Metan – gasen som gäckar klimatforskarna

Den italienske greven och fysikern Alessandro Volta är i dag mest känd som mannen bakom den elektriska enheten volt. Men hans intressen sträckte sig långt bortom elektriciteten.

En sommardag år 1776 färdades Volta med båt längs vassruggar nära den lilla staden Angera vid Lago Maggiore i norra Italien. Där lade han märke till något intressant: När han körde ner en käpp i den leriga bottnen steg mängder av bubblor mot ytan. Volta samlade in gasen och upptäckte att den kunde antändas, och att den brann långsamt med blå låga. Han kallade gasen aria infiammabile nativa delle paludi (kärrens naturligt förekommande brännbara luft). Numera talar vi om metan.

Gasen är varken exotisk eller ovanlig. Metan är en av naturens mest utbredda molekyler, och dessutom den organiska kemins allra enklaste – en enda kolatom bunden till fyra väteatomer. Metan kan förekomma i nästan ren form djupt under jordytan i geologiska reservoarer. Gasen finns också långt bortom vår egen planet, i atmosfärerna hos planeter och månar i solsystemet och ännu längre ut.

Det Volta råkade upptäcka var en utbredd biologisk process som ligger bakom merparten av metanet i jordens atmosfär. I Voltas våtmarker frodades metanproducerande mikroorganismer, så kallade metanogener. I den syrefattiga miljön är metan den huvudsakliga slutprodukten av deras ämnesomsättning.

Metan är en lätt molekyl med jämnt fördelad elektrisk laddning, vilket gör att den har en stark benägenhet att förekomma som gas. Lösligheten i vatten är låg. Detta skapar en fysisk drivkraft för metan att röra sig mot atmosfären varhelst det bildas i miljön. Så länge metanet lyckas undvika en annan typ av mikroorganismer på vägen – metanotrofer som använder metan som kol- och energikälla – når det sitt slutliga mål, precis som Volta observerade i bubblorna som steg upp ur sjöbottnen.

Väl i atmosfären sprids metanet runt hela jordklotet. Det finns vanligtvis kvar i omkring tio år innan det förstörs i mötet med mycket reaktiva ämnen, främst så kallade hydroxylradikaler, som förekommer naturligt i luften.

Atmosfärforskare studerar ämnen i luften, och om vi ser förändringar i atmosfären behöver vi förstå vad som händer. De grundläggande principerna är enkla. Koncentrationen av metan i atmosfären förblir konstant om hastigheten med vilken metan förstörs i atmosfären är lika stor som hastigheten av utsläppen (till exempel från metanogener). En rubbning av jämvikten leder till ändrade koncentrationer, vilket vi atmosfärforskare kan mäta.

Luften vi andas består av omkring 78 procent kväve, 21 procent syre och knappt 1 procent argon. Därutöver finns små mängder koldioxid, metan och andra spårgaser.

Före industrialiseringen låg koncentrationen av koldioxid på omkring 280 miljondelar. I dag överstiger den 420 miljondelar, främst till följd av förbränningen av fossila bränslen. Koncentrationen av metan har varit lägre än 1 miljondel under åtminstone de senaste 800 000 åren. Det framgår av mätningar i iskärnor. Under 1900-talet kom en snabb ökning och halten överstiger i dag 1,9 miljondelar.

Några av orsakerna till ökningen är utsläpp från metanogener som människan påverkar – från kors magar, vattenmättade risfält och den syrefria nedbrytningen av organiskt avfall på soptippar.

En annan stor och tydlig källa till metan som når atmosfären kommer från utvinningen av fossila bränslen djupt under marken. Där har metan tidigare varit instängt och avskuret från miljön vid jordytan i tusentals år. Naturgas består nästan helt av metan, men även kol- och oljefyndigheter är en källa till metanutsläpp när de utvinns.

Ett knappt sekel efter Voltas upptäckt började amerikanen Eunice Newton Foote och irländaren John Tyndall undersöka hur gaser som finns i jordens atmosfär kan påverka dess temperatur. Genom experiment visade de att vissa atmosfäriska gaser kan fånga värme, och Tyndall utförde de första mätningarna av metanets effekt.

När upptäckterna gjordes kring mitten av 1800-talet väckte de begränsad uppmärksamhet utanför fysik- och kemikretsar. Det var först under andra hälften av 1900-talet, när atmosfäriska mätningar visade att metankoncentrationerna stadigt ökade, som deras banbrytande arbete blev miljömässigt betydelsefullt. I dag är det en stor utmaning inom klimatvetenskap och klimatpolitik att förstå vad som driver denna ökning av atmosfäriskt metan, och hur den kan begränsas.

Växthuseffekten uppstår eftersom jordytan absorberar solljus och återutsänder en del av denna energi som infraröd strålning, varav en del absorberas av gaser i atmosfären. Tyndalls tidiga arbete visade att vissa gaser absorberar infraröd strålning. Vid dagens halter i atmosfären påverkar en extra metanmolekyl jordens energibalans ungefär 30 gånger mer än en extra koldioxidmolekyl. En vanlig uppskattning är att metan står för omkring en tredjedel av den nuvarande uppvärmningen som orsakas av människan.

