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Brennendes EisMethanhydrat am Meeresgrund

Riesige Energiereserve oder Zeitbombe – im Boden bestimmter Meeresregionen haben sich Wasser und Methan aus organischen Ablagerungen zu einer brennbaren Form von Eis vereinigt. Insgesamt speichern diese Methanhydrate mehr Energie als alle fossilen Brennstoffvorräte. Doch wenn sie sich bei einer globalen Erwärmung zersetzen, könnte das entweichende Methan als Treibhausgas die Erde noch mehr aufheizen.


Es war ein spannender Moment, als sich der mächtige videogesteuerte Greifer öffnete und auf das Arbeitsdeck von FS Sonne schüttete, was er vom Boden des Pazifiks heraufgeholt hatte. Aus dem dunklen Schlamm leuchtete schneeweiß eine Substanz, die wie Brausepulver schäumte und dabei zusehends schmolz. Wer, wie drei von uns, bei der 110. Forschungsfahrt des deutschen Forschungsschiffs unter Leitung des Forschungszentrums für marine Geowissenschaften (Geomar) der Universität Kiel die Szene miterlebte, wird sie wohl kaum je vergessen.

An diesem 12. Juli 1996 hatten wir einen unterseeischen Bergrücken rund 100 Kilometer vor der Küste des US-Staates Oregon mit dem Video-Schlitten inspiziert. Dabei waren in 785 Meter Wassertiefe eigenartige helle Flecken aufgefallen (Bild Seite 70 oben). Ihr Anblick versetzte uns in freudige Erregung: Handelte es sich vielleicht um Methanhydrat – jene ausgefallene, eisartige Verbindung von Wasser und Sumpfgas, die unter dem hohen Druck am Meeresgrund stabil ist, sich unter Normalbedingungen an der Erdoberfläche aber schnell zersetzt? Durch seismische Untersuchungen wie auch durch Bohrungen war in dieser Region solches Hydrat bereits nachgewiesen worden.

Gewißheit konnte nur eine Bodenprobe bringen. Und so wurde eilends der Greifer in die Tiefe gelassen. Schon beim Hieven der Fracht bestätigte sich der Verdacht: Eine im Greifer angebrachte Videokamera zeigte, wie sich ab etwa 300 Meter Wassertiefe Gasblasen aus dem Sediment lösten. Beim weiteren Aufstieg wurden es immer mehr; sie eilten dem Greifer voraus und brachen sprudelnd durch die Wasseroberfläche.

Wieviel Methanhydrat würde noch unzersetzt auf dem Schiff ankommen? Es war mehr als genug. Den rasch zupackenden Forschern gelang es, rund einen Zentner der brausenden Brocken in alle verfügbaren Tiefkühlgefäße einzusammeln, wo flüssiger Stickstoff sie vor weiterem Zerfall bewahrte. Am Ende waren sogar noch Stücke für eine ungewöhnliche Demonstration übrig – man brauchte nur ein Streichholz an die weißen Klumpen zu halten, und das Hydrat begann dank seines Methangehalts mit rötlich leuchtender Flamme zu brennen (Bild auf Seite 63); zurück blieb eine Wasserpfütze.

Es war die mit Abstand größte Menge an Methan- oder allgemein Gashydrat, die bis dahin aus den Tiefen der Ozeane geborgen werden konnte. Die reiche Ausbeute verdankten wir dem großen Greifer, der unter Videokontrolle an der richtigen Stelle zulangte, und einer relativ schnellen Bergung aus nicht allzu großer Wassertiefe. Zuvor hatten Roger Sassen von der Texas A&M University in College Station und seine Mitarbeiter zwar schon im Golf von Mexiko Hydrat an der Oberfläche des Meeresbodens gesehen, aber nicht in größeren Mengen heraufholen können. Auch sonst war es nur gelegentlich gelungen, winzige Stücke des brennbaren Eises aus dem Meeresboden in die Hand zu bekommen.

Dabei sind Gashydrate keine Rarität, im Gegenteil: Wie sich in jüngerer Zeit immer deutlicher gezeigt hat, kommen sie weltweit in riesigen Mengen vor (Bild auf Seite 66 oben). Noch sind die Schätzungen, wieviel davon unter dem Meeresspiegel verborgen liegen, relativ unsicher und gehen daher weit auseinander. Doch halten die meisten Fachleute nicht für übertrieben, was Keith Kvenvolden vom US Geological Survey in Menlo Park (Kalifornien) vermutet: daß in marinen Gashydraten über doppelt soviel Kohlenstoff gebunden ist wie in allen bekannten Erdgas-, Erdöl- und Kohlevorkommen der Erde zusammen (Bild auf Seite 66 unten).

Genauere Angaben für ein begrenztes Gebiet lieferten Gerald Dickens und seine Mitarbeiter an der Universität von Michigan in Ann Arbor. Sie untersuchten 1997 Bohrkerne, die im Rahmen des Tiefseebohrprojekts ODP (Ocean Drilling Program) in speziellen Druckbehältern aus dem Meeresgrund geborgen worden waren. Für ein Areal von 26000 Quadratkilometern auf dem Blake Ridge, einem Sedimentrücken vor der Südostküste der USA, kamen sie auf 35 Gigatonnen Kohlenstoff. Dies entspricht dem 105fachen des Erdgasverbrauchs der Vereinigten Staaten von 1996.

