Новый детектор определяет происхождение метана

Метан — мощный парниковый газ, уступающий только CO₂ по способности удерживать тепло в атмосфере Земли. Он может образовываться в озерах и болотах, газопроводах, глубоководных гидротермальных источниках и в организме скота. Понимание источников и механизмов образования метана позволит ученым лучше оценить его роль в глобальном потеплении.

Теперь научная группа под руководством специалистов из Массачусетского технологического института (MIT), включая коллег из Океанографического института Вудс-Хоул и Университета Торонто, разработала прибор для быстрого и точного анализа образцов природного метана с целью определения его происхождения. Метод, называемый спектроскопией прямого поглощения с перестраиваемым инфракрасным лазером, детектирует соотношение изотопов метана, создающее уникальную "подпись" для различия двух основных источников: микробного (образуется микроорганизмами в болотах или желудках животных) и термогенного (образуется при высокотемпературном разложении органики в недрах Земли).

Исследователи применили эту технику к образцам из озер, болот, подземных вод, гидротермальных источников, желудков коров, а также к метану, полученному от микробов в лаборатории. "Нас интересует вопрос: 'Откуда берется метан?'", — говорит Шухей Оно, доцент геохимии в MIT. — "Если мы сможем определить долю от коров, природного газа и других источников, мы сможем более надежно планировать меры по борьбе с глобальным потеплением". Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Ключевым для определения температуры формирования метана (и, следовательно, его происхождения) стало обнаружение редкой молекулы ¹³CH₃D, содержащей одновременно атом углерода-13 и атом дейтерия. Для этого использовали портативный инфракрасный спектрометр, принципиально отличающийся от классических масс-спектрометрических методов.

Анализ образцов принес неожиданный результат: изотопные соотношения в метане из желудков коров указывали на температуру формирования в 400 °C, что невозможно при реальных ~40 °C. Аналогичные несоответствия были обнаружены в пробах из озер и болот. Это означало, что изотопные отношения — не идеальный индикатор температуры. Вместо этого ученые выявили связь между характеристикой связей углерод-водород в молекуле метана ("комковатостью") и скоростью его образования: чем "комковатее" связь, тем медленнее шел процесс метаногенеза.

"Коровьи желудки производят метан с очень высокой скоростью — до 500 литров в день на корову. Они — гигантские метановые ферментеры, и они производят менее "комковатый" метан по сравнению с медленными геологическими процессами", — объясняет первый автор работы Дэвид Ванг. Это новое понимание было успешно применено для анализа метана из лабораторных культур микробов, а затем — для изучения газа из шахты Кидд-Крик в Канаде (одна из самых глубоких доступных точек на Земле) и двух участков в Калифорнии, где породы мантии взаимодействуют с грунтовыми водами. Происхождение метана в этих местах ранее было неясным. "Теперь у нас есть базовый подход, который можно использовать для изучения формирования метана в различных средах на Земле и за ее пределами", — отмечает Ванг.