Sambandet mellan stigande metanhalter och gasens förmåga att värma planeten uppmärksammas än i dag. År 2026 tilldelade Kungl. Vetenskapsakademien Crafoordpriset, ett av de mest betydelsefulla grundvetenskapliga priserna, till Veerabhadran Ramanathan för hans banbrytande forskning om hur sådana klimatpåverkande ämnen i atmosfären bidrar till klimatförändringarna.

En fortsatt ökning av atmosfäriskt metan är tydlig i dagens atmosfäriska mätserier. Forskare kan med säkerhet säga att atmosfärens koncentration av metan har ökat varje år under de senaste 20 åren, och att 2020 och 2021 hade de högsta årliga ökningarna som någonsin uppmätts.

Atmosfärisk övervakning kräver betydande ansträngning och tålamod för att säkerställa kontinuitet och tillförlitlighet över tid och rum – över årtionden och från polcirkeln till Antarktis. Det finns också andra verktyg än att direkt mäta metankoncentrationen vid markytan. Genom att kartlägga förhållandet mellan sällsynta och vanliga isotoper i metanet går det att få en bättre bild av hur metan hamnar i, och försvinner från, atmosfären

Olika metankällor har olika isotopsignaturer. Levande organismer föredrar i allmänhet lättare isotoper i sina biokemiska processer. Det innebär att metanogena källor (mikroorganismer) avger metan med något mer av den lättare isotopen kol-12 än av den tyngre kol-13, jämfört med metan som kommer från fossila bränslen.

Skillnaderna i atmosfärens isotopsammansättning kan i sin tur bidra till säkrare besked om metanets ursprung. Sådana analyser har till exempel visat att den senaste ökningen av metan tros bero på ett ökat bidrag från metanproducerande mikroorganismer.

Samtidigt börjar satellitövervakning förändra vår förmåga att observera områden med mycket höga utsläpp. Satelliter kan nu identifiera ”superutsläppare”, mycket stora läckor från små områden, till exempel från rörledningar, oljefält, deponier och industriell infrastruktur.

En viktig utmaning är nu att knyta samman dessa olika typer av observationer – från globala förändringar i atmosfären till utsläpp från enskilda platser. Mätningar och modeller på olika skalor kommer att vara avgörande för att förstå vad som kommer att styra framtida trender i atmosfäriskt metan när klimatet blir varmare.

Att minska utsläppen från produktionen av fossila bränslen är fortfarande den tydligaste och mest omedelbara prioriteringen. Metanutsläpp från användning av olja, gas och kol är ofta starkt koncentrerade, mätbara och tekniskt möjliga att minska genom förbättrad övervakning, upptäckt av läckor och bättre hantering av den industriella infrastrukturen.

Detta har drivit fram stora internationella politiska initiativ, däribland Global methane pledge (GMP). Mer än 150 länder ingår i ett samarbete som inleddes år 2021. De har åtagit sig att minska de globala utsläppen av metan som människan orsakar med minst 30 procent till år 2030.

GMP är alltså en politisk ram för att samordna åtgärder. Vilka åtgärder olika länder eller industrisektorer sedan genomför i praktiken, och hur de verifieras, påverkas av framsteg när det gäller att kartlägga hur halten av metan i atmosfären varierar i tid och rum.

Traditionellt har redovisning av växthusgasutsläpp utgått från aktivitetsdata (till exempel hur många kor som finns i ett land) och emissionsfaktorer (en uppskattning av hur mycket metan varje ko producerar). Ofta kom informationen från begränsade studier.

I dag kompletteras denna metod i allt högre grad av atmosfäriska mätningar, inklusive markbaserade nätverk och satelliter, som kan användas för att utvärdera och förbättra uppskattningar av utsläpp på nationell nivå, men också av riktade mätkampanjer som syftar till att förbättra uppskattningar för specifika anläggningar. Dessa observationer, tillsammans med traditionella inventeringsuppskattningar, sammanställs i bedömningar såsom Global Methane Budget och Internationella energiorganets Global Methane Tracker, vilket ger ett kunskapsunderlag för klimatpolitik och framtida utsläppsutveckling.

Det är betydligt svårare att förutsäga metanets framtida utveckling än den till synes obevekliga ökningen av atmosfärisk koldioxid, som i stort sett har följt ökningen av utsläpp från fossila bränslen. Ett komplext samspel mellan mänskliga utsläpp, variationer i naturliga ekosystem och återkopplingar i klimatsystemet avgör om koncentrationen av metan i atmosfären fortsätter att öka snabbt, stabiliseras eller börjar minska under det kommande decenniet. En av många osäkerheter är hur en fortsatt snabb uppvärmning av Arktis skulle påverka mikroorganismer där som omsätter metan.

Lyckligtvis pågår en snabb utveckling av de vetenskapliga mätverktygen: satellitövervakning, underhåll och utbyggnad av markbaserade observationsnätverk samt atmosfärisk modellering. Under de kommande årtiondena kommer sådana verktyg att bli avgörande för att minska utsläpp och förbättra vår förmåga att förutsäga utvecklingen för denna viktiga växthusgas.