In den Ozeanen liegt somit ein ungeheurer Energieschatz, der sich allerdings nur sehr schwer heben läßt. Zugleich ist er potentiell hochbrisant: Zersetzt sich nur ein kleiner Teil der Gashydrate auf natürlichem Wege, werden gigantische Mengen an Methan frei. Dieses Gas erzeugt pro Molekül einen fast 30mal so starken Treibhauseffekt wie Kohlendioxid, dessen Anreicherung in der Atmosphäre durch die exzessive Nutzung fossiler Brennstoffe Thema großer internationaler Klimaschutzkonferenzen ist. Methan (CH4) bleibt zwar nur relativ kurz in der Lufthülle – im Durchschnitt zehn Jahre –, doch es verschwindet nicht spurlos: Durch Oxidation verwandelt es sich seinerseits in Kohlendioxid (CO2).

Außerdem können Gashydrate in den Meeresböden, wenn sie sich zersetzen, Kontinentalhänge ins Rutschen bringen – was vor 8000 Jahren vermutlich vor Norwegen geschah. Und da sie schließlich gewaltige Mengen an Kohlenstoff speichern, sind sie auch ein bedeutsames Glied im globalen Kreislauf dieses wichtigen Grundelements allen Lebens.

Seit fast einem Jahrzehnt zählen Gashydrate deshalb zu den Forschungsschwerpunkten bei Geomar. Auf rund einem Dutzend Fahrten mit Forschungsschiffen haben Mitarbeiter des Instituts in verschiedenen Teilen der Welt den massiven und gleichzeitig so labilen Vorkommen nachgespürt, deren Ausmaß und Bedeutung die Wissenschaft erst jetzt in vollem Umfang erkennt.

Dabei hat der englische Chemiker und Physiker Sir Humphry Davy schon 1811 das erste Gashydrat beschrieben: eine eisartige Substanz aus Wasser und Chlor. Lange Zeit blieben diese Verbindungen eine Domäne von Theoretikern, die über ihre Zusammensetzung und physikalische Struktur diskutierten. Seit Mitte dieses Jahrhunderts weiß man, daß die Gasmoleküle im Kristallgitter des gefrorenen Wassers wie in winzigen Käfigen sitzen (Bild auf Seite 67 unten). Chemisch handelt es sich somit um Käfigverbindungen oder Clathrate (nach lateinisch clatratus: eingekapselt).

Im Unterschied zu normalem Eis mit seiner hexagonalen Struktur kristallisieren Gashydrate meist in zwei Varianten des kubischen Systems. Die eine kann kleine Gasmoleküle wie Methan, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff aufnehmen; die andere bildet größere Hohlräume, in die auch längerkettige Kohlenwasserstoffe bis Pentan hineinpassen.

Die Eiskäfige sind imstande, erstaunliche Mengen Gas zu speichern. Aus einem einzigen Kubikzentimeter Methanhydrat etwa werden beim Schmelzen bis zu 164 Kubikzentimeter Methan freigesetzt. Die einzelnen Käfige können zudem unterschiedliche Moleküle aufnehmen. So enthielt das von FS Sonne geborgene Hydrat außer Methan 1 bis 2 Prozent Schwefelwasserstoff, der wie faule Eier stinkt und giftig ist; deshalb trugen die Wissenschaftler beim Einsammeln der weißen Klumpen Gasmasken (Bild oben).

Über 100 Jahre nach ihrer Entdeckung stießen Gashydrate auch außerhalb des Labors auf Interesse. In den dreißiger Jahren zeigte sich nämlich, daß sie für Transportprobleme in Gaspipelines verantwortlich waren. In den sechziger Jahren wurden dann die ersten natürlichen Vorkommen entdeckt: in den Permafrostgebieten Sibiriens und Nordamerikas.

Auf Hinweise, daß auch Meeresböden Methanhydrat enthalten könnten, stießen in den siebziger Jahren die Geophysiker George Bryan und John Ewing vom Lamont-Doherty Geological Observatory. Bei seismologischen Untersuchungen am Blake Ridge entdeckten sie einen ungewöhnlichen Reflektor, an dem die seismischen Wellen zurückgeworfen wurden: Er folgt rund 600 Meter unter dem Meeresboden der Kontur des Rückens. Als Erklärung bot sich eine Methanhydrat-Schicht an, deren Untergrenze dieser Bottom Simulating Reflector (BSR) nachzeichnet. Tatsächlich gelang es 1980 mit dem Tiefseebohrschiff Glomar Challenger, durch eine Bohrung auf dem Blake Ridge ein winziges Stück Methanhydrat zutage zu fördern.

Der Reflektor wurde danach in Ozeanen rund um die Erde nachgewiesen und kartiert. Eingehendere Untersuchungen ergaben, daß er besonders stark ausgeprägt ist, wenn sich freies Methan unter Sediment staut, das vom Hydrat zementiert und abgedichtet ist. Bohrungen bestätigten den Zusammenhang zwischen BSR-Strukturen und Methanhydrat-Vorkommen. Zwar gelangt die eisartige Verbindung im Bohrkern nur selten unzersetzt zum Schiff. Doch zerfallenes Hydrat offenbart sich unter anderem durch hohe Methangasgehalte und eine Abnahme der Chloridkonzentration im Porenwasser.

