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1 Mit den Meeren leben – ein Bericht über den Zustand der Weltmeere

Methanhydrate

Wirkung des Klimawandels auf Methanhydrate

> Weltweit lagern gigantische Mengen Methan in Form fester Methanhydrate am Meeresgrund. Diese Hydrate sind eine große Energiereserve für die Menschheit. Doch durch die Klimaerwärmung könnten sich die Hydrate auflösen. Das Methan, ein potentes Klimagas, würde ungenutzt in die Atmosphäre entweichen und könnte den Klimawandel sogar noch anheizen.

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Wie das Methan ins Meer gelangt

Kohle, Erdgas und Erdöl verfeuert man seit mehr als hundert Jahren. Methanhydrate hingegen werden erst seit Kurzem als
zukünftige Energiequelle aus dem Meer
kontrovers diskutiert. Sie stellen ein neues, bislang völlig ungenutztes Reservoir fossiler Energieträger dar, denn sie enthalten, wie der Name andeutet, gigantische Mengen von dem, woraus auch Erdgas besteht: Methan. Methanhydrate gehören zu den sogenannten Clathraten. Das sind Substanzen, bei denen ein Molekültyp eine kristallartige Käfigstruktur ausbildet und darin einen anderen Molekültyp einschließt. Ist das käfigbildende Molekül Wasser, spricht man von Hydrat. Ist das im Wasserkäfig ein­geschlossene Molekül ein Gas, spricht man von Gashydrat – in diesem Fall von Methanhydrat. Methanhydrate bilden sich nur unter ganz bestimmten physikalischen, chemischen und geologischen Bedingungen. Hohe Wasserdrücke und tiefe Temperaturen sind die besten Vo­­­­raus­­setzungen für die
Methanhydratentstehung
. Ist das Wasser hingegen warm, muss der Wasserdruck sehr hoch sein, um die Wassermoleküle in den Clathratkäfig zu pressen. Das Hydrat bildet sich in diesem Fall nur in großen Tiefen. Ist das Wasser sehr kalt, so können sich Methanhydrate unter Umständen auch schon bei sehr geringen Wassertiefen oder sogar bei atmosphärischem Druck bilden. Im offenen Ozean mit einer durchschnittlichen Wassertemperatur von 2 bis 4 Grad Celsius am Meeresboden entstehen Methanhydrate schon ab einer Wassertiefe von ungefähr 500 Metern.
2.16 > Wie ein Stück Eis sieht Methanhydrat aus, wenn man es vom Meeresgrund holt. Dieser Brocken wurde während einer Expedition zum sogenannten Hydratrücken vor der Küste des US-Staates Oregon an Bord gebracht.
2.16 > Wie ein Stück Eis sieht Methanhydrat aus, wenn man es vom Meeresgrund holt. Dieser Brocken wurde während einer Expedition zum sogenannten Hydratrücken vor der Küste des US-Staates Oregon an Bord gebracht. © dpa Picture-Alliance/MARUM
Überraschenderweise findet man in den tiefsten Meeresregionen der Erde, den Gebieten mit den höchsten Drücken, trotzdem kein Methanhydrat, weil hier kaum Methan zur Verfügung steht. Der Grund: Im Ozean wird Methan von Mikroben im Meeresboden erzeugt, die organisches Material zersetzen, das aus der lichtdurchfluteten Zone nahe der Wasseroberfläche herabsinkt. Es besteht unter anderem aus Überresten abgestorbener Algen und Tiere sowie deren Exkrementen. In den tiefsten Bereichen des Ozeans, unterhalb von etwa 2000 bis 3000 Metern, kommen am Meeresboden kaum noch organische Überreste an, denn der Großteil wird bereits auf seinem Weg durch die Wassersäule von anderen Organismen abgebaut. Als Daumenregel gilt, dass nur etwa 1 Prozent des an der Oberfläche produzierten organischen Materials tatsächlich bis in die Tiefsee gelangt. Je tiefer der Meeresboden liegt, desto weniger Biomasse landet am Boden. Methanhydrate kommen daher vor allem an den Kontinentalhängen vor, jenen Gebieten, in denen die Kontinentalplatten in die Tiefseeebenen übergehen. Hier sinkt ausreichend Biomasse zu Boden, und auch das Zusammenspiel von Temperatur und Druck stimmt. In sehr kalten Regionen wie der Arktis kommen Methanhydrate sogar auf dem flachen Kontinentalschelf (in weniger als 200 Metern Wassertiefe) oder auch an Land im Permafrostboden vor, jenen tiefgefrorenen arktischen Böden, die selbst im Sommer nicht auftauen.
2.17 > Methanhydratvorkommen gibt es in allen Ozeanen und auch an Land. Die grünen Punkte zeigen die Vorkommen in den nördlichen Permafrostgebieten. Mit Rot sind Vorkommen gekennzeichnet, die mithilfe geophysikalischer Methoden identifiziert wurden. Die blau markierten Vorkommen wurden durch direkte Beprobung nachgewiesen.
2.17 > Methanhydratvorkommen gibt es in allen Ozeanen und auch an Land. Die grünen Punkte zeigen die Vorkommen in den nördlichen Permafrostgebieten. Mit Rot sind Vorkommen gekennzeichnet, die mithilfe geophysikalischer Methoden identifiziert wurden. Die blau markierten Vorkommen wurden durch direkte Beprobung nachgewiesen. 
© maribus (nach Kvenvolden und Lorenson, 1993)
Man schätzt, dass in den Methanhydraten mehr fossiler Brennstoff enthalten sein kann als in den klassischen Energieträgern Kohle, Erdöl und Erdgas. Je nach Rechenmodell schwanken die Kalkulationen der Vorkommen derzeit zwischen 100 und 530 000 Gigatonnen Kohlenstoff. Wahrscheinlicher sind Werte zwischen 1000 und 5000 Gi­­­­gatonnen. Das ist in etwa 100- bis 500-mal mehr Kohlenstoff, als jährlich durch die Verbrennung von Kohle, Öl und Gas in die Atmosphäre freigesetzt wird. Bei einem künftigen Abbau wäre vermutlich nur ein Teil der Gashydrate tatsächlich als Energiequelle nutzbar, da viele
Lagerstätten
unerreichbar sind oder weil eine mögliche Förderung zu teuer oder technisch zu aufwendig ist. Trotzdem be­schäftigen sich Indien, Japan, Korea und andere Nationen derzeit mit der Entwicklung von Abbautechniken, um Methanhydrate in Zukunft als Energiequelle nutzen zu können (Kapitel 7).
2.18 > In Hydraten ist das Gas (große Kugel) in einen Käfig aus Wassermolekülen eingesperrt. Fachleute bezeichnen derartige molekulare Anordnungen als Clathrate. 
© maribus 2.18 > In Hydraten ist das Gas (große Kugel) in einen Käfig aus Wassermolekülen eingesperrt. Fachleute bezeichnen derartige molekulare Anordnungen als Clathrate.

