غاز الميثان

الميثان هو المكون الأساسي للغاز الطبيعي ويستخدم لإنتاج الحرارة والكهرباء حول العالم. كما يستخدم الميثان أيضًا في التفاعلات الكيميائية لإنتاج غازات مهمة أخرى مثل الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وأسود الكربون، وهو مركب كيميائي يوجد في بعض أنواع المطاط المستخدم في إطارات السيارات.

الميثان أخف من الهواء، وله ثقل نوعي 0.554. حيث إنّه قابل للذوبان في الماء بشكل طفيف فقط، كما أنه يحترق بسهولة في الهواء مكونًا ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء؛ اللهب شاحب، ومضيء قليلاً وساخن جدًا. في حين أن نقطة غليان الميثان هي -162 درجة مئوية (-259.6 درجة فهرنهايت) ونقطة الانصهار هي -182.5 درجة مئوية (-296.5 درجة فهرنهايت).

الميثان بشكل عام مستقر للغاية، ولكن خليط الميثان والهواء، مع محتوى الميثان بين 5 و14 في المائة من حيث الحجم، قابلة للانفجار. كانت انفجارات هذه الخلائط متكررة في مناجم الفحم وكانت سبب العديد من كوارث المناجم.

في الطبيعة، ينتج الميثان عن طريق التحلل البكتيري اللاهوائي للمواد النباتية تحت الماء (حيث يطلق عليه أحيانًا غاز المستنقعات أو غاز المستنقعات). كما تعتبر الأراضي الرطبة المصدر الطبيعي الرئيسي لغاز الميثان المنتج بهذه الطريقة.

كما تشمل المصادر الطبيعية المهمة الأخرى للميثان النمل الأبيض (نتيجة لعمليات الهضم) والبراكين وفتحات في قاع المحيط ورواسب هيدرات الميثان التي تحدث على طول الحواف القارية وتحت جليد أنتاركتيكا والتربة المتجمدة في القطب الشمالي. الميثان هو أيضًا المكون الرئيسي للغاز الطبيعي، والذي يحتوي على من 50 إلى 90 في المائة من الميثان (اعتمادًا على المصدر)، ويحدث كمكوِّن لموقد (غاز قابل للاشتعال) على طول طبقات الفحم.

كما يعد إنتاج واحتراق الغاز الطبيعي والفحم من أهم مصادر الميثان البشرية (المرتبطة بالبشر). تؤدي الأنشطة مثل استخراج ومعالجة الغاز الطبيعي والتقطير المدمر للفحم القاري في تصنيع غاز الفحم وغاز أفران الكوك إلى إطلاق كميات كبيرة من الميثان في الغلاف الجوي. تشمل الأنشطة البشرية الأخرى المرتبطة بإنتاج الميثان حرق الكتلة الحيوية وتربية الماشية وإدارة النفايات (حيث تنتج البكتيريا غاز الميثان أثناء تحللها للحمأة في مرافق معالجة النفايات والمواد المتحللة في مدافن النفايات).

الميثان مصدر مهم للهيدروجين وبعض المواد الكيميائية العضوية. يتفاعل الميثان مع البخار عند درجات حرارة عالية لينتج أول أكسيد الكربون والهيدروجين؛ هذا الأخير يستخدم في صناعة الأمونيا للأسمدة والمتفجرات. تشمل المواد الكيميائية القيمة الأخرى المشتقة من الميثان الميثانول والكلوروفورم ورابع كلوريد الكربون والنيترو ميثان. ينتج عن الاحتراق غير الكامل للميثان أسود الكربون، والذي يستخدم على نطاق واسع كعامل تقوية في المطاط المستخدم في إطارات السيارات.

يتم امتصاص الميثان الذي يتم إنتاجه وإطلاقه في الغلاف الجوي عن طريق أحواض الميثان، والتي تشمل التربة وعملية أكسدة الميثان في طبقة التروبوسفير (أدنى منطقة في الغلاف الجوي). يتم تعويض معظم الميثان المنتج بشكل طبيعي عن طريق امتصاصه في الأحواض الطبيعية.

ومع ذلك، يمكن أن يتسبب إنتاج الميثان البشري المنشأ في زيادة تركيزات الميثان بسرعة أكبر مما تقابله المصارف. منذ عام 2007، زادت تركيزات الميثان في الغلاف الجوي للأرض بنسبة 6.8-10 أجزاء في المليار (ppb) سنويًا. وبحلول عام 2020، وصل الميثان في الغلاف الجوي إلى 1873.5 جزء في المليار، أي أعلى بمرتين إلى ثلاث مرات من مستويات ما قبل الصناعة، والتي كانت تحوم عند 600-700 جزء في البليون.

تساهم تركيزات الميثان المتزايدة في الغلاف الجوي في ظاهرة الاحتباس الحراري، حيث تمتص غازات الدفيئة (خاصة ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء) الأشعة تحت الحمراء (الطاقة الحرارية الصافية) وتعيد نشرها مرة أخرى إلى سطح الأرض، مما قد يؤدي إلى حبس الحرارة وإحداث تغييرات كبيرة في المناخ.

كما أنّ زيادة الميثان في الغلاف الجوي تضيف إلى تأثير الاحتباس الحراري بشكل غير مباشر. على سبيل المثال: في أكسدة الميثان، تزيل جذور الهيدروكسيل (OH) الميثان من خلال التفاعل معها لتكوين ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء، ومع زيادة تركيزات الميثان في الغلاف الجوي، تنخفض تركيزات جذور الهيدروكسيل، ممّا يطيل بشكل فعال من عمر الغلاف الجوي للميثان.