At se planeten trække vejret - studere Jordens kulstofkredsløb fra rummet

Kulstof er en byggesten i livet på vores planet. Det er lagret i reservoirer på Jorden – i klipper, planter og jord – i havene, og i atmosfæren. Og den cykler konstant mellem disse reservoirer.

At forstå kulstofkredsløbet er afgørende vigtigt af mange årsager. Det giver os energi, opbevares som fossilt brændstof. Kulstofgasser i atmosfæren hjælper med at regulere jordens temperatur og er afgørende for planters vækst. Kulstof, der passerer fra atmosfæren til havet, understøtter fotosyntesen af ​​marine planteplankton og udviklingen af ​​rev. Disse processer og utallige andre er alle sammenvævet med Jordens klima, men måden, hvorpå processerne reagerer på variabilitet og klimaændringer, er ikke godt kvantificeret.

Vores forskergruppe ved University of Oklahoma leder NASAs seneste Earth Venture Mission, det geostationære kulstofobservatorium, eller GeoCarb. Denne mission vil placere en avanceret nyttelast på en satellit for at studere Jorden fra mere end 22, 000 miles over Jordens ækvator. Observation af ændringer i koncentrationen af ​​tre centrale kulgasser - kuldioxid (CO2), metan (CH4) og kulilte (CO) – fra dag til dag og år til år vil hjælpe os til at tage et stort spring fremad i forståelsen af ​​naturlige og menneskelige ændringer i kulstofkredsløbet.

GeoCarb er også et innovativt samarbejde mellem NASA, et offentligt universitet, et kommercielt teknologiudviklingsfirma (Lockheed Martin Advanced Technology Center) og et kommercielt kommunikationslancerings- og hostingfirma (SES). Vores "hosted payload" tilgang vil placere et videnskabeligt observatorium på en kommerciel kommunikationssatellit, baner vejen for fremtidige lavpriser, kommercielt muliggjorte jordobservationer.

Observation af kulstofkredsløbet

Den berømte "Keeling-kurve, "som sporer CO2-koncentrationer i Jordens atmosfære, er baseret på daglige målinger ved Mauna Loa Observatory på Hawaii. Det viser, at de globale CO2-niveauer stiger over tid, men ændrer sig også sæsonmæssigt på grund af biologiske processer. CO2 falder i forårs- og sommermånederne på den nordlige halvkugle, som planter vokser og tager CO2 ud af luften. Den stiger igen om efteråret og vinteren, når planter går relativt i dvale, og økosystemer "udånder" CO2.

Et nærmere kig viser, at hvert års cyklus er lidt anderledes. I nogle år tager biosfæren mere CO2 ud af atmosfæren; i andre frigiver det mere til atmosfæren. Vi vil gerne vide mere om, hvad der forårsager forskellene fra år til år, fordi det indeholder fingerpeg om, hvordan kulstofkredsløbet fungerer.

For eksempel, under El Niño i 1997-1998, en kraftig stigning i CO2 var i høj grad drevet af brande i Indonesien. Den seneste El Niño i 2015-2016 førte også til en stigning i CO2, men årsagen var sandsynligvis en kompleks blanding af effekter på tværs af troperne – herunder reduceret fotosyntese i Amazonia, temperaturdrevet jordudslip af CO2 i Afrika og brande i det tropiske Asien.

Disse to eksempler på år-til-år variabilitet i kulstofkredsløbet, både globalt og regionalt, afspejle det, vi nu tror – nemlig at variabiliteten i høj grad er drevet af terrestriske økosystemer. Evnen til at undersøge klima-kulstof-interaktionen vil kræve en meget mere kvantitativ forståelse af årsagerne til denne variabilitet på procesniveau i forskellige økosystemer.

Hvorfor studere jordbaserede emissioner fra rummet?

GeoCarb vil blive opsendt i geostationær kredsløb på omkring 85 grader vestlig længde, hvor den vil rotere sammen med Jorden. Fra dette udsigtspunkt, de store by- og industriregioner i Amerika fra Saskatoon til Punta Arenas vil være i udsigt, det samme vil de store landbrugsområder og de vidtstrakte sydamerikanske tropiske skove og vådområder. Målinger af kuldioxid, metan og kulilte en eller to gange dagligt over store dele af det terrestriske Amerika vil hjælpe med at løse fluxvariabiliteten for CO2 og CH4.

GeoCarb vil også måle solinduceret fluorescens (SIF) - planter, der udsender lys, som de ikke kan bruge tilbage ud i rummet. Dette "blink" fra biosfæren er stærkt knyttet til hastigheden af ​​fotosyntese, og giver således et mål for, hvor meget CO2 planter optager.

