Il metano è meno diffuso nell'atmosfera rispetto all'anidride carbonica (CO2), un altro gas serra, ma presenta sfide più difficili per i ricercatori che tentano di studiarlo.

La maggior parte dei produttori di CO2 può facilmente stimare la propria impronta di carbonio, eliminando la necessità di un monitoraggio accurato. Per esempio, le centrali elettriche che bruciano combustibili fossili sanno, con un alto grado di precisione, quanta CO2 viene prodotta dalle loro operazioni. Per di più, le fonti di CO2 sono facili da definire. La CO2 prodotta dalla combustione del carbone in una fornace viene espulsa dal fumaiolo annesso.

emissioni di metano, al contrario, sono più difficili da quantificare, in parte perché provengono da fonti come oleodotti che perdono il trasporto di gas naturale, materia vegetale in fermentazione all'interno dello stomaco del bestiame, e la decomposizione dei rifiuti nelle discariche. Queste fonti sono considerate "disordinate" dai ricercatori perché numerose variabili determinano la quantità di metano che rilasceranno, e dove. Per esempio, la quantità di metano prodotta dalla decomposizione dei rifiuti in una discarica dipende dal tipo di materiale in discarica e dalle condizioni ambientali locali. Ulteriore, la fonte delle emissioni può essere difficile da definire data l'ampia area che una discarica può coprire.

"Il metano è particolarmente problematico, "dice Paul Wennberg, il R. Stanton Avery Professor di Chimica Atmosferica e Scienze e Ingegneria Ambientale al Caltech.

Wenberg, che è anche il direttore del The Ronald and Maxine Linde Center for Global Environmental Science, sta lavorando con i colleghi di tutto l'Istituto, scienziati e ingegneri allo stesso modo, per studiare il metano e i suoi effetti sul mondo e per sperimentare strumenti e tecniche necessari per identificare, traccia, e caratterizzare il gas e le sue sorgenti.

Metano per impronte digitali

Una molecola di metano è costituita da un atomo di carbonio circondato da quattro atomi di idrogeno. Però, non tutto il metano è creato uguale. Gli elementi hanno in genere più forme isotopiche. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che differiscono per il numero di neutroni nei loro nuclei. Carbonio, Per esempio, ha tre isotopi:carbonio-12, carbonio-13, e il carbonio radioattivo-14. carbonio-12, con sei neutroni oltre a sei protoni, rappresenta quasi il 99% degli atomi di carbonio. Il C-13, molto meno diffuso, ha sette neutroni; C-14, otto. Allo stesso modo, l'idrogeno si presenta in tre forme isotopiche. Di gran lunga il più comune, rappresentando il 99,98 percento degli atomi di idrogeno, è idrogeno-1, o prozio, che ha un solo protone. Idrogeno-2, o deuterio, ha un protone e un neutrone; idrogeno radioattivo-3, trizio, ha un protone e due neutroni. Poiché i neutroni hanno massa, ciascuno di questi isotopi ha un peso diverso.

Una data molecola di metano, poi, può avere uno qualsiasi dei tre isotopi del carbonio e varie combinazioni di isotopi dell'idrogeno, dando a varie molecole di metano pesi diversi. La determinazione di questa composizione isotopica crea una descrizione sempre più granulare di una data molecola di metano, dice John Eiler, Robert P. Sharp Professor di Geologia e professore di geochimica del Caltech.

"Una buona metafora è un'impronta digitale, " dice Eiler. "Se sono in grado di osservare solo una o due forme di una molecola, sarebbe come se la tua impronta digitale avesse solo una o due linee su di essa. Se così fosse, nessun tribunale al mondo ti condannerebbe per aver visto una o due linee ondulate su qualcosa che hai rubato." Con le centinaia di linee modellate in modo univoco di un'impronta digitale completa, però, un tribunale potrebbe pensarla diversamente.

Il laboratorio di Eiler usa uno spettrometro di massa per ottenere questa impronta digitale completa, setacciando gli ioni in base al peso e quindi quantificando i diversi isotopi che trovano. Il team utilizza questa tecnica per esplorare una varietà di argomenti, dal ciclo dell'idrogeno attraverso l'interno della terra ai cicli geochimici dell'acqua su corpi planetari diversi dalla terra.

Con le impronte isotopiche del metano, Eiler può determinare l'origine di un dato campione, ad esempio confrontando il rapporto tra carbonio-13 e carbonio-12 in parti per mille, una figura nota come δ13C, pronunciato "delta tredici C." Più basso è il numero, più carbonio-12 e, perciò, più leggero è il campione. Per esempio, il metano isotopico leggero proviene tipicamente da materia vegetale in decomposizione, mentre il metano rilasciato da fonti geologiche tende ad essere più pesante.

Comprendere le fonti del metano aiuta i ricercatori a sviluppare una conoscenza più approfondita dei processi che generano metano, oltre ad aiutare a individuare le fonti di metano nell'atmosfera e a tracciare le fonti sotterranee di gas naturale combustibile.

