Metan, huvudkomponenten i naturgas, är den renaste förbränningen av alla fossila bränslen, men när den släpps ut i atmosfären är den en mycket mer potent växthusgas än koldioxid. Enligt vissa uppskattningar, havsbottenmetan som finns i frusna formationer längs med kontinentala marginaler kan vara lika med eller överstiga den totala mängden kol, olja, och gas i alla andra reservoarer världen över. Än, hur metan flyr från dessa djupa formationer är dåligt förstådd.

Särskilt, forskare har ställts inför ett pussel. Observationer på platser runt om i världen har visat att kraftiga kolonner av metangas bubblar upp från dessa formationer på vissa ställen, ändå borde det höga trycket och låga temperaturen i dessa djuphavsmiljöer skapa ett fast fruset lager som skulle förväntas fungera som en sorts slutsten, förhindrar att gas läcker ut. Så hur kommer gasen ut?

En ny studie hjälper till att förklara hur och varför kolumner av gasen kan strömma ut ur dessa formationer, kallas metanhydrater. Med hjälp av en kombination av djuphavsobservationer, laboratorieförsök, och datormodellering, forskare har hittat fenomen som förklarar och förutsäger hur gasen lossnar från det isiga greppet av en frusen blandning av vatten och metan. Fynden rapporteras idag i tidskriften PNAS , i ett papper av Xiaojing (Ruby) Fu SM '15, Ph.D. '17, nu vid University of California i Berkeley; Professor Ruben Juanes vid MIT; och fem andra i Schweiz, Spanien, New Mexico, och Kalifornien.

Förvånande, inte bara misslyckas den frusna hydratbildningen att förhindra metangas från att fly in i havskolonnen, men i vissa fall underlättar det faktiskt den flykten.

Tidigt på, Fu såg foton och videor som visar plymer av metan, taget från ett NOAA forskningsfartyg i Mexikanska golfen, avslöjar processen för bubbelbildning precis vid havsbotten. Det var tydligt att själva bubblorna ofta bildades med en frusen skorpa runt dem, och skulle flyta uppåt med sina isiga skal som små heliumballonger.

Senare, Fu använde ekolod för att upptäcka liknande bubbelplymer från ett forskningsfartyg utanför Virginias kust. "Enbart den här kryssningen upptäckte tusentals av dessa plymer, säger Fu, som ledde forskningsprojektet medan han var doktorand och postdoc vid MIT. "Vi kunde följa dessa metanbubblor som täcks av hydratskal in i vattenpelaren, " säger hon. "Det var då vi först visste att hydratbildning på dessa gasgränssnitt kan vara en mycket vanlig företeelse."

Men exakt vad som pågick under havsbotten för att utlösa släppet av dessa bubblor förblev okänt. Genom en serie labbexperiment och simuleringar, mekanismerna i arbetet blev gradvis uppenbara.

Seismiska studier av havsbottens underyta i dessa ventilerområden visar en serie relativt smala ledningar, eller skorstenar, genom vilken gasen kommer ut. Men närvaron av bitar av gashydrat från samma formationer gjorde det klart att det fasta hydratet och den gasformiga metanen kunde existera samtidigt, Fu förklarar. För att simulera förhållandena i labbet, forskarna använde en liten tvådimensionell uppsättning, lägga en gasbubbla i ett lager vatten mellan två glasplattor under högt tryck.

När en gas försöker stiga genom havsbotten, Fu säger, om det bildar ett hydratlager när det träffar det kalla havsvattnet, som borde blockera dess framsteg:"Den kör in i en vägg. Så hur skulle den väggen inte hindra den från kontinuerlig migration?" Med hjälp av mikrofluidiska experiment, de hittade ett tidigare okänt fenomen på jobbet, som de kallade crustal fingering.

Om gasbubblan börjar expandera, "Vad vi såg är att expansionen av gasen kunde skapa tillräckligt tryck för att i huvudsak spränga hydratskalet. Och det är nästan som att det kläcks ur sitt eget skal, " säger Fu. Men istället för att varje bristning fryser tillbaka med det reformerande hydratet, hydratbildningen sker längs sidorna av den stigande bubblan, skapar ett slags rör runt bubblan när den rör sig uppåt. "Det är nästan som att gasbubblan kan mejsla ut sin egen väg, och den vägen är omgärdad av det fasta hydratet, " säger hon. Detta fenomen observerade de i liten skala i labbet, deras analys tyder på, är också vad som också skulle hända i mycket större skala i havsbotten.

Den observationen, Hon sa, "var verkligen första gången vi har varit medvetna om ett fenomen som detta som kan förklara hur hydratbildning inte kommer att hämma gasflödet, utan snarare i det här fallet, det skulle underlätta det, " genom att tillhandahålla en kanal och styra flödet. Utan den fokuseringen, flödet av gas skulle vara mycket mer diffust och utspritt.

När skorpan av hydrat bildas, det bromsar bildningen av mer hydrat eftersom det bildar en barriär mellan gasen och havsvattnet. Metanet nedanför barriären kan därför stanna kvar i sin ofrysta, gasform under lång tid. Kombinationen av dessa två fenomen – den fokuserande effekten av de hydratväggiga kanalerna och segregeringen av metangasen från vattnet genom ett hydratskikt – "går långt för att förklara varför du kan ha en del av denna kraftiga ventilering, tack vare hydratbildningen, snarare än att hindras av det, säger Juanes.

En bättre förståelse av processen kan hjälpa till att förutsäga var och när sådana metanläckage kommer att hittas, och hur förändringar i miljöförhållanden kan påverka fördelningen och produktionen av dessa sipprar. Även om det har funnits förslag på att ett uppvärmande klimat skulle kunna öka hastigheten för sådan ventilering, Fu säger att det finns få bevis för det än så länge. Hon noterar att temperaturer på djupen där dessa formationer förekommer - 600 meter (1, 900 fot) djupt eller mer - förväntas uppleva en mindre temperaturökning än vad som skulle behövas för att utlösa ett omfattande utsläpp av den frusna gasen.

Vissa forskare har föreslagit att dessa enorma undervattensmetanformationer en dag kan utnyttjas för energiproduktion. Även om det skulle finnas stora tekniska hinder för sådan användning, Juanes säger, dessa fynd kan hjälpa till att bedöma möjligheterna.

"Problemet med hur gas kan röra sig genom hydratstabilitetszonen, där vi förväntar oss att gasen immobiliseras genom att omvandlas till hydrat, och istället fly vid havsbotten, är fortfarande inte helt förstått, " säger Hugh Daigle, en docent i petroleum- och geosystemteknik vid University of Texas i Austin, som inte var förknippad med denna forskning. "Detta arbete presenterar en trolig ny mekanism som troligtvis kan tillåta denna process att inträffa, och snyggt integrerar tidigare laboratorieobservationer med modellering i större skala."

"I praktisk mening, arbetet här tar ett fenomen i liten skala och låter oss använda det i en modell som bara tar hänsyn till större skalor, och kommer att vara mycket användbar för implementering i framtida arbete, säger Daigle.