Damit sich Methanhydrat in den Ozeanen bilden kann, müssen vier Dinge zusammenkommen:

‰ Methan, in der Regel aus der Zersetzung organischer Substanz;

‰ Wasser, das an dem Gas übersättigt ist;

‰ tiefe Temperaturen von höchstens einigen Grad über dem Gefrierpunkt;

‰ hoher Druck, wie er ab 500 Meter Wassertiefe herrscht.

Diese vier Bedingungen sind vor allem an den Kontinentalhängen erfüllt, wo der Meeresboden vom relativ flachen Schelf zur Tiefsee abfällt. Dort findet sich in fast allen Ozeanen eine Methanhydrat-Schicht, die vom Boden etliche hundert Meter ins Sediment hinabreichen kann. An ihrer Untergrenze führt Wärme, die aus dem Erdinneren aufdringt, zum Zerfall des Hydrats und zur Ansammlung von Methan. Die Position der Methanhydrat-Zone bleibt, gleiche Bedingungen vorausgesetzt, auch bei Ablagerung weiterer Sedimente in etwa konstant. Während sich oben nämlich neues Hydrat bildet, schmelzen die unteren Partien ab. Dadurch wandert die Hydratlage aufwärts durch die später abgelagerten Sedimentschichten und hinterläßt Spuren früherer Gashydrathorizonte.

In der Tiefsee mangelt es an organischer Substanz und damit an Methan im Sediment; in flachen Schelfmeeren wie der Nordsee dagegen ist der Druck nicht hoch und die Temperatur nicht tief genug. Doch es gibt Ausnahmen: In polaren Schelfgebieten, wo der vergleichsweise niedrige Druck bei geringer Wassertiefe durch frostige Temperaturen kompensiert wird, findet sich das brennbare Eis auch im Flachwasser. Andererseits können die Voraussetzungen zur Hydratbildung auch in vergleichsweise tiefem Wasser erfüllt sein, wenn etwa in ein Randmeer reichlich Sedimente mit hohem Gehalt an organischem Material eingetragen werden.

Mitarbeiter von Geomar haben in all diesen Meeresbereichen Methanhydrate erforscht – vor allem auch im Hinblick auf ihre Stabilität. Als besonders ertragreiches Operationsgebiet erwies sich die Cascadia-Subduktionszone vor der Küste von Oregon. Dort ist der Meeresboden stellenweise über mehrere hundert Quadratmeter mit Hydrat geradezu gepflastert, das häufig von Bakterienmatten überzogen ist. An diesem aktiven Kontinentalrand schiebt sich die Juan-de-Fuca-Platte, deren Oberfläche ein kleines Stück Meeresboden im Nordost-Pazifik bildet, mit einer Geschwindigkeit von 4,5 Zentimetern pro Jahr unter die Nordamerikanische Platte. Dabei werden die von der abtauchenden Platte herantransportierten Sedimente durch die obere Platte teilweise abgeschert, in Falten gelegt oder in Schuppen mehrfach übereinandergestapelt. Sie bilden einen an die Nordamerikanische Platte angelagerten Akkretionskeil. Im Untersuchungsgebiet hat er die Form mehrerer Rücken, die annähernd parallel zur Küste verlaufen.

Die Cascadia-Subduktionszone ist heute eines der klassischen Gebiete zum Studium der Prozesse an einem aktiven Kontinentalrand – Prozesse, die mit Erdbeben und Vulkanismus verbunden sind, aber auch mit Gebirgsbildung. Gashydrate erwiesen sich als entscheidender Faktor zum Verständnis vieler Vorgänge in den oft keilförmigen Akkretionskomplexen. Folgerichtig hat das United States Board of Geographical Names für den speziell untersuchten Rücken, der wegen seiner Lage zur abtauchenden Platte ursprünglich einfach als zweiter Akkretionsrücken bezeichnet worden war, auf Antrag von Geomar im Januar 1998 den Namen Hydrate Ridge (Hydratrücken) vergeben.

Unter dem tektonischen Druck werden die Poren der Sedimente zusammengepreßt und die darin enthaltenen Wässer und Gase ausgequetscht. In sogenannten Cold Vents, an denen im Gegensatz zu den Hot Vents der mittelozeanischen Spreizungszonen keine wesentlich erhöhten Temperaturen herrschen, treten Gase und Fluide (mit Salzen und Gasen beladene Flüssigkeiten) aus dem Meeresboden aus. Einer von uns (Suess) hat diese kalten untermeerischen Quellen 1984 mit dem amerikanischen Tauchboot Alvin in der Cascadia-Subduktionszone erstmals beobachtet und dokumentiert; mittlerweile haben sie sich als weitverbreitetes und charakteristisches Phänomen in Subduktionszonen herausgestellt.

Chemische Analysen von Ventwasser-Proben ergaben, daß es sich nicht allein um direkt aufgestiegenes Porenwasser handeln kann; dafür ist der Salzgehalt zu gering. Dem Porenwasser wurde offenbar Schmelzwasser aus Hydrat zugemischt, das wie normales Eis aus Süßwasser besteht.

