Il ciclo del metano su Marte: reazioni con il suolo, vulcanismo o "vita"?

L'atmosfera marziana, oltrechè molto tenue, è anche irrespirabile per i nostri standard: 95% di anidride carbonica, 3% di azoto, e 1,6% di Argo. Il restante 0,4% è suddiviso fra ossigeno, vapore d'acqua e pochi altri gas, fra i quali in tracce veramente scarsissime c'è il metano, roba da parti per miliardo. Ma sono proprio queste scarsissime quantità ad aver innescato una serie di studi che stanno portando a diverse ipotesi, che prevedono tutte una situazione di attività (biologica o chimica) precedentemente inaspettata.

Furono degli italiani, il team di Vittorio Formisano a scoprire la presenza di metano nell'atmosfera marziana nel dicembre 2003. Nessuno si aspettava una cosa del genere. Sulla Terra le emissioni naturali di metano esistono e per la maggior parte sono dovute ad esseri viventi. Messi in allarme da questa scoperta, altre sonde e anche delle osservazioni da Terra hanno confermato il tutto.

Il ciclo di questo gas su Marte presenta alcuni aspetti particolari.

Innanzitutto è stato dimostrato che non è stabile e si dissolve presto (inizialmente era stato previsto un periodo di persistenza di circa 300 anni). Questo comporta una conseguenza semplice e logica: sul pianeta Rosso sono sicuramente presenti dei fenomeni che lo producono (o, quantomeno, lo emettono da sotto la superficie).La dimostrazione che ancora una qualche attività c'è.

A dispetto delle previsioni, il metano emesso in discrete quantità negli anni precedenti, era praticamente scomparso ai primi del 2006. E questa velocità maggiore del previsto non trovava nessuna soluzione con i modelli atmosferici esistenti.

L'irregolarità oltre che temporale è anche spaziale: studi successivi hanno dimostrato che ci sono 3 zone principali di persistenza, tutte e tre poste tra l'equatore e le medie latitudini dell'emisfero settentrionale: Arabia Terrae, Tharsis ed Elysium.

La distribuzione temporale accertata presuppone ovviamente che il metano si produca più o meno di continuo e che in qualche modo si dissolva.

Da un punto di vista teorico sulla sua origine ci sono diverse possibilità teoriche: attività di forme di vita, reazioni sul suolo ed emissioni vulcaniche.

Una prima spiegazione è stata la presenza di reazioni che coinvolgessero il suolo marziano, per esempio attraverso il perossido di idrogeno (noto ai più come acqua ossigenata), sostanza ritrovata dalla sonda Viking nel 1976.

È anche possibile che sia coinvolta l'acqua: potrebbe non essere un caso se queste aree sono proprio quelle dove al di sotto esistono dei giacimenti di acqua.

Restava presente anche la possibilità che sia il risultato di attività vulcanica, visto che i massimi si hanno in una zona che per gli standard locali pullula di vulcani, fra i quali l'Olympus Mons, il più grande vulcano conosciuto del sistema solare, illustrato nella foto.

In ogni caso questo è un altro segnale che ci dice come Marte non sia ancora completamente privo di attività. Non può stupire – quindi – che la prossima sonda che arriverà sul pianeta sarà dotata della strumentazione per indagare sul metano.

Intanto sulla questione altri due italiani, Sergio Fonti e Giuseppe Marzo hanno presentato al congresso europeo di scienze planetarie una memoria in cui dimostrano che il metano nell'atmosfera del Pianeta Rosso dura meno di un anno marziano

Una prima considerazione è la estrema localizzazione delle fonti del gas, confermando quello che si pensava e cioè che proviene soprattutto dalle zone già indicate e specialmente da Tharsis, una regione piena di grandi vulcani. Quanto alla concentrazione, risente di elevata stagionalità: i valori sono minimi nell'inverno dell'emisfero settentrionale, a partire dalla primavera aumentano per tutta l'estate fino all'autunno, in cui arrivano ai massimi (sempre dell'ordine delle parti per miliardo...). A quel punto la concentrazione crolla fino alla primavera successiva, ad eccezione di una piccola fascia a latitudini medio – alte.

