GeoCarb - et nyt syn på kulstof over Amerika

En ny NASA-jordvidenskabelig mission i de tidlige stadier af design kan opnå et transformerende fremskridt i vores forståelse af det globale kulstofkredsløb ved at kortlægge koncentrationer af vigtige kulstofgasser fra et nyt udsigtspunkt:geostationær kredsløb. Satellitter i geostationær kredsløb bevæger sig med samme hastighed som Jordens rotation, så de hele tiden kan forblive på det samme sted på jordens overflade.

The Geostationary Carbon Observatory (GeoCarb), målrettet til lancering i begyndelsen af ​​2020'erne, vil bygge videre på succesen med NASA's Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) mission ved at placere et lignende instrument på en kommerciel SES-Government Solutions kommunikationssatellit, der flyver i geostationær kredsløb. Dens længdegrad vil tillade "væg-til-væg"-observationer over Amerika mellem 55 grader nord og syd - fra den sydlige spids af Hudson Bay til den sydlige spids af Sydamerika. Ligger 22, 236 miles (35, 800 kilometer) over Amerika, GeoCarb vil indsamle 10 millioner daglige observationer af koncentrationerne af kuldioxid, metan, kulilte og solinduceret fluorescens (SIF) ved en rumlig opløsning på omkring 3 til 6 miles (5 til 10 kilometer).

Mængden og fordelingen af ​​kulstofbærende gasser i atmosfæren bestemmes af både udvekslingen af ​​kulstof mellem Jordens landområder, havene og atmosfæren, og deres transport med fremherskende vinde. Disse udvekslinger forstås bedst ved at foretage hyppige, tætsiddende observationer. Mens satellitter er solsynkrone, polære lavjordsbaner som OCO-2 giver global dækning, de har lange genbesøgstider, store huller i dækningen, og se altid på landskabet på samme tidspunkt af dagen. Fordi vejret påvirker økosystemerne på tidsskalaer fra dage til uger, polære satellitter i kredsløb kan gå glip af disse ændringer, og hvordan de forbinder sig med levende organismers aktiviteter - information, der er afgørende for at udvikle bedre modeller af jordsystemets processer.

"GeoCarb vil supplere målinger fra OCO-2 og andre satellitter i lavt kredsløb om Jorden ved at udfylde datahuller i både tid og rum, " sagde Principal Investigator Berrien Moore fra University of Oklahoma i Norman. "Det vil mere være en regional kortlægningsmission end en global prøvetagningsmission."

Moore sagde, at ligesom geostationære vejrsatellitter kan sidde og stirre på storme og kortlægge dem, GeoCarb vil lade os se, hvordan forskellige vejrmønstre påvirker kuldioxid- og metankoncentrationerne. "Det er den kraft en geostationær bane bringer, " sagde han. "Data fra OCO-2 har allerede vist, at storskala vejrmønstre som El Niño og La Niña påvirker det store mønster af atmosfæriske kuldioxidkoncentrationer, og det er ekstremt vigtigt."

GeoCarb vil tage fat på en række ubesvarede spørgsmål inden for kulstofkredsløbsvidenskab, med fokus på Amerika. For eksempel, i hvilket omfang fjerner Amazonia-bassinet kuldioxid fra atmosfæren og lagrer det i skove, og er metan-emissionsestimater over det kontinentale USA undervurderet?

GeoCarb vil også være den første amerikanske satellit til at måle metan nær Jordens overflade, oplysninger, der vil være nyttige for energiindustrien. Metanlækage fra naturgasproduktion koster amerikansk industri 5-10 milliarder dollars om året.

Ligesom OCO-2, GeoCarbs iltspektralbånd, som er nødvendig for at omdanne overflod af kulstofgasser til koncentrationer, vil også måle SIF. Denne svage glød, udsendes af klorofylmolekylerne i planters blade, er en indikator for, at fotosyntese - den proces, hvorved planter omdanner sollys til kemisk energi og fanger kulstof fra atmosfæren - finder sted. GeoCarb vil lave dagligt, nær væg-til-væg målinger af SIF under alle vejrforhold, giver videnskabsmænd og andre mulighed for at spore virkningerne af tørke på fotosyntese i skove, afgrøder og græsarealer.

GeoCarb står på fundamentet sat af OCO-2, som blev bygget af NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien. Ligesom OCO-2, GeoCarb bruger et gitterspektrometer, men tilføjer et fjerde spektralbånd til at måle kulilte og metan. Det vil bruge den samme detektorteknologi, algoritmer og kalibreringsteknikker som OCO-2.

"Vi ville aldrig være i stand til at lave GeoCarb uden OCO-2, " sagde Moore. "Ved at designe vores instrument sagde vi, lad os lave OCO, men i geostationær kredsløb. Vi bygger videre på JPL's arbejde med at designe og bygge OCO-2 og behandle dets data. Faktisk, mange medlemmer af vores videnskabsteam arbejder også på OCO-2-missionen."

GeoCarb-instrumentet ser reflekteret lys fra Jorden gennem en smal spalte. Når spalten projiceres på jordens overflade, den ser et område, der måler ca. 1, 740 miles (2, 800 kilometer) fra nord til syd og omkring 3,7 miles (6 kilometer) fra øst til vest. Sammenlignet med, OCO-2's skår er omkring 6,2 miles (10 kilometer) bred. GeoCarb stirrer på det område i omkring 4-1/2 sekund, så flyttes spalten en halv spaltebredde - 1,9 miles, eller 3 kilometer - mod vest, giver mulighed for dobbelt prøveudtagning. Med denne teknik, GeoCarb kan scanne hele det kontinentale USA på omkring 2-1/4 time, og fra Brasilien til Sydamerikas vestkyst på omkring 2-3/4 timer. Det er ikke designet til at observere oceanerne, da reflektionsevnen over havene er for lav til at give brugbare data.

GeoCarbs nøjagtige orbital slot vil blive tildelt af SES-Government Solutions. En spalte længere mod vest vil favorisere amerikanske observationer over Sydamerika, og omvendt for en spalte længere mod øst. I fremtiden, Moore siger, at to til tre mere GeoCarb-lignende instrumenter placeret i geostationær kredsløb ved forskellige længdegrader kunne give næsten global dækning af Jordens terrestriske landskab uden for polerne.

Moore siger GeoCarb og TEMPO, en anden NASA-atmosfærisk kemi/luftkvalitetsmission, der er under udvikling, fungerer som stifindere for geostationære, kommercielt vært NASA jordobservationsmissioner. "Hvis vi kan løse de juridiske og praktiske daglige problemer, Jeg kan se disse missioner ændre jordvidenskabens ansigt fra rummet. Du behøver ikke betale for et separat rumfartøj eller løfteraket. Du køber hovedsageligt lejlighedsplads på et rumfartøj og betaler for data-downlink. Fremtiden her er meget spændende."