Methanhydrate und die globale Erwärmung

Bedenkt man, dass sich Methanhydrate nur unter ganz bestimmten Bedingungen bilden, ist es durchaus vorstellbar, dass eine globale Erwärmung und damit eine Erwärmung der Ozeane die Stabilität von Gashydraten beeinflussen kann. Es gibt Indizien in der Erdgeschichte, die darauf hinweisen, dass Klimaänderungen in der Vergangenheit zur Auflösung von Methanhydraten und damit zur Freisetzung von Methan geführt haben könnten. Diese Indizien, beispielsweise Messungen von Methangehalten in Eiskernbohrungen, werden allerdings immer noch kontrovers diskutiert. Dennoch ist das Thema nicht vom Tisch und beschäftigt die Wissenschaftler heute umso mehr, wenn es darum geht, mögliche Auswirkungen von Temperaturerhöhungen auf die derzeitigen Methanhydratvor kommen abzuschätzen. Methan ist ein starkes Treibhausgas – in seiner Wirkung als Molekül ungefähr 20-mal so stark wie Kohlendioxid. Eine verstärkte Freisetzung aus den Meeren in die Atmosphäre könnte den Treibhaus­effekt weiter ankurbeln. Es muss daher dringend untersucht werden, wie stabil die Methanhydrate in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen sind und wie sich das Methan nach seiner Freisetzung verhält. Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die künftige Entwicklung abzuschätzen, insbesondere die mathematische Modellierung.
2.19 > Gashydrate kommen dort vor, wo viel Biomasse zu Boden sinkt und zugleich niedrige Temperaturen und hohe Drücke herrschen – insbesondere an den Kontinentalhängen. Je höher die Wassertemperatur ist, desto größere Tiefen und Drücke sind für die Bildung des Hydrats nötig. In sehr großer Tiefe jedoch ist die Temperatur im Meeresboden aufgrund der Erdwärme so hoch, dass sich keine Methanhydrate mehr bilden können. © maribus (nach IFM-GEOMAR)

