O metano atmosférico é o gas metano presente na atmosfera terrestre. As concentracións que alcanza o metano atmosférico son de grande interese debido ao impacto que este gas ten no cambio climático, xa que é un dos gases de efecto invernadoiro máis potentes da atmosfera. O potencial de quecemento global en 100 anos do metano é 29, é dicir, nun período de 100 anos, captura 29 veces máis calor por unidade de masa que o dióxido de carbono e 32 veces máis que o efecto que teñen as interaccións dos aerosoisDrew T. Shindell, Greg Faluvegi, Dorothy M. Koch, Gavin A. Schmidt, Nadine Unger, Susanne E. Bauer (2009) (), Improved attribution of climate forcing to emissions (Science 326 ed.), AAAS, pp. 716–718, doi:10.1126/science.1174760 Online. (a cifra exacta varía segundo a estimación consultada). Os niveis de metano globais chegaron a 1800 partes por billón (ppb) en 2011, un incremento 2,5 veces maior que o que había na era preindustrial (722 ppb), o que representa o valor máximo desde hai polo menos 800.000 anos. As súas concentracións son maiores no hemisferio norte porque as maiores fontes de emisión (naturais e humanas) están localizadas en terra, e ese hemisferio ten máis superficie continental. As concentracións varían estacionalmente cun mínimo ao final do verán, principalmente debido á eliminación de metano producida por reaccións co radical hidroxilo. 400px|miniatura|dereita|Concentracións de metano ata 2011.
Aos inicios da historia da Terra, aproximadamente hai uns 3,5 miles de millóns de anos, había 1.000 veces máis metano na atmosfera terrestre que o que hai agora, que era liberado á atmosfera pola actividade volcánica. Durante este tempo, apareceron as primeiras formas de vida sobre a Terra. Estas primeiras bacterias primitivas que apareceron fixeron aumentar a concentración de metano ao converteren o hidróxeno e o dióxido de carbono en metano e auga. O oxíxeno non supuxo unha proporción importante da atmosfera ata que evolucionaron os organismos fotosintéticos en etapas posteriores. Sen oxíxeno, o metano permanecía na atmosfera durante máis tempo e acadaba maiores concentracións que as actuais.
O metano orixínase preto da superficie, e é transportado á estratosfera polo aire ascendente dos trópicos. As acumulacións incontroladas de metano na atmosfera terrestre son controladas de forma natural (aínda que a influencia humana pode alterar esta regulación natural) por medio da reacción do metano con radicais hidroxilo formados a partir de átomos de oxíxeno singulete e con vapor de auga. miniatura|dereita|400px|Concentracións de metano (curva verde) durante 420.000 anos segundo datos tomados de mostras de xeo da estación de investigación antártica Vostok. O período actual está á esquerda.
O metano como gas invernadoiro O metano na atmosfera terrestre é un forte gas de efecto invernadoiro, o cal se cuantifica co seu potencial de quecemento global, que se pode medir nun período de 100 anos ou de menos, comparado coa mesma masa de dióxido de carbono no mesmo período. O metano ten un grande efecto (100 veces maior que o do dióxido de carbono) en breves períodos (ten unha vida media na atmosfera de 7 anos, segundo algunhas estimaciónsPhys.org - methane), mentres que o dióxido de carbono ten un efecto pequeno pero durante períodos longos (uns 100 anos). A causa desta diferenza de efectos e de períodos de tempo, o potencial de quecemento global do metano en 20 anos é de 86 e baixa a 29 en 100 anos (pola súa pouca persistencia na atmosfera).Intergovernmental Panel on Climate Change. Summary for policymakers. in: Climate change 2013: The physical science basis. contribution of working group i to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Technical report, Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA., 2013
A concentración do metano na atmosfera incrementouse nun 150% desde 1750, e agora supón o 20% de forzante radiativo total de todos os gases de invernadoiro de vida longa e mesturados globalmente. Segundo a NOAA as concentracións de metano atmosférico están por riba de 1820 ppb, principalmente debido á liberación de metano ártica a partir da fusión de clatratos de metano. A concentración de metano atmosférica non foi tan alta desde hai centos de miles de anos e correlaciónase co incremento en 9 °C da temperatura media da Terra.
