Dit is deel vijf van zeven artikelen over kantelpunten in klimaatverandering. Hierin kijken we naar de mogelijke kantelpunten die door methaan worden veroorzaakt.
Methaan (CH4), meer bekend als aardgas, is een sterk broeikasgas en speelt een heel gecompliceerde rol in de klimaatopwarming. Allereerst is het effect van methaan in de atmosfeer niet zonder meer te vergelijken met dat van CO2 en daardoor is het klimaateffect door methaan niet één twee drie te bemeten aan de hand van de jaarlijkse uitstoot. Ten tweede zijn er nogal veel verschillende bronnen waaruit methaan in de atmosfeer terechtkomt.
Natuurlijke herkomst van fossiel methaan
Aardgas dat in diepere geologische lagen zit, is heel erg lang geleden gevormd door bacteriën die zonder aanwezigheid van zuurstof organische stof hebben afgebroken. Het is een proces dat ook nog steeds dagelijks gebeurt en dat men ook in elke slootbodem kan waarnemen door even de modderlaag te beroeren. Dit zelfde proces heeft vele honderden miljoenen jaren op de bodem van zeeën en oceanen en in moerasgebieden plaatsgevonden. Vaak zijn de sliblagen die zijn gevormd door afgestorven algen en andere planten afgedekt met klei of zand en door het dalen van de zeebodems zitten er op talloze plaatsen diep in de aarde miljarden m3 gas opgesloten. In 2017 werd de globale gasreserve geschat op 200 x 10 12 m3 vergelijkbaar met 100 keer het geschatte volume van de Groningse gasbel in 1963.
Dit gas kan ontsnappen in aardbevingsgebieden langs de kustlijn van Noord en Zuid Amerika, Japan en Indonesië en op vele andere plaatsen waar de continenten over en onder elkaar schuiven. Dicht bij vulkanen ontstaan vaak zogenaamde moddervulkanen en warme bronnen doordat kokend water een laag modder waarin zich gas bevindt omhoogstuwt. Er zijn ruim duizend dergelijke moddervulkanen op land of in ondiepe zeeën gelokaliseerd, maar waarschijnlijk zijn er wel tien keer zoveel langs de diepere hellingen en zeebodems. Schattingen over de hoeveelheid fossiel aardgas die daaruit naar de atmosfeer ontsnapt, lopen zeer uiteen, maar een hoeveelheid van 30 à 40 Mt per jaar lijkt goed mogelijk.
Het betreft hier fossiel aardgas en bronnen waar we niet schuldig aan zijn en ook niets aan kunnen doen. Een andere bron van fossiel aardgas ontstaat door olie- en gasboringen en door lekkende gasleidingen. Deze hoeveelheid kan wel 30 % van de totale uitstoot naar de atmosfeer zijn dus circa 200 Mt, maar omdat de opgaves niet zuiver zijn en onbetrouwbaar, kan het ook meer zijn.
Actuele bronnen
Andere bronnen van methaan zijn van recente aard. Dit zijn de natte graslanden en moerassen, waaronder ook de sawa’s waar rijst verbouwd wordt. Deze bronnen zijn nog steeds actief en zouden bij elkaar ook 30 % bijdragen aan de totale uitstoot.
De grootste actuele bron van methaan bevindt zich in het maag/darmstelsel van herkauwers zoals koeien en schapen. De vertering van gras gebeurt daar mede door bacteriën die methaan produceren en dit gas wordt via de mond opgeboerd en via winden en mest uitgescheiden. In totaal zou dit voor 40 % bijdragen aan de wereldwijde emissie.
Relatief kleine andere bronnen zijn afvalstortplaatsen, rioolwaterzuiveringen en termieten. Alles bij elkaar wordt de totale methaanuitstoot geschat op bijna 600 Mt per jaar.
De meeste methaanemissies zijn niet direct een gevolg van een warmer klimaat en vormen dus geen versterkende factor die als een positieve terugkoppeling kan worden beschouwd. Voor twee bronnen is dat wel het geval. Dat is het vrijkomen van methaan-ijs of methaanhydraat door opwarming van zeebodems langs de noordkust van Siberië en het vrijkomen van methaan door het ontdooien van de permanent bevroren bodems, de zogenaamde permafrost.