Unter dem andauernden Druck der abtauchenden Platte wölben sich die Rücken auf, und im Untergrund kommt es zu Auf- und Überschiebungen von Sedimentpaketen. An solchen Verwerfungen, die mit Gashydrat gefüllte Sedimentschichten durchschneiden, quellen Fluide und Gase aus der Tiefe empor und erwärmen dabei die Umgebung. Dadurch werden die Hydrate instabil; sie setzen Süßwasser sowie Methan und in geringeren Mengen Schwefelwasserstoff und Ammoniak frei.

Von der Oxidation dieser Verbindungen zu Kohlendioxid, Sulfat und Nitrat lebt eine reiche chemoautotrophe Bakterienflora. Die Mikroben versorgen ihrerseits Muscheln und Bartwürmer, mit denen sie in Symbiose leben, mit den notwendigen Nährstoffen. Die Bakterien sitzen in speziellen Geweben in den Kiemen oder im Trophosom, einer Umbildung des Darmtraktes. Als Gegenleistung erhalten sie Sauerstoff, den Muscheln und Würmer heranstrudeln. Kolonien dieser charakteristischen Fauna sind ein Kennzeichen für Cold Vents, die sich als Oasen des Lebens vom sonst nur spärlich besiedelten Meeresboden abheben.

Im Jahre 1997 berichtete Charles Fisher von der Pennsylvania State University über Würmer, die sich sogar direkt im Methanhydrat niederlassen. Bei einem Tauchgang im Golf von Mexiko beobachtete er in 700 Meter Tiefe zwei bis fünf Zentimeter lange rosafarbene Polychäten (Vielborster), die dicht an dicht Wohnhöhlen ins Hydrat geschmolzen hatten (Bild auf Seite 71). Diese bis dahin unbekannte Art Hesiocaeca methanicola kooperiert ebenfalls mit Bakterien und nutzt so das Angebot an Methan.

Unsere Untersuchungen an dichtbesiedelten Vents haben ergeben, daß dort durch die freigesetzten Gase ein enormer Stoffumsatz stattfindet. Auch unter der Oberfläche kann Methanhydrat, als Folge der tektonisch bedingten Aufwölbung, instabil werden. Aus dem freigesetzten Methan entsteht durch Oxidation Hydrogencarbonat, das sich mit Calcium-Ionen im Meerwasser zu Kalk verbindet. Dieser bleibt als resistentes Gestein zurück, wo unbefestigtes Sediment durch Erosion wegtransportiert wird (Bild auf Seite 70 unten). Am Kamm des Hydratrückens bildet er dann Krusten, Konkretionen und Auskleidungen von Vents. Beispiele finden sich auch an der Westflanke des Hydratrückens vor Oregon. Hier bedecken massive Kalkblöcke den Ausbiß einer großen Verwerfung, an der entlang Fluide und Gase zum Meeresboden empordringen. Die Blöcke ragen mehrere Meter über die Umgebung und erstrecken sich über Hunderte von Quadratmetern.

Solche Strukturen, die von einer einstigen Hydratschicht zeugen und die auch fossil auftreten, wurden bislang fälschlich den von Riffbildnern wie Korallen, Schwämmen oder Kalkalgen aufgebauten Biohermen zugerechnet. Wenngleich auch Muschelschalen im Kalk vorkommen, ist dieser doch ganz überwiegend anorganisch-chemischen Ursprungs. Derartige Strukturen werden deshalb neuerdings als Chemoherme bezeichnet.

Trotz der Aktivität von Vent-Organismen und der Carbonatbildung entweichen noch überraschend große Mengen Methan ins Wasser. Dadurch bilden sich regelrechte Gasfahnen. Wir maßen bis 74 Mikroliter Methan pro Liter Meerwasser – das 1300fache jenes Methan-Gehalts im Wasser, der mit dem Methan-Gehalt der Luft im Gleichgewicht stünde.

Das Methan aus dem Hydrat bildet eine enorme Kohlenstoff- und Energiequelle in einem einzigartigen hydro-bio-geochemischen Milieu. Noch ist unbekannt, wieviel davon im Wasser oxidiert wird und wieviel tatsächlich in die Luft übergeht. Doch kann man sich gut vorstellen, daß bei starken tektonischen Hebungen größere Mengen des hochwirksamen Treibhausgases in die Atmosphäre gelangen.

Die reiche Ausbeute an Methanhydrat bei der Expedition mit FS Sonne zum Hydratrücken im Sommer 1996 ermöglichte erstmals eingehende Untersuchungen, etwa des Gefüges und der Feinstruktur, des ungewöhnlichen Materials. Schon eine erste Inspektion der Brocken an Bord ergab, daß sich ihre Struktur von hydrathaltigen Proben, die bei Bohrungen aus größeren Tiefen gewonnen worden waren, deutlich unterschied. Das tiefer im Meeresboden gelegene Hydrat füllt die Poren zwischen den Sand- und Tonteilchen und verkittet so die Partikel miteinander. An der Oberfläche des Meeresbodens hingegen verlaufen millimeter- bis dezimeterdicke Lagen aus reinem Gashydrat mehr oder weniger parallel zu den Schichtflächen, schneiden diese manchmal aber auch oder reichen als Adern ins Sediment. Nirgendwo konnten wir beobachten, daß das Hydrat noch den ursprünglichen Porenraum im Sediment einnahm. Es füllte vielmehr durch Brüche nachträglich entstandene Hohlräume oder schien sich selbst im Sediment Platz zu schaffen.

