Den 31 januari, NASA avslutade Tropospheric Emission Spectrometers (TES) nästan 14-åriga upptäcktskarriär. Lanserades 2004 på NASA:s rymdfarkost Aura, TES var det första instrumentet designat för att övervaka ozon i de lägsta lagren av atmosfären direkt från rymden. Dess högupplösta observationer ledde till nya mätningar av atmosfäriska gaser som har förändrat vår förståelse av jordsystemet.

TES var planerat för ett femårigt uppdrag men varade långt ut den mandatperioden. En mekanisk arm på instrumentet började stanna periodvis 2010, påverkar TES förmåga att kontinuerligt samla in data. TES operationsteam anpassade sig genom att använda instrumentet för att maximera vetenskapsoperationer över tid, försöker utöka datamängden så länge som möjligt. Dock, uppehållet ökade till den grad att TES förlorade sin verksamhet ungefär hälften av förra året. Dataluckorna hindrade användningen av TES-data för forskning, leder till NASA:s beslut att avveckla instrumentet. Den kommer att finnas kvar på Aura-satelliten, får tillräckligt med ström för att förhindra att den blir så kall att den kan gå sönder och påverka de två återstående fungerande instrumenten.

"Det faktum att instrumentet varade så länge som det gjorde är ett bevis på uthålligheten hos de instrumentteam som är ansvariga för att designa, bygga och använda instrumentet, " sa Kevin Bowman från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, TES:s huvudutredare.

Ett äkta jordsystems ekolod

TES var ursprungligen tänkt att mäta ozon i troposfären, atmosfärslagret mellan ytan och höjden där interkontinentala jetstrålar flyger, med hjälp av högspektralupplösta observationer av termisk infraröd strålning. Dock, TES kastade ett bredare nät, fånga signaturer av ett brett spektrum av andra atmosfäriska gaser såväl som ozon. Denna flexibilitet gjorde det möjligt för instrumentet att bidra till ett brett utbud av studier - inte bara atmosfärisk kemi och effekterna av klimatförändringar, men studier av vattnets kretslopp, kväve och kol.

En av överraskningarna med uppdraget var mätningen av tungt vatten:vattenmolekyler som består av deuterium, en isotop av väte som har fler neutroner än normalt väte. Förhållandet mellan deuterium och "normalt" vatten i vattenånga ger ledtrådar till ångans historia – hur den avdunstat och föll som nederbörd tidigare – vilket i sin tur hjälper forskare att urskilja vad som styr mängden i atmosfären.

Tungvattendata har lett till grundläggande framsteg i vår förståelse av vattnets kretslopp som inte var möjliga tidigare, till exempel hur tropiska åskväder håller troposfären hydrerad, hur mycket vatten i atmosfären som förångas från växter och jord jämfört med ytvatten, och hur vatten "andas ut" från södra Amazonas vegetation startar regnskogens regnperiod. JPL-forskaren John Worden, pionjären för denna mätning, sa, "Det har blivit en av de viktigaste tillämpningarna av TES. Det ger oss ett unikt fönster till jordens hydrologiska cykel."

Även om kvävets kretslopp inte är lika väl uppmätt eller förstådd som vattnets kretslopp, kväve utgör 78 procent av atmosfären, och dess omvandling till andra kemiska föreningar är avgörande för livet. TES demonstrerade den första rymdmätningen av en viktig kväveförening, ammoniak. Denna förening är ett allmänt använt gödselmedel för jordbruk i fast form, men som en gas, det reagerar med andra föreningar i atmosfären och bildar skadliga föroreningar.

En annan kväveförening, peroxiacetylnitrat (PAN), kan lyftas upp i troposfären från bränder och mänskliga utsläpp. Till stor del osynlig i data som samlats in på marknivå, denna förorening kan resa långa sträckor innan den sätter sig tillbaka till ytan, där det kan bilda ozon. TES visade hur PAN varierade globalt, inklusive hur bränder påverkade dess utbredning. "TES banade verkligen vägen för vår globala förståelse av både PAN och [ammoniak], två nyckelstenarter i atmosfärens kvävecykel, sa Emily Fischer, en biträdande professor vid avdelningen för atmosfärsvetenskap vid Colorado State University, Fort Collins.