Individuazione del metano

Certo, caratterizzare il metano, prima devi essere in grado di trovarlo. In uno studio proof-of-concept condotto la scorsa estate, Christian Frankenberg, che ha un incarico congiunto come professore associato di scienze e ingegneria ambientale al Caltech e ricercatore al JPL, ha condotto uno sforzo per individuare i pennacchi di metano nella regione dei Four Corners degli Stati Uniti utilizzando velivoli a bassa quota.

Il punto caldo del metano nella regione di Four Corners è stato inizialmente rilevato da Eric Adam Kort dell'Università del Michigan, insieme a Frankenberg e colleghi, utilizzando le osservazioni effettuate da un satellite europeo, SCIAMACHIA. Facendo seguito a tale osservazione, una collaborazione di ricercatori del JPL/NASA si è unita alla campagna dei progetti Twin Otter Defining Oil/gas Well emissioNs (TOPDOWN) per sondare la regione con due aerei che volano da uno a tre chilometri dal suolo. Gli aerei erano dotati di spettrometri termici e da onde corte al vicino infrarosso. Questi strumenti vengono utilizzati per identificare e quantificare il metano e altre molecole.

Gli spettrometri sono stati originariamente sviluppati per studiare le proprietà chimiche e fisiche della superficie terrestre (rocce, suolo, e vegetazione) a distanza. Però, si sono rivelati abbastanza sensibili da individuare le fonti di metano entro tre metri.

"Fondamentalmente usiamo male gli spettrometri per ciò che non avrebbero mai dovuto fare, " dice Frankenberg. "È una coincidenza davvero fortunata che funzionino".

Nello studio Four Corners sono state rilevate più di 250 singole fonti di metano. Il dieci percento di quelle fonti, che si sono rivelate principalmente gasdotti che perdevano gas naturale, erano responsabili della metà delle emissioni. Identificare e rintracciare queste perdite, Frankenberg dice, è un vantaggio sia per l'ambiente che per l'industria energetica, poiché arginare le perdite ridurrà sia l'emissione di gas serra sia ridurrà gli scarichi sui profitti dei fornitori di energia.

Lo studio di Frankenberg ha mostrato che i pennacchi di metano possono essere individuati tramite scansioni aeree. Il suo lavoro, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze il 15 agosto apre le porte ai futuri rilevamenti aerei del metano.

"Ciò che vogliamo in futuro è una migliore risoluzione. Linee di assorbimento più strette e focus geografico più ristretto, " che aiuterebbe a definire la posizione e l'impronta isotopica del metano, lui dice.

La prossima generazione

All'avanguardia della tecnologia spettroscopica c'è la spettroscopia a doppio pettine.

La spettroscopia si basa sul fatto che gli atomi assorbono ed emettono luce a diverse lunghezze d'onda.

La spettroscopia a doppio pettine sostituisce gli strumenti convenzionali utilizzati per misurare queste differenze, come interferometri, con due flussi di impulsi ottici, offrendo agli utenti informazioni più dettagliate rispetto alla spettroscopia tradizionale.

Il componente chiave dei sistemi a doppio pettine è il dispositivo necessario per generare quei flussi di impulsi ottici, che attualmente è ingombrante e costoso e quindi non è il tipo di strumento che può essere convenientemente pilotato su aerei per sondaggi come TOPDOWN.

Entra Kerry Vahala, il professore di scienze e tecnologie dell'informazione Ted e Ginger Jenkins e professore di fisica applicata, che ha aperto la strada alla miniaturizzazione degli spettrometri ad alta risoluzione.

Vahala aveva precedentemente sviluppato un risonatore ottico circolare in grado di generare e immagazzinare impulsi di luce chiamati solitoni, onde localizzate che agiscono come particelle. Mentre i solitoni viaggiano nello spazio, mantengono la loro forma piuttosto che disperdersi come le altre onde. I solitoni corrono attorno al risonatore circolare, innescando un impulso di luce emesso ogni volta che passano una certa posizione sul circuito.

Come tale, Vahala aveva i mezzi per creare più generatori di impulsi ottici, ciascuno delle dimensioni di un microchip.

"Idealmente, un sistema di spettroscopia portatile a doppio pettine potrebbe essere implementato sul campo. Però, gli attuali sistemi sono troppo grandi e ingombranti. Quindi abbiamo sostituito il tradizionale generatore di impulsi ottici con un sistema basato su solitoni che può essere miniaturizzato, " lui dice.

Il nuovo sistema basato su solitoni di Vahala è stato presentato sulla rivista Scienza il 9 ottobre ed è la base per una nuova collaborazione con Frankenberg per applicare lo spettrometro a doppio pettine al tracciamento e all'analisi del metano.

"Questo è ciò che facciamo al Caltech, ", afferma Wennberg del nuovo progetto. "Uniamo ricercatori dell'ingegneria e delle scienze e utilizziamo le loro diverse competenze per affrontare grandi problemi da nuove angolazioni".