Eingehendere Studien folgten an Land nach der Rückkehr von FS Sonne. Im Eislabor des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven fertigten wir bei -23 Grad aus dem Hydrat Dünnschnitte an, wie sie für Eisstrukturuntersuchungen üblich sind (Bild auf Seite 73). Dabei zeigte sich eine eigenartige Textur aus Blasen unterschiedlicher Größe – bis etwa einen Zentimeter Durchmesser –, die sich in unterschiedlichen Generationen gebildet hatten (Bild oben). So konnten wir verfolgen, wie das Hydrat zu ansehnlichen Lagen gewachsen war.

Kürzlich führten Peter Brewer und seine Mitarbeiter am Monterey Bay Aquarium Research Institute in Moss Landing (Kalifornien) ein Synthese-Experiment unter natürlichen Bedingungen durch. 910 Meter unter dem Meeresspiegel ließen sie Methan durch wassergefüllte Gefäße perlen. Innerhalb von Minuten, manchmal nur Sekunden, entstand Hydrat mit einer blasigen Textur, wie sie auch das von uns geborgene natürliche Material aufwies.

Die chemischen Analysen des vor Oregon geförderten Hydrats ergaben für den Gas-Anteil neben Methan 1,5 bis 3 Prozent Schwefelwasserstoff sowie Spuren von Ethan, Propan und Kohlendioxid. Diese und weitere Untersuchungen, insbesondere des Isotopenverhältnisses von Kohlenstoff, bestätigten die plausible, aber bis dahin unbewiesene Vermutung, daß das Methan aus dem mikrobiellen Abbau organischer Substanz im Sediment stammt.

Weitere Schwerpunkte der Methanhydratforschung bei Geomar liegen im Nordatlantik und im Ochotskischen Meer. So leitet Jürgen Mienert (seit kurzem an der Universität Tromsø in Norwegen) Arbeiten unter internationaler Beteiligung, die sich auf den Kontinentalhang im Europäischen Nordmeer und auf die Barentssee, das polare Schelfgebiet zwischen Norwegen und Rußland, konzentrieren.

Anders als der Pazifik, der großenteils von Subduktionszonen umgeben ist, hat der Atlantik passive Kontinentalränder, die sich fern jeder Plattengrenze befinden. Trotz ihrer tektonischen Ruhe sind auch sie jedoch in Bewegung. Durch die vom Festland angelieferten Sedimente wird der Abhang übersteilt, und es kommt zu Rutschungen. Eines der eindrucksvollsten Zeugnisse eines solchen Ereignisses findet sich vor der Küste Norwegens etwa auf der Höhe von Trondheim. Hier rasten bei der sogenannten Storegga-Rutschung 5600 Kubikkilometer Sedimente als Schlammströme 800 Kilometer weit vom oberen Rand des Kontinentalhangs bis in das Norwegische Becken hinab. Die Folge dürften verheerende Tsunami-Wogen gewesen sein: jene gespenstischen Wasserwalzen, die ohne jeglichen Sturm plötzlich vor einer Küste, auch fern von ihrem Entstehungsort, auftauchen und mit Überflutungen ungekannten Ausmaßes Tod und Zerstörung bringen.

Auslöser der Rutschung waren wahrscheinlich Gashydrate in 400 bis 1500 Meter Wassertiefe, die vor rund 8000 Jahren durch eine Veränderung der Druck- und Temperaturbedingungen instabil wurden. Könnte Ähnliches in absehbarer Zeit anderswo auch passieren? Die Frage nach der Stabilität des Kontinentalhanges stellt sich insbesondere angesichts der gegenwärtigen globalen Erwärmung und der weithin diskutierten Möglichkeit weiterer beträchtlicher Veränderungen des irdischen Klimas in naher Zukunft. Von einer Erwärmung der unteren Atmosphäre bleiben die Ozeane nicht unberührt. Schon ein bis zwei Grad Temperaturerhöhung aber lassen erhebliche Auswirkungen auf das Methanhydrat erwarten, das jetzt die lockeren Sedimente zementiert und auch die Kompaktion, die Verdichtung durch wachsende Sedimentlast, verzögert.

Im südlichen Bereich Norwegens erscheint die Gefahr neuer Rutschungen relativ gering, da die Hydratfelder wohl schon weitgehend aufgelöst sind. Nördlich der Storegga-Rutschung hingegen finden sich außer Strukturen, die neue Rutschungen ankündigen, Anzeichen für dynamische Hydratfelder, die im Sommer 1998 mit den Tiefseetauchbooten Mir I und Mir II des gecharterten russischen Forschungsschiffes Akademik Mstislav Keldysh erkundet wurden.

Bei dieser Gelegenheit wurde auch noch weiter nördlich der Schlammvulkan Håkon Mosby untersucht, der von zerfallendem Hydrat angetrieben worden sein könnte. Schlammvulkane stoßen statt heißer Lava kalten Schlamm aus. Diese drei Kilometer weite und 20 Meter tiefe, zur Zeit nicht aktive Struktur war 1995 bei einer Untersuchung des Meeresbodens mit Sonar in 1250 Meter Wassertiefe nahe einer Rutschmasse entdeckt und nach dem beteiligten norwegischen Schiff benannt worden. Es fanden sich Methanaustrittszonen, Bakterienmatten und eine für Cold Vents charakteristische Fauna. Doch der Beweis, daß Hydrat die Ursache des aufdringenden Schlamms ist, steht noch aus.

