لطالما قام البشر بحرق الفحم للحصول على الطاقة الكهربائية على مدار مئات السنين. ويتكون الفحم بالأساس من عنصر الكربون. وينتشر هذا الكربون في الهواء في شكل غاز ثاني أكسيد الكربون، عندما يتم حرق الفحم لتوليد الكهرباء.

ثاني أكسيد الكربون هو أحد غازات الاحتباس الحراري، ويعني ذلك أنه عندما يتراكم في طبقة الغلاف الجوي، يسمح لضوء الشمس المرئي بالوصول إلى سطح الأرض، ولكنه يحبس الحرارة المنبعثة من الأرض ويحول دون وصولها إلى الفضاء. ولذلك، تتغير الطريقة التي تُحافظ بها الأرض على درجة حرارتها، وربما يتغير المناخ كنتيجة لتغيير نسبة غاز ثاني أكسيد الكربون في الهواء.

يمكن استخدام الغاز الطبيعي، الذي يتكون في المستودعات الجوفية ويتألف في مُعظمه من غاز يُسمى الميثان، كوقود لإنتاج الطاقة الكهربائية. ويعد انخفاض كمية ثاني أكسيد الكربون المنبعثة منه مقارنة بالتي تنبعث من الفحم المُستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية إحدى مزاياه. وعلى كل الأحوال، يُعد غاز الميثان من الغازات المسببة للاحتباس الحراري بالإضافة إلى كونه أكثر فعالية في حبس حرارة الأرض مقارنة بغاز ثاني أكسيد الكربون. ونتيجة لذلك، فإن انبعاث أي كمية من غاز الميثان أو تسربها إلى الهواء عند استخراجه من باطن الأرض سيُلغي بعض فوائد استخدامه كوقود. ولذلك، سيساعدنا تحديد كمية غاز الميثان التي تتسرب من باطن الأرض قبل أن يتم حرقها كوقود في الاختيار بين الغاز الطبيعي أو الفحم بصفته نوع الوقود الأفضل للمناخ الأرضي.

ويُستخرج الغاز الطبيعي من مناطق عدة من مختلف أنحاء البلاد باستخدام آبار عميقة حُفرت جيدًا في الأرض (الشكل 1). وقد يحتوي حقل الغاز الطبيعي الواحد على آلاف الآبار، وقد يحتوي البئر الواحد على عشرات المواضع التي قد يتسرب منها الغاز الطبيعي. ولعل السؤال الأهم هو: كيف نُحدد كمية غاز الميثان التي تتسرب إلى الهواء من أي حقل غاز طبيعي؟

وللإجابة عن هذا السؤال، يُجيب العلماء أمثالي بأن الطريقة المُتّبعة هي قياس نسبة غاز الميثان في الهواء بواسطة جهاز علمي مثبَّت على متن طائرة مُخصصة لمهام البحث. حيثُ أقوم بتثبيت جهاز قياس نسبة غاز الميثان الخاص بي في الطائرة (الشكل 2)، ثم أعلق أنبوبًا صغيرًا خارج الطائرة لسحب الهواء الطلق حتى يستقر داخل الجهاز (الشكل 3). ويوجد عادةً جزيئين من غاز الميثان في الهواء لكل 1 مليون من جزيئات الهواء، ولذلك لا بد أن يكون الجهاز حساسًا ودقيقًا للغاية! ويَدخُل الهواء إلى تجويف خاص مزود بمرآة تعكس الأشياء بدقة، وذلك بمُجرد دخوله في جهاز قياس نسبة الميثان حيث يتم توجيه شُعاع ليزر إلى التجويف ليرتد ذهابًا وإيابًا بين المرآتين (الشكل 3). ويمتص غاز الميثان الموجود في الهواء ضوء الليزر. وأستطيع معرفة كمية غاز الميثان الموجودة في الهواء من خلال قياس كمية ضوء الليزر الموجود في التجويف، لأنه كلما زادت كمية غاز الميثان، زادت كمية ضوء الليزر الممتصة.

