Kunnen we methaan in de atmosfeer afbreken voor een verminderd broeikaseffect?

In de onderste lagen van de atmosfeer kan methaan worden afgebroken door middel van oxidatie. Methaan is een veel sterker broeikasgas dan kooldioxide, en een snellere afbraak zou inderdaad helpen het broeikaseffect te verminderen. Helaas is het lastig om de atmosferische afbraak van methaan te versnellen. De methaanconcentratie in de atmosfeer is te laag om het simpelweg te verbranden via menging met zuurstof. Om een snellere afbraak te bewerkstelligen zouden we meer stikstofoxiden moet uitstoten wat zou leiden tot de productie van ozon. Echter is dit schadelijk voor mens en vegetatie. Er zit dus maar een ding op: het reduceren van menselijke uitstoot.

#Atmosfeer #methaan #CH₄

Methaan (CH₄) is, na kooldioxide (CO₂), het belangrijkste door de mens uitgestoten broeikasgas. Net als bij kooldioxide, neemt de concentratie van methaan in de atmosfeer toe (figuur 1).

197-1.png

Figuur 1: gemiddelde, maandelijkse, wereldwijde methaan (CH₄) concentratie (mol fractie in deeltjes per miljard luchtmoleculen; ppb) in de atmosfeer sinds 1983 (via Earth System Research Laboratories).

In 1985 was de molaire fractie van methaan 1,63 deeltjes per miljoen luchtmoleculen. In 2020 is deze waarde gestegen naar 1,88. We begrijpen niet alles van de groei van de methaanniveaus in onze atmosfeer. In de periode 2000-2006 steeg de hoeveelheid methaan in onze atmosfeer nauwelijks, en we weten niet precies hoe dat kwam. Namen de methaanbronnen af, of was de afbraak (tijdelijk) groter?

Waarschijnlijk was het combinatie van factoren, maar vast staat dat sinds 2006 de hoeveelheid methaan in onze atmosfeer weer toeneemt. De methaanconcentratie stijgt als de jaarlijkse uitstoot groter is dan de jaarlijkse afbraak.

De bronnen van methaan worden gedomineerd door uitstoot als gevolg van menselijk handelen. Van de ongeveer 570 teragram (Tg, 10^12 gram) methaan die jaarlijks wordt uitgestoten, draagt landbouw en afvalverwerking ongeveer 220 Tg bij, en de olie- en gasindustrie ongeveer 110 Tg. Daarnaast wordt er methaan uitgestoten door onder andere bosbranden (30 Tg per jaar), smelten van permafrost en door natuurlijke processen zoals uit moerassen.

De afbraak van methaan vindt voornamelijk plaats door oxidatieprocessen in de atmosfeer. Dit is een langzaam proces, waardoor een methaanmolecuul gemiddeld zo’n 10 jaar in onze atmosfeer verblijft. Een overzicht van methaanbronnen en -sinks is te zien in figuur 2. Methaan sinks zijn (natuurlijke) reservoirs of processen waar CH₄ kan worden afgebroken zodat de concentratie in de atmosfeer af neemt.

197-2.png

Figuur 2: Het methaan budget volgens ‘Global Carbon Project’ (3). Rode/oranje pijlen indiceren menselijke (antropocene) bronnen en groene pijlen natuurlijke bronnen en sinks.

Momenteel is er dus een kleine disbalans tussen uitstoot en afbraak van methaan, waardoor er jaarlijks tussen de 0 en 50 Tg methaan aan het atmosferische reservoir wordt toegevoegd. Als we in staat zouden zijn de afbraak van methaan te versnellen, zou dat inderdaad tot gevolg hebben dat de hoeveelheid methaan gaat afnemen, waardoor het bijbehorende broeikaseffect zou verminderen.

Maar wat kunnen we doen om de afbraak van methaan te versnellen? We moeten dan iets meer begrijpen van atmosferische chemie. “Verbranding” van methaan in de atmosfeer vindt niet plaats zoals is een CV-ketel, waar gas (o.a methaan) wordt verbrand door het te mengen met zuurstof. De concentratie methaan in de atmosfeer is te laag om dit proces te laten verlopen. Het belangrijkste “verbrandingsproces” van methaan is oxidatie door het hydroxyl-radicaal in de onderste lagen van de atmosfeer. Dit radicaal ontstaat uit ozon, in combinatie met ultraviolet zonlicht en waterdamp.