Von grundlegender Bedeutung für die Beurteilung der Hangstabilität sind kürzlich durchgeführte Arbeiten Mienerts und seines Mitarbeiters Jörg Posewang. Die beiden Wissenschaftler werteten hochauflösende reflexionsseismische Daten und Bestimmungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kompressionswellen in Sedimenten gashydratführender Schichten aus. Das Ergebnis erschüttert die klassische Vorstellung von den geschlossenen Hydratstabilitätszonen oberhalb des Bottom Simulating Reflectors zumindest in der bisher angenommenen Allgemeingültigkeit.

Mienert und Posewang bezogen in ihre seismischen Untersuchungen höherfrequente Wellen (mit geringeren Wellenlängen) als gewöhnlich ein. Dadurch ergab sich für die Region nördlich der Storegga-Rutschmassen ein weitaus differenzierteres Bild. Danach sind dort zwei gashydratzementierte Schichten stockwerkartig übereinander angeordnet; dazwischen befindet sich freies Gas in den Porenräumen der Sedimente. Die jeweils etwa 60 Meter mächtigen Hydratschichten werden auch von vertikalen Zonen durchbrochen, in denen Gas bis in den Bereich des Meeresbodens aufsteigt. Freies Gas existiert also innerhalb eines Bereichs, in dem nach der Beständigkeitskurve im Phasendiagramm (Bild auf Seite 67 oben) stabiles Hydrat vorliegen sollte. Der vereiste Meeresboden scheint demnach ein überraschend dynamisches System zu sein.

Ähnliche Unregelmäßigkeiten in der hydratisierten Zone entdeckte jetzt Dietrich Ristow vom Geomar Forschungszentrum in einem ganz anderen Teil der Erde. Bei der Auswertung seismischer Datensätze aus der Subduktionszone vor der Westküste Costa Ricas gelang ihm erstmals eine dreidimensionale Darstellung der Untergrenze der Hydratzone. Die Rekonstruktion zeigt Aufwölbungen, Eindellungen und Lücken. Das Hydrat macht den Eindruck eines Flickenteppichs.

Die Barentssee interessiert als ausgedehntes Schelfgebiet jenseits des Polarkreises vor allem wegen ihrer Flachwasser-Gashydrate. Die Käfigverbindungen sind dort aufgrund des kalten Klimas auch in relativ geringer Wassertiefe beständig, erscheinen dadurch aber schon bei leichter Temperaturerhöhung gefährdet. Von einem dramatischen Zerfall in der Vergangenheit künden Felder mit riesigen Kratern, die wie Sprengtrichter aussehen, im Untersuchungsgebiet zwischen dem Nordkap und Spitzbergen. Bei Wassertiefen zwischen 300 und 350 Metern liegen sie in unmittelbarer Nachbarschaft von Gashydraten im Untergrund des Meeresbodens.

Eines dieser Kraterfelder erstreckt sich über 35 Quadratkilometer. Die Trichter sind 30 bis 700 Meter breit und 30 Meter tief, und ihre Formen sprechen für Gaseruptionen. Ob diese Ausbrüche in etwa gleichzeitig stattfanden, ist noch ungeklärt. Wahrscheinlich ereigneten sie sich gegen Ende der jüngsten Kaltzeit, nach der Entlastung des Barentsschelfs von den mächtigen Eismassen vor etwa 15000 Jahren.

Wie seismische Reflexionsprofile zeigen, reichen die jetzt noch vorhandenen Gashydrate etwa 180 Meter tief in den Meeresboden. Schon ein Anstieg der Wassertemperatur um nur ein Grad Celsius würde genügen, sie aus dem Stabilitätsfeld geraten zu lassen. Da die Gashydratfelder Durchmesser von bis zu mehreren Dutzend Kilometern haben und ein Kubikmeter Gashydrat bis 164 Kubikmeter freies Gas speichert, könnten bei der Zersetzung enorme Mengen Gas aus dem Meeresboden brechen. Zur Zeit ist das Hydrat im Winter beständig. Im Sommer jedoch, wenn sich das Bodenwasser um bis zu ein Grad erwärmt, entweichen bereits größere Mengen Methan aus dem Hydrat. Eine massive Freisetzung des Gases könnte einen Treibhauseffekt auslösen, der die Temperatur weiter steigen ließe. So käme ein fataler Rückkopplungsprozeß in Gang, in dem sich Erwärmung und Methanfreisetzung gegenseitig aufschaukeln würden.

