Nyt udstyr måler tabene af metan og CO2 fra søer

Metan er kendt af mange som indholdet i køers bøvser og prutter og som en potent drivhusgas - langt kraftigere end CO₂.

Men globalt udledes der mere metan (sumpgas) fra rismarker, moser, sumpe, søer og kystvande med iltfrie forhold nede i bunden.

I vores forskning fokuserer vi på søer, som udleder både CO₂ og metan. Men hvor meget gas lader søer egentligt slippe ud? Er det mest om natten eller dagen, mest i midten eller ude ved bredden, og er der nogle faktorer, der kan påvirke udslippet?

Det har vi haft svært ved at vurdere, for indtil nu har måleudstyret været dyrt og upraktisk. Men med udviklingen af nyt udstyr, der både er billigt og kan måle langt oftere og flere steder, kan vi herunder præsentere de første danske resultater for CO₂ og metan-udslip i en dansk sø.

Udstyret og resultaterne er beskrevet i en artikel netop udgivet i Science of The Total Environment

Metan er svært at måle på

Vi ved, at tabene af metan varierer meget fra sted til sted på søer.

Det gælder især tabene som bobler fra søbunden, hvor metanen dannes ved nedbrydning af organisk stof under iltfrie forhold.

Det kan boble lystigt fra mudderbunden men sporadisk fra sandbunden.

Derfor kræver det tætte målinger hen over søen og over lange tidsrum at opnå et tilstrækkeligt overblik til at beregne det samlede metan-tab fra en hel sø.

Skal vi opnå et mere fyldestgørende billede af, hvor meget metangas der slipper ud i atmosfæren fra søer, har vi derfor brug for udstyr, der på en stabil måde kan måle på de sporadiske gasudslip mange steder og længe.

Men metan er ikke den eneste gas, der udslipper søerne.

Fotosyntesen påvirker måling af CO₂

Udvekslingen af CO₂ mellem luften og søvandet varierer meget mindre end metan hen over søen. Det skyldes, at CO₂ er meget vandopløseligt og ikke danner bobler i søen.

Planters CO₂-forbrug ved fotosyntese betyder, at CO₂ ofte optages fra luften til søen om dagen, når fotosyntesen foregår. Omvendt danner alle organismer CO₂ ved respiration, og det skaber tab af CO₂ om natten fra søen til luften.

Derfor må man måle både dag og nat - og det er en udfordring.

Nyt prisbilligt måleududstyr

Tidligere målinger af metan og CO₂ har været begrænsede til stort og meget kostbart laserudstyr, der ikke kunne benyttes til målinger dag og nat mange steder på søen.

Det nye udstyr benytter små prisbillige metan- og CO₂-sensorer, der kan anbringes i såkaldte kamre, der flyder på vandoverfladen mange steder, som det ses på fotoet øverst i artiklen.

Sensorerne blev første gang anvendt af svenske kolleger, men nu har vi taget anvendelsen flere vigtige skridt videre.

Vi har indstillet sensorerne til at måle indholdet af metan og CO₂ i luften med få sekunders mellemrum.

Sådan foregår målingerne

Målingerne sker inde i plastikspande, som er vendt på hovedet og forsynet med en flydekrave, så luften i kammeret står i fri kontakt med vandoverfladen.

Gaskoncentration i flydekammeret må ikke afvige for meget fra indholdet i den omgivende luft.

For at lave korrekte målinger har vi derfor tilført en lille luftpumpe, som er indstillet til automatisk med faste mellemrum at udskifte kammerluften med luft udefra.

Det er afgørende for at kunne udføre gentagne og korrekte målinger over mange dage.

Kamrene rummer andre små sensorer og en logger, der lagrer alle nødvendige måleværdier for beregning af gassernes bevægelse mellem vandet og luften.

Systemet drives af strøm fra batterier i en vandtæt beholder, der flyder nær ved flydekammeret.

Løbende målinger mange steder

Det nye udstyr rummer tre afgørende fordele.

• Kostprisen er lav for det hjemmebyggede udstyr, så vi producerede 25 kamre, der kunne måle samtidigt mange steder på søen.
• Hyppig udskiftning af luften i kamrene betyder, at vi kan måle metans og CO₂’s bevægelse mellem søvandet og luften over korte tidsrum, for eksempel af 40 minutters varighed med luftpumpen slukket. I de næste 20 minutter udskifter pumpen kammerluften fuldstændigt med frisk atmosfærisk luft udefra.
• Batterierne sikrer, at målinger kan fortsætte dag og nat over flere døgn, så længe strømmen rækker.

Måleudstyret rummer faktisk endnu en fordel. Da metan-sensoren måler hvert andet sekund, registrerer vi metan-bobler, der stiger op fra søbunden, passerer vandoverfladen og udløser en pludselig stigning i kammerets metan-indhold, som illustreret på figuren senere i artiklen.

Besværlige og tidskrævende tragte

Tidligere har man benyttet tragte anbragt under vandet til at opsamle opstigende bobler. Men tragtene er besværlige og tidskrævende at anbringe, og mængden af opsamlet gas skulle måles og indholdet af metan i gas bestemmes på specialudstyr i laboratoriet.

Tragtene kan kun måle det samlede tab af metanbobler i løbet af de dage, de har været i søen og metoden registrerer dermed ikke, hvornår boblerne kommer, eller hvor store de er.

Og metoden har de yderligere problemer, at metan opsamlet i tragten kan optages af vandet undervejs, og metanen kan endvidere nedbrydes af bakterier, der lever af at ilte metanen til CO₂.