وفي عام 2013، قمت بتثبيت هذا الجهاز على الطائرة البحثية NOAA P-3 (الشكل 2)، وهي الطائرة المعروفة بقدرتها على التحليق أعلى الأعاصير. ولحسن الحظ، لم أضطر إلى التحليق أعلى أي إعصار! ولكن أنا وزملائي حلقنا أعلى ثلاثة من أكبر حقول الغاز الطبيعي في الولايات المُتحدة لقياس كمية غاز الميثان التي تتسرب من هذه الحقول. ويوضح الشكل 4 مثالًا على رحلة متجهة إلى حقل غاز طبيعي يقع على الحدود التي تفصل بين ولاية تكساس وولاية لويزيانا. حيثُ قِستُ نسبة غاز الميثان المنبعثة من كل حقل غاز طبيعي عندما كان انبعاثه عكس اتجاه الرياح وعندما كان انبعاثه في اتجاه الرياح، وحددتُ كمية غاز الميثان التي تسربت من كل حقل، وذلك باستخدام الطائرة البحثية P-3. كيف فعلت ذلك؟ تخيل أنك تصطحب معك فطيرة طازجة للخارج في يوم عاصف. وأنك ستتمكن من شم رائحة الفطيرة بشكل أفضل عندما تكون في اتجاه الرياح بوضعها في عكس اتجاه الرياح. وذلك نتيجة لتحرك الرائحة الذكية للفطيرة مع اتجاه الرياح. وفي هذه الحالة، تكون الفطيرة هي مصدر الرائحة الذكية، حيثُ يكتشف أنفك الرائحة بشكل أفضل بكثير عند وضع مصدرها في اتجاه الرياح.

وبالمثل، يكتشف جهاز قياس نسبة غاز الميثان الخاص بي (الذي يعمل بمثابة الأنف) كمية أكبر من الميثان (الفطيرة ذات الرائحة الشهية) في الهواء الذي تتجه فيه الرياح إلى مناطق إنتاج الغاز الطبيعي (الفطيرة). وفي الشكل 4، تُمثل المربعات السوداء والخضراء مناطق إنتاج الغاز الطبيعي، ويُمثل الخط الأسود مسار رحلة الطائرة، حيث يغطى مُعظمه بألوان مُتنوعة تُشير إلى كمية غاز الميثان المُكتشفة. حيث وُجدت النسبة الأكبر من غاز الميثان في الهواء الذي يتوافق مع اتجاه الرياح في هذه المناطق، كما هو موضح في الأجزاء الحمراء من مسار الطائرة. وبعد ذلك، أدخلت هذه البيانات في مُعادلة رياضية، هي بالأساس عبارة عن الفرق بين نسبة غاز الميثان الموجودة في الهواء عند قياسها في الهواء المتوافق مع اتجاه الرياح مقابل عند قياسها في الهواء المعاكس لاتجاه الرياح، مضروبًا في سرعة الرياح وحجم الطبقة السفلى من الغلاف الجوي. وفي هذه الحالات، تكون الطبقة السفلى من الغلاف الجوي كبيرة: حيثُ يبلغ عرضها عشرات الكيلومترات، وارتفاعها من 1 إلى 2 كم. وتوضح لي هذه المُعادلة كمية غاز الميثان المُنبعثة من حقل الغاز الطبيعي.

ولعل السؤال الذي يدور في خاطرك الآن هو: كيف نعرف أن غاز الميثان يتسرب من حقل الغاز الطبيعي، وليس من مصدر آخر، على سبيل المثال، من قطيع ضخم من الماشية معروف بكميات غاز الميثان الضخمة التي يُنتجها؟ بالإضافة إلى ذلك، قسنا أنا وزملائي مجموعة أخرى من المواد الكيميائية على متن الطائرة بجانب غاز الميثان، ومنها غاز الأمونيا وغاز الإيثان. وينبعث غاز الميثان وغاز الأمونيا من الأبقار إلى الهواء، لكن لا ينبعث منها غاز الإيثان. وعلى النقيض، يحتوي الغاز الطبيعي على غاز الميثان وغاز الإيثان دون غاز الأمونيا. ولذلك، يُمكننا أن نُحدد مصدر غاز الميثان بناءً على النسبة الأكبر من غاز الأمونيا أو غاز الإيثان في الهواء. وتتوافق الزيادة في نسبة غاز الميثان الموجود في الهواء المتوافق مع اتجاه الرياح في كل حقل من الحقول الثلاثة التي درسناها مع نسبة غاز الإيثان، على عكس غاز الأمونيا. وبذلك نستنتج أن عمليات إنتاج الغاز الطبيعي هي السبب الرئيسي لوجود الميثان في الغلاف الجوي.