De hydroxyradicalen zijn erg reactief: na vorming leven ze maar ongeveer één seconde. Verreweg de meeste hydroxyradicalen worden gevormd in de tropen, waar veel ultraviolet licht is, en waterdampconcentraties hoog zijn (warme lucht bevat over het algemeen veel meer vocht). We kunnen de afbraak van methaan dus versnellen door de drie ingrediënten van hydroxylvorming te verhogen: meer UV licht, meer ozon, en meer waterdamp.

Omdat de menging van de atmosfeer een beperkende factor is, moet dit op grote schaal plaatsvinden. Grootschalig verhogen van waterdamp is lastig, omdat water snel condenseert en uitregent. Ook het verhogen van de hoeveelheid UV-licht is moeilijk te bewerkstelligen. Blijft over: het verhogen van de concentratie ozon. Dit is echter geen optie die aan te bevelen is. Ozon in de lage atmosfeer is een giftig gas, dat schadelijk is voor mens en vegetatie. Daarnaast is ozon zelf ook een broeikasgas.

Tijdens periodes van windstil weer, gecombineerd met hoge uitstoot van stikstofoxiden en organische verbindingen vindt, ook in onze gebieden, grootschalige vorming van ozon plaats. We spreken dan van fotochemische smog. Ons beleid is er juist op gericht deze vorm van luchtverontreiniging te verminderen. We weten uit studies naar onder andere pluimen van bosbranden dat het grootschalig injecteren van stikstofoxiden en organische verbindingen in de tropische lage atmosfeer leidt tot grootschalige vorming van ozon. De nadelen hiervan wegen niet op tegen het kleine voordeel; dat er meer methaan wordt afgebroken.

Methaanafbraak in bodems

Naast afbraak in de atmosfeer kan methaan ook opgenomen worden in bodems. Met behulp van zuurstof kan methaan afgebroken worden door methanotrofe bacteriën waardoor de concentratie methaan in de atmosfeer afneemt. Deze methaan-sink is weliswaar klein (22±12 Tg per jaar [4]), maar is wel beïnvloedbaar door ons landgebruik.

Stikfstofdepositie als gevolg van intensief landgebruik kan de opname van methaan in de bodems remmen [5]. Tussen 1998 en 2004 heeft dit de methaan-sink in de bodems doen laten afnemen met 26 Tg, goed voor 6.6 ppb CH₄ extra in de atmosfeer [5]. Recent hebben wetenschappers voorgesteld dat, door gedegradeerde landbouwbodems te restaureren, de opname van methaan weer versterkt kan worden [6].

Er wordt meer methaan opgenomen in gematigde bossen, op grofkorrelige bodems (zoals op onze zandgronden), en in voedselarme moerassen met veel veenmossen, maar over de exacte processen is helaas niet veel bekend. Het is belangrijk om zuinig te zijn op onze bossen en hoogvenen en om de stikstofdepositie te reduceren om zo de CH₄-opname in bodems te versterken.

Dan resteert ons nog een ding: het verlagen van de uitstoot van methaan. Hiervoor zijn talloze opties, variërend van het verlagen van verliezen tijdens de productie van olie en gas tot het reduceren van de veestapel.

Hoe kwam dit artikel tot stand?

Deze vraag werd gesteld door Pieter (73), Barneveld

Dit antwoord is geschreven door Maarten Krol

Reviewer: Ko van Huissteden

Redacteur: Evi Wubben

Gepubliceerd op: 28 april 2021

[1] Ed Dlugokencky, NOAA/GML www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends_ch4/

[2] IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 151 pp. https://www.ipcc.ch/report/ar5/syr/

[3] The Global Methane Budget 2000-2017 (2020). Released on 15 July 2020, along with the original peer-reviewed papers as appropriate. www.globalcarbonproject.org/methanebudget

[4] Dutaur, L., and Verchot, L. V. (2007), A global inventory of the soil CH4 sink, Global Biogeochem. Cycles, 21, GB4013. 10.1029/2006GB002734

[5] Zhuang, Q., Chen, M., Xu, K., Tang, J., Saikawa, E., Lu, Y., Melillo, J. M., Prinn, R. G., and McGuire, A. D. (2013), Response of global soil consumption of atmospheric methane to changes in atmospheric climate and nitrogen deposition, Global Biogeochem. Cycles, 27, 650– 663. 10.1002/gbc.20057

[6] Singh, J. S., & Gupta, V. K. (2016). Degraded land restoration in reinstating CH4 sink. Frontiers in microbiology, 7, 923. 10.3389/fmicb.2016.00923