Vrijkomen van methaanhydraat
Bij lage temperatuur en op grote diepte is de druk zo hoog dat aardgas wordt omgezet tot methaan ijs (methaanhydraat of methaan clathraat). Dit is een vaste stof bestaande uit waterkristallen waarin methaan zit opgesloten. Grote hoeveelheden daarvan bevinden zich langs de kust van Alaska, Noord Canada en Siberië.
Methaanhydraat ziet er uit als ijs, maar zodra de druk wordt verlaagd en/of temperatuur verhoogd, ontsnapt het methaan, zodat je het “ijs” kunt laten branden. De hoeveelheid op aarde wordt geschat tussen 1 en 5 x 1015 m3 overeenkomend met 500 tot 2500 Gigaton koolstof.
Alleen als het vrijkomen van gas uit methaanhydraat direct of indirect een gevolg is van de temperatuurverhoging door klimaatverandering is er sprake van een sterke positieve terugkoppeling Methaan kan uit methaanhydraat vrijkomen als een bovenliggende afdeklaag van ijs ontdooit. Het kan ook vrijkomen doordat een warme golfstroom de temperatuur van een laag met methaanhydraat doet stijgen.
Indien slechts 5 Gt methaan, dus slechts 1 tot 0,2 % van de gigantische hoeveelheid methaanhydraat in de aarde, plotseling zou vrijkomen zou dit bij gelijke verdeling over de aarde een verdubbeling van de hoeveelheid methaan in de atmosfeer geven. Het ontsnappen van gasbellen kan bovendien de afdekkende aardlaag destabiliseren waardoor er nog meer gas kan vrijkomen.
Door chemische reacties in de atmosfeer zal deze hoeveelheid na een tiental jaren weliswaar weer voor ongeveer de helft zijn verdwenen, maar over een periode van 20 tot 50 jaar zullen de hogere concentraties het broeikaseffect enorm versterken. Dit idee, gelanceerd omstreeks 2003, staat bekend als de clathrate gun hypothese. Volgens de wetenschappers achter Arctic News dreigt door de combinatie van minder oppervlak van zee ijs, minder opname van smeltwarmte en sterk verlaagd Albedo van open water, de warme Noord Atlantische golfstroom haar invloed te kunnen gaan uitbreiden naar plaatsen op een paar honderd meter diepte voor de kust van Siberië waar veel methaanhydraat ligt opgeslagen.
Piekwaarden van methaan tot 2,7 ppm op ongeveer 9 km hoogte in de atmosfeer boven het Arctisch gebied, vergeleken met de gemiddelde waarde van 1,8 ppm zouden er op duiden dat er al regelmatig grote hoeveelheden vrijkomen.
Tegenstanders van de hypothese menen dat het een overdreven doemscenario is omdat het meeste methaanhydraat diep in de oceaanbodems zit opgesloten en dat lagen op enkele honderden meters diepte niet zo maar snel zullen opwarmen. Ook zou het gas vanuit grote diepte op weg naar de oppervlakte in water oplossen en door bacteriën worden omgezet tot CO2 voordat het in de atmosfeer terechtkomt. Dat er voortdurend gasbellen uit de Arctische zeebodem opstijgen is volgens de tegenstanders niets nieuws en gebeurt al vele duizenden jaren. De hoeveelheden zouden bij lange na niet in de buurt komen van 5 Gt.
Ontdooien van de permafrost
In Siberië, Alaska en Canada bevinden zich grote oppervlaktes waar de bodem tot op een diepte van 80 meter permanent is bevroren, de zogenaamde permafrost. Men schat de totale oppervlakte op 23 miljoen km2, dat is 2,3 keer de oppervlakte van de VS. In die dikke bodemlaag bevindt zich onverteerde organische stof en methaangas, soms in de vorm van methaanhydraat. Men schat dat in totaal 1600 Gt koolstof in die laag aanwezig is.