Auf eine beträchtliche Labilität von Methanhydraten weisen auch Oberflächenformen anderswo hin. So wurden Felder mit kraterartigen Eintiefungen etwa im Golf von Mexiko und im Blake-Ridge-Gebiet entdeckt. Entsprechend vorsichtig reagieren Erdöl- und Erdgasunternehmen, wenn sie bei der Offshore-Suche nach neuen Lagerstätten mit Hydraten rechnen müssen. Durch die Medien geisterten Methangas-Eruptionen gar als Erklärung für das legendäre Verschwinden von Schiffen und Flugzeugen im Bermuda-Dreieck. Schiffe sollen versunken sein, weil das Meerwasser durch aufsteigende Gasblasen zu dünn geworden sei und sie nicht mehr getragen habe, Flugzeuge vom Himmel gefallen, weil Methanwolken in der Atmosphäre die Motoren in Brand gesetzt habe.

Untersuchungen über Methanhydra-te und Methan gehören heute bei den meisten Forschungsfahrten von Geomar zum Aufgabenrepertoire. Das galt auch im Sommer 1998, als im Rahmen des russisch-deutschen Forschungsprojekts KOMEX (Kurilen-Ochotskisches-Meer-Experiment) zwei Fahrten mit den Schiffen Professor Gagarinsky und Akademik Lavrentyev in das Ochotskische Meer führten. Dieses von der Halbinsel Kamtschatka und dem Kurilen-Inselbogen begrenzte Randmeer des Nordwestpazifiks, etwa so groß wie Nord- und Ostsee zusammen, lockte nicht nur mit noch ungeklärten Fragen nach seiner Entstehungsgeschichte und seinem tektonischem Aufbau. Es bringt auch Plankton in sehr großen Mengen hervor und gehört damit zu den Regionen, die eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf einnehmen. Und es zählt mit seinem bis -2 Grad kalten und damit schweren Oberflächenwasser zu den wenigen Gebieten auf der Erde, in denen sauerstoff- und nährstoffreiches Wasser in die Tiefe sinkt; dort breitet es sich weit nach Süden und Osten aus. Das Ochotskische Meer gilt deshalb als die nördliche Lunge des Pazifischen Ozeans.

Auf den KOMEX-Expeditionen ließen sich Methanhydrate östlich der Insel Sachalin und westlich des Kurilen-Bogens nachweisen. Cold Vents mit den dafür typischen Lebensgemeinschaften wurden mit dem Videoschlitten beobachtet und anschließend beprobt. Mit Hilfe eines Fisch-Sonars konnten wir über dem Meeresboden 400 bis 500 Meter hohe Methanfahnen dokumentieren; Messungen ergaben eine bis zu 10000fache Übersättigung des Wassers mit dem Gas. Nordöstlich von Sachalin lieferte der Videoschlitten aus 1700 Meter Wassertiefe Aufnahmen einer bizarren Unterwasser-Landschaft mit bis zu zehn Meter hohen Schloten aus Baryt (Bariumsulfat), die charakteristisch für Cold Vents sind.

Durchschnittlich sieben Monate ist das Ochotskische Meer bis hin zum 45. Breitengrad (der Höhe von Turin) mit Eis bedeckt, unter dem sich dann riesige Mengen Methan aus Cold Vents und Gashydraten ansammeln. So wurden bei früheren KOMEX-Expeditionen im Winter 1991 unter der Eisdecke 6,5 Milliliter Methan pro Liter Wasser gemessen. Im folgenden Sommer waren es bei eisfreier Meeresoberfläche nur 0,13; aber auch dieser Wert offenbart, daß das Ochotskische Meer eine bedeutende Quelle für atmosphärisches Methan ist. Die Konzentrationsschwankungen suchen weltweit ihresgleichen.

Wenn sich die Eisdecke im Frühjahr zurückzieht, entweicht das gespeicherte Methan in die Atmosphäre. Saisonale Schwankungen im Methangehalt der Atmosphäre, die von der Meßstation Shemya Island am Südwestende der Aleuten gemessen werden, beruhen möglicherweise auf diesem Initialausstoß aus dem Ochotskischen Meer. Um eventuelle klimatische Auswirkungen des Methans in Gegenwart und in Zukunft bei möglicherweise höheren globalen Durchschnittstemperaturen besser abschätzen zu können, werden im Rahmen von KOMEX vier Monitoring-Stationen im Ochotskischen Meer alle zwei Monate beprobt.

Daß aus Gashydraten freigesetztes Methan in der Vergangenheit das globale Klima tiefgreifend beeinflußt hat, erscheint Fachleuten heute kaum noch zweifelhaft. Als Modellfall gilt eine Episode am Ende des Paleozäns vor rund 55 Millionen Jahren. Verschiedenen Indikatoren zufolge schnellten die Temperaturen an Land wie auch im Meer damals kurzfristig in die Höhe. Zahlreiche Foraminiferen, Einzeller im Plankton und am Meeresboden, starben aus. Fossilien belegen, daß in Amerika zahlreiche moderne Säugetiere auftauchten, denen sich von Asien her ein Landweg durch die Arktis eröffnet haben muß. Besonders auffällig ist eine Zunahme des leichteren Kohlenstoff-Isotops 12C in den erhaltenen Fossilien. Offensichtlich waren Massen von Kohlenstoff mit erhöhtem 12C in den dynamischen Teil des Kohlenstoffkreislaufs eingeschleust worden.