2.19 > Gashydrate kommen dort vor, wo viel Biomasse zu Boden sinkt und zugleich niedrige Temperaturen und hohe Drücke herrschen – insbesondere an den Kontinentalhängen. Je höher die Wassertemperatur ist, desto größere Tiefen und Drücke sind für die Bildung des Hydrats nötig. In sehr großer Tiefe jedoch ist die Temperatur im Meeresboden aufgrund der Erdwärme so hoch, dass sich keine Methanhydrate mehr bilden können.

Die Oxidation Viele Bakterien nutzen Methan als Energielieferant ihres Stoffwechsels. Sie nehmen Methan auf und wandeln es chemisch um. Das Methan gibt dabei Elektronen ab. Es wird oxidiert. Manche Bakterien bauen das Methan mithilfe von Sauerstoff ab. Man spricht dann von aerober Oxidation. Andere Bakterien benötigen keinen Sauerstoff. Die Oxidation ist anaerob.

Computermodelle errechnen zunächst die Methanhydratvorkommen anhand von Hintergrunddaten (Anteil von or­­ga-ni­­schem Material im Meeresboden, Druck, Temperatur). Anschließend wird im Computer die Erwärmung des Meerwassers simuliert – beispielsweise um 1, 3 oder 5 Grad Celsius pro 100 Jahre. So kann man feststellen, wie sich die Methanhydrate in verschiedenen Gebieten verhalten. Natürlich lässt sich die Berechnung der Methanhydratvorkommen auch mit komplizierten mathematischen Klima- und Ozeanmodellen koppeln. Man erreicht damit eine realistischere Abschätzung der Entwicklung der Wassertemperatur, die ins Methanhydratmodell eingespeist wird. Dank dieser Computermodelle bekommt man eine vage Vorstellung davon, wie stark sich die Methanhydrate bei den verschiedenen Temperaturerhöhungen auflösen würden. Heute nimmt man an, dass im schlimmsten Fall bei einer gleichmäßigen Erwärmung des Ozeans um 3 Grad Celsius circa 85 Prozent des im Meeresboden enthaltenen Methans in die Wassersäule freigesetzt werden könnten. Andere, sensitivere Modelle sagen voraus, dass Methanhydrate in größeren Wassertiefen nicht durch Er­­wärmungen gefährdet sind. Gemäß diesen Modellen sind vor allem Methanhydrate betroffen, die sich unmittelbar an der Stabilitätsgrenze befinden. Hier würde schon eine Temperaturerhöhung von nur 1 Grad Celsius ausreichen, um größere Mengen Methan aus den Hydraten zu lösen. Betroffen sind vor allem Methanhydrate im offenen Ozean, die in etwa 500 Metern Wassertiefe liegen, und die in den flachen Bereichen der Arktis lagernden Methanhydrate. Erwartet wird im Zuge der Erderwärmung auch, dass durch das Abschmelzen der Polkappen und des Gletscher­eises der Meeresspiegel steigt. Damit erhöht sich zwangsläufig auch der Druck am Meeresboden. Diese Druckerhöhung wird allerdings nicht ausreichen, um einer Auflösung der Methanhydrate durch Temperaturerhöhungen effektiv entgegenzuwirken. Nach neuesten Berechnungen könnte selbst ein Meeresspiegelanstieg um 10 Meter die durch eine Erwärmung um 1 Grad Celsius bewirkte Methanhydratauflösung lediglich um ein paar Jahrzehnte verlangsamen. Es gibt eine Fülle mathematischer Modelle, mit denen man die Folgen der Erderwärmung abzuschätzen versucht. Entsprechend unterschiedlich sind die Simulationsergebnisse. Es ist daher schwierig, die Folgen der globalen Erwärmung auf die Gashydratvorkommen exakt abzuschätzen – nicht zuletzt wegen der großen Schwankungen in den Berechnungen zur Größe der heutigen Gashydratvorkommen. Ein Ziel aktueller Gashydratforschung ist es, diese Modelle durch immer genauere Eingabeparameter zu optimieren. Hierfür sind weitere Messungen, Expeditionen, Bohrungen und Analysen nötig. >
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