De bovenste laag van deze gebieden kan in de zomer ontdooien en bevriest weer in de winter. Het oppervlak waarbij de bovenlaag zomers ontdooit neemt de laatste jaren sterk toe. Die dooi kan zich op langere termijn voortzetten naar beneden. Als de organische stof ontdooit, kunnen bacteriën dit omzetten tot methaan. De hoeveelheid methaan die hierdoor elk jaar vrijkomt is natuurlijk zeer moeilijk te schatten.
Het IPCC Special report on the ocean and cryosphere schat dat als we niets doen aan de uitstoot van broeikasgassen er tot het jaar 2100 tussen 10 en 100 Gt methaan kan vrijkomen. De ruime marge geeft aan dat er veel onzekerheid bestaat over de te verwachten hoeveelheid. Als dat geleidelijk gebeurt kan het bij de hoogste schatting 1,25 Gt per jaar zijn. Dit is ruim twee keer zo veel als de huidige totale methaanuitstoot van circa 600 Mt per jaar en het betreft geen éénmalige uitstoot maar zal nog vele jaren door kunnen gaan.
Op diverse plaatsen in de permafrostgebieden ontstaan de laatste tien jaar steeds meer verzakkingen en kraters waar smeltwater in loopt zodat er uiteindelijk meren ontstaan. Men heeft waargenomen dat in die smeltmeren veel meer methaan vrijkomt dan elders in de ontdooiende permafrost. Een betrouwbare schatting van de hoeveelheid die daardoor in totaal vrijkomt is op dit moment nog niet te maken.
Tegenover de toename van methaan vanuit de permafrost gebieden staat dat er mogelijk ook weer CO2 zal worden vastgelegd doordat de toendra vegetatie zich naar het Noorden uit zal breiden. De kans dat dit het effect van methaan voldoende kan compenseren wordt klein geacht.
Bijdrage van atmosferisch methaan aan klimaatopwarming
De totale hoeveelheid methaan die door natuurlijke en door de mens veroorzaakte bronnen naar de atmosfeer gaat, wordt geschat op bijna 600 Mt/jaar. Daar staat echter tegenover dat methaan ook weer vrij snel uit de atmosfeer verdwijnt. De belangrijkste oorzaken daarvoor zijn diverse chemische reacties met zuurstofradicalen in de atmosfeer waarbij methaan uiteindelijk tot CO2 wordt omgezet.
Voor de klimaatverandering via het broeikasgaseffect is het niet zozeer van belang hoeveel er in- en uitgaat, zolang er maar geen toename van de concentratie in de atmosfeer optreedt. Deze concentratie vertoont sinds de industriële revolutie vanaf het jaar 1800 echter wel een aanzienlijke stijging van 700 naar 1866 ppb. Dit komt overeen met ongeveer 6 Gt die extra in de atmosfeer aanwezig is. Een verhoging met 6 Gt na 200 jaar komt neer op een gemiddelde verhoging van de hoeveelheid die in de atmosfeer aanwezig is met 30 Mt per jaar. Bij een jaarlijkse uitstoot van bijna 600 Mt ton betekent dit dat de jaarbalans slechts licht verstoord is, maar het effect op langere termijn is desondanks ernstig.
Om het effect van de concentraties te beoordelen moeten we er van uitgaan dat de concentraties omstreeks het jaar 1800 bij aanvang van de industriële revolutie nog geen klimaatverandering veroorzaakten. Omdat methaan in de atmosfeer wel 150 keer zo veel warmte absorbeert als CO2, is een toename sinds 1800 met 1200 ppb ofwel 1,20 ppm te vergelijken met het effect van 180 ppm CO2. Vergeleken met de toename van CO2 zelf met 134 ppm sinds 1800 (van 280 naar 414 ppm ) is de toename van het broeikaseffect sinds het jaar 1800 door methaan dus ruim 1,3 keer zo groot als alleen door CO2.