Der leichte Kohlenstoff erwies sich als Schlüssel zur Deutung des rapiden Temperaturanstiegs. Die Bakterien, die im Meeresboden organische Substanz unter Luftabschluß abbauen, reichern im dabei erzeugten Methan 12C an. Diese Signatur steckt auch im Methanhydrat, und wenn es in Massen zerfällt, breitet sie sich mit dem freigesetzten Methan und seinem Oxidationsprodukt Kohlendioxid aus. Den Anstoß zum Zerfall großer Mengen Methanhydrat im Paleozän könnte eine Änderung der Meereszirkulation gegeben haben.

In einem Computer-Modell testeten Gerald Dickens und Mitarbeiter die These, daß die Auflösung von Methanhydraten der Erde vor 55 Millionen Jahren einen Wärmeschock versetzt habe. Dabei gingen sie davon aus, daß etwa 8 Prozent des heutigen weltweiten Hydratbestandes zerfallen sind. Da das freigesetzte Methan, in geologischem Zeitmaßstab betrachtet, umgehend in Kohlendioxid umgewandelt wird, beschränkten sie sich auf das Oxidationsprodukt. Über einen simulierten Zeitraum von 10000 Jahren gaben sie ihrer Modellatmosphäre Jahr für Jahr 160 Kubikkilometer Kohlendioxid mit leichtem Kohlenstoff hinzu.

Die Folge: eine Erwärmung der unteren Atmosphäre um zwei Grad Celsius durch das zusätzliche Kohlendioxid. Zugleich verschob sich das Isotopenverhältnis im Kohlenstoffkreislauf derart, daß es den beobachteten Werten bei den Fossilien entsprach. Innerhalb von 200 000 Jahren normalisierte es sich dann allmählich wieder – ebenfalls im Einklang mit den realen Daten.

Die gewaltige Menge der geschätzten Vorräte an Methanhydraten macht verständlich, daß Energiebehörden und Unternehmen der Erdöl- und Erdgasindustrie längst ein Auge auf die neue Energiereserve geworfen haben. Aus einer ganzen Reihe von Ländern mit Japan an der Spitze wurden Forschungs- und Entwicklungsprogramme bekannt. Doch die Schwierigkeiten, des Energieschatzes mit vertretbarem Aufwand habhaft zu werden, sind ungeheuer.

Da ist die Lage im Meer unter beträchtlicher Wasser- und meist Bodenbedeckung, die Labilität, die Explosivität. Selbst wenn sich eine Fördereinrichtung konstruieren ließe, welche die Beute ungeschmälert nach oben brächte, wä-re zuviel Schlamm und Kalk dabei. Auch das freie Gas unter dem Hydrat ließe sich nicht einfach anzapfen, weil der Druck im Gegensatz zu herkömmlichen Erdgaslagerstätten zu gering ist und daher für eine rationelle Förderung zu wenig Methan ausströmt.

Ähnlich wie bei zähflüssigem Erdöl könnte man nachhelfen: Dampf oder heißes Wasser in die Tiefe pumpen, damit Hydrat schmilzt und mehr Methan entweicht, das durch ein anderes Bohrloch abgepumpt würde. Auch der Aufwand dafür wäre freilich erheblich. Schließlich müßte der Energieträger an Land gebracht werden. Pipelines im Meer sind kostspielig und an einem Kontinentalhang durch Rutschungen gefährdet. Dieses Risiko würde sich beim Abbau des Hydrats, das den Hang stabilisiert, noch erhöhen.

Das Ausmaß der Schwierigkeiten spiegelt sich in der Kühnheit mancher Überlegungen wider. So schlägt Timothy Collett vom US Geological Survey in Denver (Colorado) vor, sich die Pipelines zu sparen und das gewonnene Gas auf Schiffen oder Bohrplattformen zu verflüssigen. Dazu soll Methan teilweise zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid verbrannt und das Gemisch dann mit Hilfe eines Katalysators in einen längerkettigen, flüssigen Kohlenwasserstoff umgewandelt werden, der ohne Probleme per Schiff abzutransportieren wäre. Der Preis wären jedoch 35 Prozent Energieverlust. Roger Sassen entwarf die Vision einer Produktionsstätte am Meeresgrund, in der sich aufdringendes Methan mit Wasser zu reinem Hydrat vereinigt, das dann in zeppelinförmigen Speichern an seinen Bestimmungsort geschleppt werden soll.

Soviel steht fest: Langweilig wird es auf absehbare Zeit nicht werden in der Hydratforschung.

Literaturhinweise


Methanhydratfund von FS Sonne vor der Westküste Nordamerikas. Von E. Suess et al. in: Geowissenschaften, Bd. 15, S. 194-199, Juni 1997.

Fluid Venting in the Eastern Aleutian Subduction Zone. Von E. Suess et al. in: Journal of Geophysical Research, Bd. 103, B2, S. 2597-2614, 10. Februar 1998.

Worldwide Distribution of Subaquatic Gas Hydrates. Von K. Kvenvolden et al. in: Geo-Marine Letters, Bd. 13, S. 32-40 (1993).

Gas Hydrates: Relevance to World Margin Stability and Climatic Change. J.-P. Henriet und J. Mienert (Hg.). Geological Society Special Publication, Bd. 137, 1998.

Authigenic Carbonates from the Cascadia Subduction Zone and their Relation to Gas Hydrate Stability. Von G. Bohrmann et al. in: Geology, Bd. 26, S. 647-650 (1998).


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1999, Seite 62
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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