وأخيرًا، قارنا كمية غاز الميثان التي تسربت من حقول الغاز الطبيعي بكمية الغاز الطبيعي المُستخرج من باطن الأرض (الشكل 5). يوضح الشكل 5 نتائج الدراسات التي توصلنا إليها حتى الآن، والتي يُستخدم فيها جهاز قياس نسبة الميثان وطائرة لقياس نسبة تسرب الميثان من حقول الغاز الطبيعي. ويوضح العمودان جهة اليسار في الشكل 5 نتائج الدراسات التي أُجريت في كولورادو ويوتا قبل دراستنا. كما توضح الثلاثة أعمدة جهة اليمين نتائج دراستنا. ويوضح الجزء الأعلى من الشكل 5 كمية الغاز الطبيعي المُستخرجة من باطن الأرض، أو المُنتَجَة من حقول الغاز الطبيعي الخمسة. ويُمكنك مُلاحظة أن الثلاثة حقول التي تناولناها في دراستنا تمثل الجزء الأكبر من إنتاج الغاز الطبيعي! ويوضح الجزء الأوسط كمية غاز الميثان التي تسربت للهواء من هذه الحقول. ويُمثل الجزء أسفل الشكل، مُعدل الفقد أو الخسارة، وهو مُقارنة النسبة التي تسربت بالنسبة المُستخرجة من الغاز. على سبيل المثال، تتسرب نسبة 1.6% من الغاز الطبيعي المُستخرج من حقل هاينسفيل، وتُفقد في الغلاف الجوي. وقرر عُلماء آخرون [1] أن محطات توليد الطاقة التي تعمل بالغاز الطبيعي تنبعث منها نسبة من غازات الاحتباس الحراري أقل من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم، وذلك إذا لم يتجاوز مُعدل التسرب 3.2%. والأخبار السارة هي أن نسبة تسرب غاز الميثان المُنبعثة من حقول الغاز الطبيعي الضخمة هذه إلى الهواء لم تتجاوز 3.2%. كما أن الكمية المُتسربة من غاز الميثان أقل مما تم العثور عليه في الدراسات السابقة المُتعلقة بحقول الغاز الطبيعي الأخرى الموجودة في كولورادو ويوتا، والتي لم نعرف عنها حتى درسنا هذه الحقول الكبيرة لإنتاج الغاز الطبيعي.

لا يزال أمامنا الكثير لنفعله لمعرفة مدى تطابق مُعدل التسرب المنخفض هذا مع المناطق الأخرى لإنتاج الغاز الطبيعي في الولايات المُتحدة. ولذلك نستخدم الطائرة البحثية P-3 وطائرات بحثية أخرى للحصول على النسب الدقيقة لتسرب غاز الميثان في العديد من الأماكن الأخرى للتأكد من أننا نفهم ما يحدث في هوائنا حقًا. ولذلك فإن هذه المعلومات ضرورية لاختيار أفضل أنواع الوقود لتقليل الآثار السلبية على مناخ الأرض.

مسرد للمصطلحات

الضباب الدُخاني (Smog): ↑ هو تلوث ضبابي وضار بالصحة يحدث في الهواء

غازات الاحتباس الحراري/غازات الدفيئة (Greenhouse Gas): ↑ غازات تتواجد في الهواء وتسمح لضوء الشمس المرئي بالعبور من خلاله، وتمتص الحرارة، وتحبسها، وتحول دون التخلص منها في الفضاء.

الغاز الطبيعي (Natural Gas): ↑ خليط من غاز الميثان ومجموعة من الغازات الأخرى؛ مثل: غاز الإيثان، وغاز البروبان الذي يُستخدم كوقود في المنازل لتشغيل السخانات والمواقد، بالإضافة إلى محطات التوليد للطاقة الكهربائية.

شُعاع الليزر (Laser): ↑ جهاز ينبعث منه ضوء له طول موجي محدد وخاص جدًا

إقرار تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أن البحث قد أُجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.