Fintfølende nye sensorer

Det nye udstyr registrer derimod metan-indholdet i hver enkelt boble, der måtte ankomme, hvert andet sekund, alle de dage udstyret er ude.

Derfor registrerer vi, om metan-bobler frigives fra bunden og stiger til overfladen i bestemte tidsrum, måske udløst af kraftig vind eller trykfald over søen.

Vi kender også boblernes metan-indhold og om indholdet eventuelt følger en fysisk lovmæssighed.

I perioder uden bobler måler sensoren den jævne stigning i kammerets metan-indhold. Stigningen skyldes molekyler, som ved egen bevægelse (diffusion) passerer fra det normalt højere metan-indhold i søvandet op i luften, jævnfør figuren herunder.

Når CO₂ bevæger sig mellem søvandet og luften, sker det udelukkende ved molekylernes egen bevægelse og ikke som bobler.

Derfor ser vi altid en jævn stigning i kammerluftens CO₂ indhold, når søvandet har et højere CO₂ indhold end luften.

Er CO₂ indholdet derimod lavt i søvandet på grund af intensiv fotosyntese i søen, bevæger flere molekyler sig den modsatte vej, så kammerluftens CO₂ indhold falder jævnt.

20 kamre og 80 måle-positioner senere…

Men hvad fandt vi så ud af med dette nye, smarte måleudstyr?

De første målinger skete i løbet af fire døgn i efteråret 2021 på Lyngsø ved Silkeborg.

20 kamre blev ved afslutningen af hvert døgn flyttet til en ny position på søen, så målingerne i løbet af de fire døgn skete på 80 positioner med en indbyrdes afstand mellem dem på 13 meter.

Fem kamre forblev samme sted for om nødvendigt at kunne korrigere, hvis ændringer i vind og vejr undervejs påvirkede målingerne. Det var ikke tilfældet.

Derfor kunne vi tegne et kort over tabene af metan som bobler og ved diffusion ud over hele søens overflade.

Kortet viser, at tab af metan-bobler til luften især er stort fra mudderbunden på de dybeste områder midt i søen mellem fem og syv meter.

Derimod var tabene mindre, men også meget variable, fra lavt vand med forskellige bundtyper.

Stor forskel på hvordan metan og CO₂’en udledes

Nogle områder frigav ingen metan-bobler, mens andre frigav mange.

I et enkelt område udløste en flok sultne brasen (karpefisk), som suger bunddyr ud af bunden, stor forstyrrelse og frigivelse af særligt mange metan-bobler.

Målinger på 72 positioner var nødvendige for at opnå et meget sikkert samlet tal for søen.

Frigivelsen af metan som enkelte molekyler ved diffusion varierede meget mindre end frigivelsen som bobler hen over søen; her var der ingen systematiske forskelle mellem lavt og dybt vand.

Strømninger i søen havde fordelt metanen mere jævnt i vandmassen, men der var alligevel så store forskelle afhængig af bundtype og plantedække, at det var nødvendigt at måle mange steder for at opnå en sikker samlet værdi for hele søen.

CO₂ blev tabt til luften både om dagen og om natten i efteråret, men tabene var mindst om dagen på grund af fotosyntese.

Tabene skete udelukkende ved diffusion, og de var nogenlunde jævnt fordelt hen over hele sø-overfladen.

Mest metan tabes som bobler

Metan blev langt overvejende tabt til luften som bobler, mens tabene af metan som enkelte molekyler gennem vandoverfladen var fire gange lavere end mængden af bobler.

Korrekte resultater kræver derfor, at man måler metan-bobler og er indstillet på at måle mange steder på søen, nat og dag.

Om vinteren ved lave temperaturer går nedbrydningen af organisk stof i søbunden langsommere, men metan-dannelsen går ikke altid helt i stå.

Større tab af CO₂ end metan

I den undersøgte periode blev der i vægt tabt 36 gange mere CO₂ end metan. Men da CO₂ har en markant mindre drivhuseffekt end metan per vægt-enhed, så er CO₂’s samlede drivhuseffekt i atmosfæren blot 1,5 gange større end metans.

Skal effekterne af udslippene vurderes mere præcist, kræver det selvfølgelig målinger året rundt.

Undersøger vi en sø et helt år, vil vi se et tab af begge gasser og forventeligt også markant større tab af CO₂ end metan i vægt - og dermed også større drivhuseffekt af CO₂ end metan.

Det mønster er helt naturligt. CO₂ i søer stammer fra tilførsel med vand fra land, både opløst og bundet i organisk stof, som så nedbrydes og frigøres fra søen tilbage til luften.

Cirkulationen foregår således:

Urter og træer på land optager CO₂ fra luften, og indbygger den i deres produktion af organisk stof, hvoraf en god del tilføres søen.

Her lagres det organiske stof enten permanent i søbunden eller nedbrydes til CO₂ og frigøres til luften.

Målinger skaber vigtig viden om drivhusgasser

Nogle har foreslået, at vi så skulle fjerne små søer og damme i håb om at mindske gas-tabene til atmosfæren, men det vil blot skabe endnu større udslip, idet vi mister den permanente aflejring i søbunden.

I stedet vil vandet fra land føres videre med vandløb, hvor alt organisk stof nedbrydes og al CO₂ til slut returneres til atmosfæren.

Når det er sagt, så er det selvfølgelig vigtigt at modvirke for store tab af metan. Nu har vi fået velegnet udstyr til at kvantificere disse tab meget bedre fra søer, damme og vandløb og dermed vurdere, hvor store de i grunden er, om de kan reduceres og i givet fald, hvordan.