行電腦模擬。

從電腦模擬的結果當中,可以從地震波數據看到甲烷冰層裂縫產生的流體通道。

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要實際觀察海床的甲烷冰,就必須要潛入海底鑽取。

Photo: Ocean Networks Canada

研究還沒結束

GEOMAR的研究發現了海底的甲烷冰層對於冰河沉降和地質鬆動之間的關係,這些都是之前不曾考慮過的因素。

埃爾格博士表示,接下來可以利用歷史上的地震波數據,來調查其他地區的海底下是否也有類似甲烷冰層的裂縫。

上線時間:2018/2/26
增修時間:2018/2/26  修正內文


延伸閱讀:《海底火山爆發 日本浮出新小島
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參考資料:
01 Glacigenic sedimentation pulses triggered post-glacial gas hydrate dissociation
02 Why did gas hydrates melt at the end of the last ice age?
03 Stable gas hydrates can trigger landslides