idrato di metano, un materiale simile al ghiaccio fatto di gas naturale compresso, brucia quando acceso e può essere trovato in alcune regioni del fondo marino e nel permafrost artico.

Considerata la più grande fonte mondiale di gas naturale, l'idrato di metano è una potenziale fonte di combustibile, e se si "scioglie" e il gas metano viene rilasciato nell'atmosfera, è un potente gas serra. Per queste ragioni, sapere dove potrebbe trovarsi l'idrato di metano, e quanto è probabile che ci sia, è importante.

Un team di ricercatori dei Sandia National Laboratories e del Naval Research Laboratory degli Stati Uniti ha sviluppato un nuovo sistema per modellare la probabilità di trovare idrato di metano e gas metano che è stato testato in una regione del fondo marino al largo della costa della Carolina del Nord.

Mentre i depositi di idrato di metano sono stati trovati in una varietà di luoghi, ci sono incognite significative in termini di quanto idrato di metano esiste sul fondo del mare e dove. È difficile raccogliere campioni dal fondo marino per trovare depositi di idrato di metano. È qui che entra in gioco l'esperienza di modellazione al computer di Sandia.

"Questa è la prima volta che qualcuno è stato in grado di avvicinarsi alla distribuzione degli idrati di metano nello stesso modo in cui ci avviciniamo alle previsioni meteorologiche, " ha detto Jennifer Frederick, un geoscienziato computazionale e ricercatore capo del progetto. "Quando senti una previsione del tempo per una probabilità del 60% di due pollici di pioggia, non ti aspetti necessariamente esattamente due pollici. Capisci che c'è incertezza in quella previsione, ma è ancora abbastanza utile. Nella maggior parte dei luoghi sul fondo del mare non abbiamo abbastanza informazioni per produrre una risposta esatta, ma abbiamo ancora bisogno di sapere qualcosa sul metano e sulla sua distribuzione. Utilizzando un approccio probabilistico, simile alle moderne previsioni del tempo, possiamo fornire risposte utili".

Il nuovo sistema combina la lunga esperienza di Sandia nella modellazione probabilistica con gli algoritmi di apprendimento automatico del Naval Research Laboratory. Il sistema è stato testato e perfezionato modellando l'area intorno a Blake Ridge, una collina sul fondo del mare da 90 a 230 miglia a sud-est degli Outer Banks della Carolina del Nord con noti depositi di idrato di metano e gas metano.

Il team ha condiviso il proprio modello per Blake Ridge e lo ha confrontato con i dati empirici precedenti in un articolo pubblicato il 14 marzo sulla rivista scientifica Geochimica, Geofisica, geosistemi .

"Previsione" del metano combinando la modellazione dell'incertezza con l'apprendimento automatico

Il modello predittivo globale del fondale marino del Naval Research Laboratory fornisce dettagli specifici del sito sulle proprietà del fondale marino, come la temperatura, concentrazione e pressione complessive di carbonio. Se mancano dati per una determinata regione, il modello del Laboratorio di ricerca navale utilizza algoritmi avanzati di apprendimento automatico per stimare il valore mancante sulla base di informazioni su un'altra area che può essere geograficamente distante ma simile geologicamente.

Il team di ricerca ha importato i dati dal modello del Laboratorio di ricerca navale nel software Sandia, specializzato in campionamento e analisi statistici, chiamato Dakota. Usando Dakota, hanno determinato il valore più probabile per le proprietà influenti del fondale marino, così come la variazione naturale per i valori. Quindi, in modo statistico, hanno inserito un valore da questo intervallo previsto per ogni proprietà in PFLOTRAN, un altro software mantenuto e sviluppato presso Sandia. PFLOTRAN modella il modo in cui le sostanze chimiche reagiscono e i materiali si spostano sottoterra o sotto il fondo marino. Il team ha condotto migliaia di simulazioni di produzione di metano nella regione di Blake Ridge. Tutto il software coinvolto nel sistema è open source e sarà disponibile per l'uso da parte di altri ricercatori oceanografici.

