Metanhydrat, ett isliknande material tillverkat av komprimerad naturgas, brinner vid tändning och kan hittas i vissa delar av havsbotten och i arktisk permafrost.

Tros vara världens största naturgaskälla, metanhydrat är en potentiell bränslekälla, och om det "smälter" och metangas släpps ut i atmosfären, det är en potent växthusgas. Av dessa anledningar, att veta var metanhydrat kan finnas, och hur mycket är troligt där, är viktigt.

Ett team av forskare från Sandia National Laboratories och U.S. Naval Research Laboratory har utvecklat ett nytt system för att modellera sannolikheten för att hitta metanhydrat och metangas som testades i en region av havsbotten utanför North Carolinas kust.

Medan metanhydratavlagringar har hittats på en mängd olika platser, det finns betydande okända när det gäller hur mycket metanhydrat som finns på havsbotten och var. Det är utmanande att samla in prover från havsbotten för att hitta metanhydratavlagringar. Det är här Sandias expertis inom datormodellering kommer in.

"Det här är första gången någon har kunnat närma sig metanhydratdistribution på samma sätt som vi närmar oss väderprognoser, sa Jennifer Frederick, en beräkningsgeoforskare och ledande forskare i projektet. "När du hör en väderprognos för en 60% chans för två tum regn, du förväntar dig inte nödvändigtvis exakt två tum. Du förstår att det finns osäkerhet i den prognosen, men det är fortfarande ganska användbart. På de flesta platser på havsbotten har vi inte tillräckligt med information för att ge ett exakt svar, men vi behöver fortfarande veta något om metan och dess distribution. Genom att använda ett probabilistiskt tillvägagångssätt, liknande moderna väderprognoser, vi kan ge användbara svar."

Det nya systemet kombinerar Sandias långvariga expertis inom probabilistisk modellering med maskininlärningsalgoritmer från Naval Research Laboratory. Systemet testades och förfinades genom att modellera området runt Blake Ridge, en kulle på havsbotten 90 till 230 miles sydost om North Carolinas Outer Banks med kända avlagringar av metanhydrat och metangas.

Teamet delade sin modell för Blake Ridge och jämförde den med tidigare empirisk data i en artikel som publicerades den 14 mars i den vetenskapliga tidskriften Geokemi, Geofysik, Geosystem .

"Prognostisera" metan genom att kombinera osäkerhetsmodellering med maskininlärning

Naval Research Laboratorys Global Predictive Seafloor Model ger platsspecifika detaljer om havsbottenegenskaper, såsom temperatur, total kolkoncentration och tryck. Om data saknas för en viss region, Naval Research Laboratorys modell använder avancerade maskininlärningsalgoritmer för att uppskatta det saknade värdet baserat på information om ett annat område som kan vara geografiskt avlägset men liknande geologiskt.

Forskargruppen importerade data från Naval Research Laboratorys modell till Sandia-mjukvaran som är specialiserad på statistisk provtagning och analys, kallas Dakota. Använder Dakota, de bestämde det mest sannolika värdet för inflytelserika havsbottenegenskaper, samt den naturliga variationen för värdena. Sedan, på ett statistiskt sätt, de infogade ett värde från detta förväntade intervall för varje fastighet i PFLOTRAN, en annan mjukvara som underhålls och utvecklas på Sandia. PFLOTRAN modellerar hur kemikalier reagerar och material rör sig under jorden eller under havsbotten. Teamet genomförde tusentals simuleringar av metanproduktion av Blake Ridge-regionen. All programvara som ingår i systemet är öppen källkod och kommer att vara tillgänglig för andra oceanografiska forskare att använda.

"En av de största sakerna vi hittat är att det nästan inte finns någon bildning av metanhydrater grundare än 500 meter, vilket är att förvänta med tanke på den temperatur och det tryck som behövs för att bilda metanhydrat, sa William Eymold, en postdoktor vid Sandia och huvudförfattare till tidningen. Fast metanhydrat är känt för att bildas vid låga temperaturer, högtrycksmiljöer där molekyler av metan är fångade i välorganiserade vattenmolekyler.

Teamet fann också att metangas bildades närmare stranden. De kunde jämföra sin modell med metanhydratvärden beräknade av tidigare studier och prover som samlades in för några decennier sedan av National Science Foundations Ocean Drilling Program, han sa. Till exempel, metanhydrat upptäcktes i ett havsbottenprov som tagits från ett hål borrat på Blake Ridge kallat Site 997.

"Det faktum att vi förutspådde metanhydratbildning i liknande mängder som tidigare studier och observationer visade verkligen att systemet verkar fungera ganska bra, och vi kommer att kunna tillämpa det på andra geografiska platser som kan ha mindre data, sa Eymold.

Betydelsen av metan för marinen och nästa steg

Placeringen av metanhydratavlagringar och metangas nära havsbotten är viktig för marinen.

"Att förstå hur ljud interagerar med havsbotten är verkligen viktigt för alla slags marinoperationer, ", sade Frederick. "Metangas påverkar akustiken dramatiskt. Även om endast 1 % eller 2 % av porutrymmet i havsbottensedimentet är fyllt med en gasbubbla, ljudets hastighet minskar hundra gånger, eller mer. Detta är en mycket stor effekt, och om du inte redogör för det ordentligt, då kommer du inte att få exakt akustik."

Frederick jämförde en ubåt som använder ekolod med det tidiga arkadspelet Breakout, där en spelare flyttar en paddel horisontellt för att hålla en boll studsande för att förstöra en mur av tegelstenar. I denna analogi, havsbotten fungerar som "paddel" för att reflektera eller bryta ljudvågor, eller "bollen, " för att få en fullständig bild av hindren i havet. Om paddeln började studsa bollen annorlunda – eller höll fast vid bollen under olika längder av gånger – beroende på var paddeln var placerad, spelet skulle bli mycket mer utmanande.

Än så länge, teamet har använt sitt system för att skapa modeller av en region i Norska havet mellan Grönland och Norge och de grunda vattnen i Ishavet utanför Alaskas norra sluttning, två områden av intresse för marinen.

Frederick har också arbetat med ett stort team av internationella experter för att bedöma mängden metan och koldioxid som lagras i den grunda arktiska havsbotten, och hur känsliga dessa avlagringar skulle vara för stigande temperaturer.

Teamet har också skapat en mycket grövre modell av hela världen och har börjat titta på mitten av Atlanten, där metangas sågs bubbla ut ur havsbotten för några år sedan.

"Det kommer att bli intressant att se om vår modell kan förutsäga dessa regioner av metan sipprar på havsbotten, ", sade Frederick. "Vi skulle vilja se om vi kan förutsäga fördelningen av dessa metan sipprar och huruvida de överensstämmer med de termodynamiska egenskaperna hos metanhydratstabilitet. När du ser ett sipp, det betyder att det finns mycket gas under havsbotten. Det kommer att avsevärt påverka hur ljud färdas genom havsbotten, och därmed ekolod. Också, dessa fyndigheter kan vara en källa till naturgas för energiproduktion, kommer att påverka havets ekologi och näringskretslopp, och om den gasen når atmosfären, det kommer att få konsekvenser för klimatförändringen."