Ciclo global do metano miniatura|center|550px|Diagrama moi simple do ciclo global do metano que mostra o fluxo do metano desde as súas fontes á atmosfera e os sumidoiros que consomen metano. A explicación atoparase nas seguintes seccións.
A. Permafrost, glaciares, e núcleos de xeo – Fontes que liberan lentamente o metano atrapado nos ambientes xeados a medida que se eleva a temperatura.
B. Zonas húmidas – As temperaturas cálidas e os ambientes húmidos son ideais para a produción de metano, na cal interveñen microorganismos.
C. Lumes forestais – A combustión da materia orgánica libera metano á atmosfera.
D. Campos de arroz – Canto máis cálido e húmido sexa o campo de arroz, máis metano produce. Tamén producen óxidos de nitróxeno con efecto invernadoiro.Kritee Kritee, Drishya Nair, Daniel Zavala-Araiza, Jeremy Proville, Joseph Rudek, Tapan K. Adhya. High nitrous oxide fluxes from rice indicate the need to manage water for both long- and short-term climate impacts. PNAS September 25, 2018 115 (39) 9720-9725; primeira publicación 10 de setembro de 2018.
E. Animais – A dixestión dos ruminantes produce por acción dos microorganismos simbiontes dos seus estómagos moito metano, que despois se libera. Tamén as térmites teñen ese tipo de simbiontes.
F. Plantas – Aínda que o metano pode ser consumido no solo antes de ser liberado á atmosfera, as plantas poden liberalo tamén polas follas.
G. Vertedoiros de lixo – A materia orgánica en descomposición e as condicións anaeróbicas causan que os vertedoiros sexan unha fonte significativa de metano.
H. Plantas depuradoras de augas – O tratamento anaeróbico dos compostos orgánicos presentes nas augas residuais produce metano.
I. Radical hidroxilo – O radical hidroxilo na atmosfera é o maior sumidoiro de metano atmosférico e unha das fontes máis importantes de vapor de auga na atmosfera superior.
J. Radical cloro – O radical cloro libre na atmosfera tamén reacciona co metano.
Medida das emisións de metano miniatura|400px|Modelos por computadora que mostran a cantidade de metano (partes por millón por volume) na superficie (arriba) e na estratosfera (abaixo). Previsión Química do GMAO e Simulacións GEOS–CHEM NRT para o ICARTT (arriba) e Rama de Química e Dinámica Atmosférica da NASA GSFC, Randy Kawa (abaixo).
O equilibrio entre as fontes emisoras e os sumidoiros de metano non se comprende totalmente. O Grupo de Traballo I do Grupo intergobernamental sobre o cambio climático (IGCC) afirma no capítulo 2 do Informe da Cuarta Estimación que hai "grandes incertezas na estimación de abaixo a arriba actual dos compoñentes das fontes globais"Cita orixinal: "large uncertainties in the current bottom-up estimates of components of the global source", e o equilibrio entre as fontes e os sumidoiros non está tampouco claro. O sumidoiro máis importante no ciclo do metano é a reacción co radical hidroxilo, que se produce fotoquimicamente na atmosfera. A produción deste radical non se comprende ben malia o seu grande efecto sobre as concentracións atmosféricas de metano. Esta falta de seguranza exemplifícase coas observacións feitas entre os anos 2000 e 2006 que mostraban que os incrementos na concentración atmosférica de metano cesaron sen que houbese unha redución nas fontes antropoxénicas, o que demostra que as estimacións de metano non predín de forma exacta as observacións do metano.