"Una delle cose più importanti che abbiamo scoperto è che non c'è quasi alcuna formazione di idrati di metano a una profondità inferiore a 500 metri, che è prevedibile data la temperatura e la pressione necessarie per formare l'idrato di metano, " disse William Eymold, un borsista post-dottorato a Sandia e autore principale del documento. È noto che l'idrato di metano solido si forma a bassa temperatura, ambienti ad alta pressione in cui le molecole di metano sono intrappolate all'interno di molecole d'acqua ben organizzate.

Il team ha anche scoperto che il gas metano si è formato più vicino alla costa. Sono stati in grado di confrontare il loro modello con i valori di idrato di metano calcolati da studi passati e campioni raccolti alcuni decenni fa dall'Ocean Drilling Program della National Science Foundation, Egli ha detto. Per esempio, L'idrato di metano è stato rilevato in un campione di fondale marino prelevato da un foro praticato su Blake Ridge chiamato Sito 997.

"Il fatto che abbiamo previsto la formazione di idrati di metano in quantità simili a studi e osservazioni precedenti ha mostrato davvero che il sistema sembra funzionare abbastanza bene, e saremo in grado di applicarlo ad altre località geografiche che potrebbero avere meno dati, "Ha detto Eymold.

Importanza del metano per la Marina Militare e prossimi passi

La posizione dei depositi di idrato di metano e gas metano vicino al fondo del mare è importante per la Marina.

"Capire come il suono interagisce con il fondale marino è davvero importante per qualsiasi tipo di operazione navale, " ha detto Frederick. "Il gas metano influisce notevolmente sull'acustica. Anche se solo l'1% o il 2% dello spazio dei pori nel sedimento del fondo marino è riempito con una bolla di gas, la velocità del suono diminuisce di cento volte, o più. Questo è un effetto molto grande, e se non lo spieghi bene, allora non otterrai un'acustica precisa."

Frederick ha paragonato un sottomarino che usa il sonar al primo gioco arcade Breakout, dove un giocatore muove una racchetta orizzontalmente per far rimbalzare una palla e distruggere un muro di mattoni. In questa analogia, il fondale funge da "pala" per riflettere o rifrangere le onde sonore, o la "palla, " per avere una visione completa degli ostacoli nell'oceano. Se la pagaia ha iniziato a far rimbalzare la palla in modo diverso, o si è tenuta sulla palla per periodi di tempo variabili, a seconda di dove si trovava la pagaia, il gioco sarebbe diventato molto più impegnativo.

Finora, il team ha utilizzato il loro sistema per creare modelli di una regione del Mare di Norvegia tra la Groenlandia e la Norvegia e le acque poco profonde dell'Oceano Artico al largo del North Slope dell'Alaska, due aree di interesse per la Marina.

Frederick ha anche lavorato con un ampio team di esperti internazionali per valutare la quantità di metano e anidride carbonica immagazzinata nel basso fondale marino artico, e quanto sarebbero sensibili quei depositi all'aumento delle temperature.

Il team ha anche creato un modello molto più grossolano dell'intero globo e ha iniziato a guardare il Medio Atlantico, dove alcuni anni fa è stato avvistato gas metano gorgogliare dal fondo del mare.

"Sarà interessante vedere se il nostro modello è in grado di prevedere queste regioni di infiltrazioni di metano sul fondo del mare, " Frederick ha detto. "Vorremmo vedere se possiamo prevedere la distribuzione di queste infiltrazioni di metano e se sono coerenti con le proprietà termodinamiche della stabilità del metano-idrato. Quando vedi un'infiltrazione, ciò significa che c'è molto gas sotto il fondo del mare. Ciò avrà un impatto significativo sul modo in cui il suono viaggia attraverso il fondo marino, e quindi sonar. Anche, questi giacimenti potrebbero essere una fonte di gas naturale per la produzione di energia, avrà un impatto sull'ecologia dell'oceano e sui cicli dei nutrienti, e se quel gas raggiunge l'atmosfera, avrà implicazioni sul cambiamento climatico".