Notare come durante l'inverno dell'emisfero settentrionale, la concentrazione di metano diventa più alta in quello meridionale dove è estate.

la carta presenta le concentrazioni autunnali ed è grossolanamente orientata W-E con il centro a circa 20° di latitudine nord. In giallo le concentrazioni maggiori, in blu quelle minori

La stagionalità esclude quindi fra le cause l'attività vulcanica: non se ne comprenderebbe il rapporto con le stagioni. Restano in piedi sia la possibilità di reazioni che riguardano il suolo, sia quella che alla base ci siano delle forme di “vita” e non sfugge anche il fatto che la produzione avviene nel momento più caldo e quindi più favorevole.
In particolare nel caso di metano biologico vorrebbe dire che queste eventuali forme di vita siano molto più attive durante l'estate. L'ipotesi di metano biogenico è senza dubbio la più affascinante, e attualmente da un punto di vista teorico è assolutamente plausibile. Ma non è la sola: fenomeni di idratazione del terreno dovuti all'acqua sottostante o reazioni geotermiche e/o idrotermali sono spiegazioni altrettanto se non più, plausibili.

Per quanto riguarda la scomparsa del metano, l'attività fotochimica sembra troppo poco elevata per consentire una dissoluzione del metano in questo modo. Per cui una soluzione può essere data dai venti che abrasando la superficie, trascinano in aria particelle di perclorati che reagiscono con il metano dissolvendolo.

Questi sono i primi risultati: se sul dissolvimento del gas ci sono idee molto chiare, le ricerche sulla sua origine sono invece ancora molto più indietro. Ma essendo diventato un target importante per le ricerche su Marte, sicuramente nei prossimi anni ne vedremo delle belle.

EDIT: 5 Giungo 2012: finalmente è arrivata la soluzione del problema: il metano si orifgina con il bombardamento dei raggi ultravioletti sulla superficie di meteoriti caduti sul pianeta: questo è il post in proposito.

L'estrazione di gas dagli scisti bituminosi: Marcellus Shale - Pennsylvania

In un mondo che ha fame di idrocarburi, per tutta una serie di implicazini, a partire dal loro costo basso rispetto alle fonti alternative fino alla pressione delle compagnie petrolifere che smuovono immensi capitali, una nuova risorsa di gas naturale è rapprentato dagli scisti bituminosi. Le prospettive sullo sfruttamento di questi giacimenti sono molto interessanti, a giudicare dagli analisti.

L'origine degli idrocarburi di queste rocce è la stessa delle altre riserve di combustibili fossili: distruzione di materiale organico rimasto intrappolato in un sedimento argilloso e che si è ritrovato in un ambiente caratterizzato da mancanza di ossigeno da parte di microorganismi capaci di vivere in quelle condizioni. In questo caso si tratta per lo più di resti di alghe. I sedimenti argillosi sono, al netto di fratturazioni, quelli più impermeabili: infatti le dimensioni dei pori, estremamente alte in sabbie e ciottolami, sono minime, per cui la circolazione dei fluidi e spesso anche quella dei gas è praticamente impossibile.

La più importante formazione che li contiene per adesso la troviamo negli USA occidentali: è il “Marcellus Shale" (in grigio nella carta qui accanto), che prende la denominazione dal paese della Pennsylvania intorno al quale per un piccolo tratto questi sedimenti affiorano in superficie: in realtà questi scisti di età medio – devoniana (circa 400 milioni di anni fa) si estendono sottoterra per una fascia lunga centinaia di kilometri che comprende anche parti di Ohio, West Virginia, New York, Maryland, Kentucky, Tennessee e Virginia. Quindi occupano un fianco della catena appalachiana e sono un deposito di fossa connesso alla formazione di questa catena. Lo spessore è ingente, arrivando fino ai 3.000 metri. Rappresentano quindi il candidato ideale per una ampia coltivazione di metano.