Zou hier plotseling of binnen een tijdsbestek van enkele jaren 6 Gt methaan bijkomen, dan zou de concentratie gedurende een tiental jaren tot ongeveer twee keer zo hoog blijven. De gemiddelde temperatuur op aarde zou daardoor ruim 1,5 keer zo snel kunnen stijgen als nu al het geval is. Als dit slechts eenmalig gebeurt zal het effect echter ook weer snel afnemen.
Een verhoging van de uitstoot
De afweging van de bijdrage van methaan aan de klimaatopwarming wordt meestal op een andere manier gemaakt. Men vergelijkt dan de jaarlijkse emissie van 33 Gt CO2 met die van 576 Mt methaan. Daarbij rekent men op grond van de halveringstijd van methaan over een bepaalde periode de gemiddelde concentratie in de atmosfeer om tot CO2 equivalenten. Men gebruikt dan dus niet de factor 150 voor de daadwerkelijke concentratie in de atmosfeer maar een factor 85 over de eerste 20 jaar of een factor 28 over de eerste 100 jaar.
Voor de eerste 20 jaar zou dan de bijdrage van methaan bijna 1,5 keer zo groot zijn als die van CO2 en 60 % van het totaal, en over 100 jaar gerekend zou de bijdrage van methaan 0,5 keer zo groot zijn als die van CO2 en 33 % van het totaal. Dat geldt dan voor de huidige emissie hoeveelheden. Komt daar door het ontdooien van permafrost gedurende vele jaren 1,25 Gt methaan per jaar bij, dan zal de concentratie CO2 equivalenten verdrievoudigen en zal de opwarming ook ongeveer twee tot drie keer zo snel kunnen gaan.
Deze omrekening via CO2 equivalenten is een modelmatige benadering voor emissies en kan niet toegepast worden op de daadwerkelijk gemeten concentraties in de atmosfeer. Bovendien wordt daarbij geen correctie toegepast voor de beginwaardes rond 1800 die nog geen klimaatopwarming veroorzaakten.
Samenvatting
Hoewel er tientallen natuurlijke en door de mens veroorzaakte bronnen zijn voor methaanemissies, zijn er slechts twee die leiden tot een positieve terugkoppeling van de klimaatopwarming. Dit zijn de methaanhydraten die langs het continentaal plat van Siberië op circa 300 meter diepte liggen en die door warm water van de Noord Atlantische golfstroom versneld zouden kunnen gaan ontleden. De tweede bron is methaan uit de dooi van permafrostgebieden van Alaska en Siberië. Voor beide bronnen geldt dat de hoeveelheden enorm groot zouden kunnen worden. Voor beide bronnen geldt ook dat het meten van de huidige emissies en de voorspelling over de toekomstige uitstoot buitengewoon moeilijk is.
Bovendien is de uitstoot niet zomaar te vertalen naar een concentratie in de atmosfeer. De meest betrouwbare aanwijzingen komen uit satellietwaarnemingen waarbij de actuele concentraties in de atmosfeer worden gemeten. Sinds 1960 is het gehalte methaan in de atmosfeer meer dan verdubbeld van 800 ppb naar 1830 ppb en dit draagt daarmee voor ongeveer 1/3 bij aan het broeikaseffect. Ten opzichte van de concentraties in het jaar 1800, waarin nog geen klimaatopwarming door de mens werd veroorzaakt, draagt de verhoging van methaan 1,3 keer zo veel bij aan de opwarming als de verhoging van CO2. Hoewel op grond daarvan niet kan worden voorspeld wat er in de komende tientallen jaren gaat gebeuren, is de trend zeer verontrustend.
Samen bepalen we de richting van de toekomst, elke dag weer. Koelen we het klimaat weer af? Blijven we veilig? Maken we de samenleving eerlijker? Als je kunt, help dan mee. Steun ons als lid of donateur. Want zonder voldoende ondersteuners redden we het niet. Dank je wel.
Wil je ons liever eerst een tijdje volgen? Meld je dan hier aan voor de gratis nieuwsbrief.
Alvast bedankt - en blijf veilig en gezond!
Team Duurzaamnieuws