Houweling et al. (1999) dan as seguintes estimacións para as emisións do metano (Tg/a=teragramos por ano):
OrixeEmisión de CH4Masa (Tg/ano)Tipo (%/ano)Total (%/ano)Emisións naturais (+ campos de arroz)zonas húmidas (incluídos campos de arroz) 225 83 37Térmites 20 7 3Océanos 15 6 3Hidratos 10 4 2Total natural 270 100 45Emisións antropoxénicas (excepto campos de arroz)Enerxía 110 33 18Vertedoiros de lixo 40 12 7Ruminantes (gando) 115 35 19Tratamento do lixo 25 8 4Queima de biomasa 40 12 7Total antropoxénico 330 100 55VertedoirosSolos -30 -5 -5Hidroxilos troposféricos -510 -88 -85Perda estratosférica -40 -7 -7Total sumidoiros -580 -100 -97Emisións + SumidoirosDesequilibrio (tendencia) +20 ~2,78 Tg/(nmol/mol) +7,19 (nmol/mol)/a
Todos os procesos que dean lugar á produción de metano e a súa liberación á atmosfera poden ser considerados como unha "fonte". Os dous procesos principais que son responsables da produción de metano ocorren como resultado da conversión anaeróbica de compostos orgánicos en metano feita por microorganismos.
A produción de metano ou metanoxénese ocorre principalmente en condicións anaeróbicas debido á falta doutros oxidantes. Nestas condicións, os organismos microscópicos chamados arqueas utilizan o acetato e o hidróxeno para degradar substratos esenciais nun proceso chamado fermentación.
Na metanoxénese acetoclástica certas arqueas *clivan o acetato producido durante a fermentación anaeróbica para render metano e dióxido de carbono.
H3C-COOH → CH4 + CO2
Na metanoxénese hidroxenotrófica as arqueas oxidan o hidróxeno con dióxido de carbono para producir metano e auga.
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
Aínda que as metanoxéneses acetoclástica e hidroxenotrófica son as dúas fontes principais de metano atmosférico, hai tamén outras fontes menores de metano. miniatura|350px|Contribución de diversos procesos á produción de metano atmosférico.
Fontes naturais de metano atmosférico A maioría das emisións ecolóxicas de metano están directamente relacionadas cos metanóxenos que xeran metano nos solos húmidos e cálidos e nos tractos dixestivos de certos animais.
Metanóxenos Os metanóxenos son microorganismos produtores de metano. Para producir enerxía, utilizan o proceso anaeróbico da metanoxénese en lugar dos procesos aeróbicos nos que se usa o oxíxeno, porque os metanóxenos son incapaces de metabolizar se están en presenza de só unha pequena concentración de oxíxeno. Cando a molécula de acetato rompe na metanoxénese, o resultado é a liberación de metano no medio ambiente.
Zonas húmidas As zonas húmidas achegan aproximadamente o 20% do metano atmosférico por medio de emisións desde os solos e as plantas. As zonas húmidas contrarrestan a acción de sumidoiro de metano que normalmente realiza o solo dependendo da profundidade da táboa de auga, a cal inflúe na difusión do metano e nas condicións máis ou menos anaerobias do solo e, por tanto, do tipo de microorganismos que actúan, metanotróficos ou metanóxenos. Cando o metano atravesa a auga, ten que circular entre as moléculas en rápido movemento de auga e tarda máis tempo en chegar á superficie. Cando viaxa polo solo, o seu movemento é máis fácil e a difusión á atmosfera máis rápida. Esta teoría do movemento está apoiada por observacións feitas nas zonas húmidas nas que hai fluxos significativos de metano despois de que hai unha baixada da táboa de auga debido á seca.
Animais Os animais ruminantes, especialmente vacas e ovellas, conteñen nos seus estómagos bacterias e outros microorganismos que lles axudan a dixerir o seu alimento vexetal. Algúns destes microorganismos utilizan o acetato procedente do material vexetal para producir metano, que se elimina cando o animal arrota ou defeca. A cantidade de metano emitida por unha vaca equivale á cantidade de metano que poden consumir 10.117 m² de bacterias metanotróficas.