Gli scisti bituminosi erano noti ai geologi dagli albori delle scienze della Terra, come era noto che contenessero metano. Però nessuno fino a pochi anni fa era riuscito a capire come sfruttarli. In effetti l'estrazione di metano da queste rocce non è cosa semplice, in quanto materiali estremamente duri e compatti. L'estrazione avviene in due fasi: prima si scava un pozzo verticale fino a trovare lo strato giusto e poi da lì bisogna scavare in orizzontale lungo lo strato. C'è poi un'altra complicazione: per rompere la roccia e non disperdere il gas occorre introdurre acqua a pressione e una consistente quantità di acidi. Nella figura qui accanto si vede il sistema che deve essere adottato

Negli USA gli scisti bituminosi sono presenti in quasi tutta la nazione (almeno nei cosiddetti “Stati Uniti continentali” ), come si vede da questa cartina.

La ricerca sugli scisti bituminosi si è poi spostata anche in Canada (nell'Alberta) e attualmente promette bene il Venezuela.

Per quanto riguarda l'Europa, Germania e Polonia sembrano candidate ideali, ma è tutta la zona orientale, fino agli Urali, che potrebbe dare delle gradite sorprese.

Il costo del loro sfruttamento ai fini dell'estrazione di gas è elevato, per cui in un'era di gas e petrolio abbondanti ed a basso costo nessuno pensava alla necessità a queste risorse. Oggi, invece, il costo degli idrocarburi, comincia ad essere tale da renderli giacimenti interessanti.

Gli scisti bituminosi stanno riscrivendo la storia delle riserve mondiali di metano: gli USA addirittura vogliono diventare esportatori di gas, da importatori che sono. Allo scopo sono in studio grosse trasformazioni del sistema di stoccaggio e movimentazione del gas della costa orientale del Paese.

Gli ambienti ecologisti sono ovviamente contrari a questo genere di attività, anche se sostituendo il carbone con il gas naturale, l'inquinamento a parità di energia prodotta appare inferiore. E non solo per la questione delle emissioni, che usando il metano degli scisti bituminosi al posto di energie rinnovabili continuerebbero ad accumularsi in atmosfera: la produzione di metano dagli scisti bituminosi necessita l'iniezione nei pozzi di liquidi ad altra pressione per rompere le rocce, accompagnata dall'uso di composti chimici che vengono aggiunti per facilitare la rottura delle argilliti. Quindi la produzione di gas dagli scisti bituminosi mette a rischio le riserve d'acqua, sia per il loro semplice utilizzo che per l'inquinamento dovuto a queste sostanze.

C'è poi il rischio che la roccia sovrastante sia interessata da crolli e che quindi si possano innescare fastidiosi fenomeni di subsidenza: tutti fenomeni che presentano una concreta possibilità di ripercussioni fino sulla superficie, con possibili ripercussioni sulla stabilità degli edifici e per il sistema della circolazione dell'acqua delle falde acquifere.

Ho scritto che usando metano al posto del carbone l'inquinamento a parità di energia prodotta appare inferiore. Questo perchè secondo Robert W. Howarth della Cornell University durante l'estrazione ci sarebbero significative immissioni dirette di metano in atmosfera, tali da raddoppiare la quantità delle emissioni per unità di energia. Una cosa in cui è sostanzialmente d'accordo anche il il Servizio Geologico della Pennsylvania (che chissà come mai in questo periodo sta ricevendo copiosi finanziamenti....): in una sua pubblicazione di due anni fa asserisce che, con le tecnologie attuali, fra gas costretto in tasche che non verranno sfruttate e gas estratto che sfugge prima dell'immagazzinamento, la percentuale recuperata sul totale di quello disponibile si attesterà al massimo su un 5% delle risorse totali. 

Adesso su questi argomenti registriamo una novità interessante: una compagnia impegnata nell'estrazione di gas in Pennsylvania, la Chief Oil & Gas, annuncia che in maniera del tutto volontaria invierà ai dipartimento di protezione ambientale della Pennsylvania e del West Virginia informazioni dettagliate sugli additivi usati nel processo di fratturazione idraulica dei pozzi.

È chiaro ed evidente, dunque, che la legislazione degli Stati Uniti e quella di questi Stati in particolare consente attualmente di utilizzare qualsiasi additivo senza farne comunicazione alle autorità.

In qualche cosa, almeno teoricamente, siamo superiori agli USA, almeno dal punto di vista legale.... In Italia non è certo permesso immettere materiali sottoterra senza dichiararlo. Almeno teoricamente...