NASA var banebrydende for teknologien, som GeoCarb vil udføre på en tidligere mission, Orbiting Carbon Observatory 2 (OCO-2). OCO-2 blev lanceret i et lavt kredsløb om Jorden i 2014 og har målt CO2 fra rummet lige siden, går fra pol til pol flere gange om dagen, når jorden drejer under den.

Selvom instrumenterne ligner hinanden, forskellen i kredsløb er afgørende. OCO-2 prøver en smal 10 km lang bane over store dele af kloden på en 16-dages gentagelsescyklus, mens GeoCarb vil se på den terrestriske vestlige halvkugle kontinuerligt fra en fast position, scanning af det meste af denne landmasse mindst én gang om dagen.

Hvor OCO-2 kan gå glip af at observere Amazonas i en sæson på grund af regelmæssigt skydække, GeoCarb vil målrette mod de skyfrie regioner hver dag med fleksible scanningsmønstre. Daglige genbesøg vil vise, at biosfæren ændrer sig i næsten realtid sammen med vejrsatellitter som GOES 16, som ligger ved 105 grader vest, hjælper med at forbinde prikkerne mellem komponenterne i Jordens system.

Nuancer af kulstofkredsløbet

Mange processer påvirker niveauet af CO2 i atmosfæren, herunder plantevækst og forfald, forbrænding af fossile brændstoffer og ændringer i arealanvendelsen, såsom at rydde skove til landbrug eller udvikling. At tilskrive atmosfæriske CO2-ændringer til forskellige processer er svært ved at bruge CO2-målinger alene, fordi atmosfæren blander CO2 fra alle de forskellige kilder sammen.

Som nævnt tidligere, ud over CO2 og CH4, GeoCarb vil måle CO. Afbrænding af fossilt brændstof frigiver både CO og CO2. Det betyder, at når vi ser høje koncentrationer af begge gasser sammen, vi har beviser for, at de bliver frigivet af menneskelige aktiviteter.

At foretage denne sondring er nøglen, så vi antager ikke, at menneskeskabte CO2-emissioner kommer fra et fald i planteaktivitet eller en naturlig frigivelse af CO2 fra jorden. Hvis vi kan skelne mellem menneskeskabte og naturlige emissioner, vi kan drage mere robuste konklusioner om kulstofkredsløbet. At vide, hvor stor en del af disse ændringer, der er forårsaget af menneskelige aktiviteter, er vigtigt for at forstå vores indvirkning på planeten, og observation og måling af det er essentielt for enhver samtale om strategier til reduktion af CO2-emissioner.

GeoCarbs måling af metan vil være et afgørende element i forståelsen af ​​det globale kulstof-klimasystem. Metan produceres af naturlige systemer, såsom vådområder, og ved menneskelige aktiviteter såsom naturgasproduktion. Vi forstår ikke metandelen af ​​kulstofkredsløbet så godt som CO2. Men ligesom med CO2, metanobservationer fortæller os meget om naturlige systemers funktion. Marsk frigiver metan som en del af det naturlige henfald i systemet. Frigivelseshastigheden er bundet til hvor vådt/tørt og varmt/køligt systemet er.

Det er usikkert, hvor meget naturgasproduktion bidrager til metanudledningen. En grund til at kvantificere disse emissioner mere præcist er, at de repræsenterer tabt indtægt for energiproducenterne. Environmental Protection Agency anslår en amerikansk lækagerate på omkring 2 procent, hvilket kan summere til milliarder af dollars årligt.

Vi forventer baseret på simuleringer, at GeoCarb vil producere kort, der fremhæver de største lækager med kun få dages observationer. At finde lækager vil reducere omkostningerne for energiproducenter og reducere CO2-fodaftrykket fra naturgas. I øjeblikket, energiselskaber finder lækager ved at sende personale med detektionsudstyr til formodede lækagesteder. Nyere luftbårne sensorer kan gøre processen billigere, men de er stadig indsat på et begrænset grundlag og ad hoc måde. GeoCarbs regelmæssige observationer vil give producenterne lækageoplysninger rettidigt for at hjælpe dem med at begrænse deres tab.

At se planeten trække vejret

Med daglige scanninger af landmasser på den vestlige halvkugle, GeoCarb vil levere et hidtil uset antal målinger af høj kvalitet af CO2, CH4 og CO i atmosfæren. Disse observationer, sammen med direkte målinger af fotosyntetisk aktivitet fra SIF -observationer, vil løfte vores forståelse af kulstofkredsløbet til et nyt niveau.

For første gang vil vi være i stand til at se, hvordan den vestlige halvkugle ånder ind og ud hver dag, og at se årstiderne ændre sig gennem biosfærens øjne. Udstyret med disse observationer, vi vil begynde at adskille naturlige og menneskelige bidrag til kulstofbalancen. Disse indsigter vil hjælpe videnskabsmænd med at lave robuste forudsigelser om Jordens fremtid.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.