Bellenpomp

DUS TOCH? Of toch niet? Maar eerst het nieuws. Vorige week maakten persbureaus bekend dat het weer fout dreigt te gaan rond het Nyos-meer in Kameroen. Ze liepen vooruit op een publicatie in de Proceedings of the National Academy of Sciences van 4 oktober van George W. Kling en anderen. `Killer lakes in Cameroon may strike again', begreep New Scientist. Want er zijn twee gevaarlijke meren.

Lake Nyos was de plaats in Kameroen waar in augustus 1986 bijna tweeduizend mensen om het leven kwamen door een gebeurtenis die aanvankelijk niet werd begrepen. Samen met hun huisdieren en hun vee waren ze, leek het wel, op staande voet gestorven alsof een gasaanval had plaatsgevonden. Het was de herhaling van een al even onbegrepen ongeluk, twee jaar eerder, rond Lake Monoun. Daarbij kwamen 37 mensen om het leven.

Lake Nyos en Lake Monoun zijn kratermeren van het soort dat in Europa `maren' wordt genoemd. Ze zijn gevuld met regenwater en Nyos is ruim 200 meter diep. Monoun gaat maar tot een meter of honderd. Onderzoek ter plekke maakte snel duidelijk dat beide meren aan de onderzijde in verbinding stonden met bronnen die veel koolzuur (CO2) en verder ook methaan (CH4) uit de diepte aanvoerden. Vulkanische gassen dus. Het CO2, dat uitstekend oplost in koud water, hoopt zich in opgeloste vorm op in het bodemwater van de meren. De concentratie van CO2 op de bodem kan formidabel oplopen omdat het bodemwater door het opnemen van CO2 steeds zwaarder wordt. Daardoor wil dat CO2-rijke water van lieverlee niet meer mengen met het bovenstaande water: het stabiliseert. Het bodemwater kan verzadigd raken aan CO2, het kan zelfs oververzadigd raken.

Als dat laatste gebeurt wordt de toestand `inherent instabiel', noteert de Franse technicus Michel Halbwachs op de site perso.wanadoo.fr/mhalb. Want als in dit oververzadigde water, door wàt voor minieme verstoring dan ook, belvorming optreedt (zoals in een Cola-flesjes waarvan de kroonkurk wordt verwijderd) dan voeren de bellen het omringende waterpakket mee naar boven. Daar warmt het water op en neemt de omgevingsdruk af zodat de bellen snel aangroeien. Er kan een waterstroom op gang komen die in één keer de hele gasvoorraad naar de oppervlakte brengt. Een meer met gashoudend water aan de bodem is een catastrofe-machine. Op elk willekeurig moment kan een `limnic eruption' plaats vinden.

Achteraf is komen vast te staan dat de doden rond Nyos en Monoun inderdaad het slachtoffer zijn geworden van een CO2-gaswolk die plotselig ontsnapte. CO2 is `zwaarder dan lucht', zoals dat altijd heet, en de wolk zakte langs de hellingen van de dode vulkanen naar beneden. Ingeademd in hoge concentratie kan CO2 zeer giftig zijn.

Nu goed. Dit moest voortaan voorkomen worden en de regering van Kameroen kreeg hulp van Franse experts, waaronder Halbwachs, om daarover na te denken. De oplossing bleek wonderlijk eenvoudig. De Fransen installeerden een lange vertikale plastic buis in Lake Monoun, een buis die enerzijds praktisch tot aan de bodem reikte en aan de andere kant net boven het wateroppervlak stak. Met een simpele pomp werd daarin een opwaartse waterstroming opgewekt en binnen de kortste keren onderhield die zichzelf. Toen later, in 2001, in het veel diepere Lake Nyos hetzelfde werd gedaan met een pijp die een binnendiameter had van nog geen 15 cm ontstond het beeld dat hier op de foto staat. Een spontane fontein die geen spat energie verbruikt en toch meer dan twintig meter hoog spuit. Het kunstje was afgekeken van een Rwandees project aan de oevers van het Kivumeer voor de winning van methaan uit water.

Het nieuws uit de PNAS van deze week is dat er misschien toch nog wat affakkelbuizen bij moeten om toekomstige ophoping van CO2 uit te sluiten. De dwingende AW-vraag is natuurlijk: wat is het dat deze reuze soda fountain in stand houdt? Nog maar kort geleden (30 april) kwam hier de `perpetual salt fountain' ter sprake. Deze fontein, waaraan de naam van de Amerikaan Henry M. Stommel is verbonden, is nooit verder gekomen dan het laboratorium. Maar hij had in de Sargasso Zee moeten gaan spuiten. Diep onder die zee, aan de bodem van de oceaan, bevindt zich een waterlaag die weinig zout bevat en zijn zwaarte (dichtheid) voornamelijk dankt aan zijn lage temperatuur. Stommel stelde zich voor om, zoals in Nyos en Monoun, een vertikale buis naar de bodem van de oceaan te brengen en dat bodemwater daardoor naar boven te pompen. Als het zoutarme water onderweg voldoende werd opgewarmd door het omringende water zou het een dichtheid krijgen die lager was dan dat omringende water. Daarna zou de stroom zich vanzelf in stand houden. Theoretisch klopt het, maar de Sargasso Zee was te diep voor een praktische uitvoering.

Ook van het watertransport door de polyetheen buizen in Kameroen wordt gezegd dat het isothermisch is, dus dat er steeds temperatuurevenwicht is met de omgeving. Dat is, gezien de stroomsnelheid, niet geloofwaardig, en het is ook niet de motor achter de fontein. De inhoud van de buis heeft vooral een laag gewicht omdat hij voor een groot deel uit gas bestaat. Het CO2 dat onder aan de buis net begint vrij te komen in de vorm van minuscule belletjes krijgt halverwege de vorm van bellen die de gehele buis vullen. De buizen van Kameroen werken als een `airlift pump'.

Zo blijft er hier onder in de rubriek nog wat ruimte over om stil te staan bij een ander eigenaardig feit: de gewoonte om te beweren dat CO2 `zwaarder is dan lucht'. Het is voor een HBS-er sowieso al moeilijk te begrijpen hoe stoffen die geen vaste vorm hebben zwaarder of lichter dan elkaar kunnen zijn. In dit geval is het extra lastig omdat lucht een mengsel is van een paar gassen die zelf onderling ook al niet `even zwaar' zijn, zonder dat dit tot problemen leidt. Zuurstof is zwaarder dan stikstof, maar de verhouding van beide gassen is tot op grote hoogte in de troposfeer constant. Sterker nog: ook de concentratie CO2 is bijna overal in de atmosfeer even groot. Zeggen dat CO2 zwaarder is dan lucht is beweren dat krenten zwaarder zijn dan müsli. Het is raar.