Ozonets tre ansikten

Ozon, en gas med både naturliga och mänskliga källor, är känd för sina många "personligheter". I stratosfären är ozon godartat, skydda jorden från inkommande ultraviolett strålning. I troposfären, den har två distinkta skadliga funktioner, beroende på höjd. På marknivå är det en förorening som skadar levande växter och djur, inklusive människor. Högre upp i troposfären, det är den tredje viktigaste mänskligt producerade växthusgasen, fånga in utgående värmestrålning och värma upp atmosfären.

TES data, i samband med data från andra instrument på Aura, användes för att reda ut dessa personligheter, leder till en betydligt bättre förståelse av ozon och dess inverkan på människors hälsa, klimat och andra delar av jordsystemet.

Luftströmmar i mitten till övre troposfären transporterar ozon inte bara över kontinenter utan över oceaner till andra kontinenter. En studie från 2015 med TES-mätningar visade att den amerikanska västkustens troposfäriska ozonnivåer var högre än väntat, med tanke på minskade utsläpp i USA, delvis på grund av ozon som blåste in över Stilla havet från Kina. Den snabba tillväxten av asiatiska utsläpp av prekursorgaser – gaser som samverkar för att skapa ozon, inklusive kolmonoxid och kvävedioxid – förändrade det globala landskapet av ozon.

"TES har vittnat om dramatiska förändringar där de gaser som skapar ozon produceras. TES:s anmärkningsvärt stabila mätningar och förmåga att lösa upp troposfärens lager gjorde att vi kunde separera naturliga förändringar från de som drivs av mänskliga aktiviteter, " sa JPL-forskaren Jessica Neu, en medförfattare till studien.

Regionala förändringar i utsläppen av ozonprekursorgaser förändrar inte bara mängden ozon i troposfären, men dess effektivitet som växthusgas. Forskare använde TES-mätningar av ozons växthuseffekt, kombinerat med kemiska vädermodeller, att kvantifiera hur de globala mönstren för dessa utsläpp har förändrat klimatet. "För att både förbättra luftkvaliteten och mildra klimatförändringarna, vi måste förstå hur mänskliga utsläpp av föroreningar påverkar klimatet i den skala som politiken antas [det vill säga, i en stads skala, stat eller land]. TES-data banade väg för hur satelliter kunde spela en central roll, sa Daven Henze, en docent vid avdelningen för maskinteknik vid University of Colorado i Boulder.

Ett Pathfinder-uppdrag

"TES var en pionjär, samla in en helt ny uppsättning mätningar med nya tekniker, som nu används av en ny generation instrument, " sa Bowman. Dess efterföljande instrument används för både atmosfärisk övervakning och väderprognoser. Bland dem är National Oceanic and Atmospheric Administrations Cross-track Infrared Sounder (CrIS) instrument på NOAA-NASA Suomi-NPP-satelliten och den infraröda Atmospheric Sounding Interferometern (IASI)-serien, utvecklad av den franska rymdorganisationen i samarbete med EUMETSAT, den europeiska meteorologiska satellitorganisationen.

Cathy Clerbaux, en senior vetenskapsman vid det franska Centre National de la Recherche Scientifique som är den ledande vetenskapsmannen i IASI-serien, sa, "TES inflytande på senare uppdrag som vårt var mycket viktigt. TES visade möjligheten att härleda koncentrationen av atmosfäriska gaser genom att använda interferometri för att observera deras molekylära egenskaper. Även om liknande instrument fanns för att ljuda den övre atmosfären, TES var speciell för att tillåta mätningar närmare ytan, där föroreningarna ligger. De vetenskapliga resultaten som erhållits med IASI hade stor nytta av det nära samarbete vi utvecklade med TES-forskarna."

TES-forskare har varit pionjärer på ett annat sätt:genom att kombinera instrumentets mätningar med andra instruments mätningar för att producera förbättrade datamängder, avslöjar mer än någon av de ursprungliga observationerna. Till exempel, att kombinera Ozon Monitoring Instrument på Auras mätningar i ultravioletta våglängder med TES:s termiska infraröda mätningar ger en datamängd med ökad känslighet för luftföroreningar nära ytan.

Teamet tillämpar nu den förmågan på mätningar av andra instrumentpar – till exempel, förstärkt kolmonoxid (CO) från CrIS med CO och andra mätningar från TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) på European Space Agencys Copernicus Sentinel-5 Precursor-satellit. "Tillämpningen av TES-algoritmerna på CrIS- och TROPOMI-data kommer att fortsätta det 18-åriga rekordet av unika ytnära kolmonoxidmätningar från [NASA:s Terra'-satellits mätning av föroreningar i troposfärinstrumentet, eller MOPITT] in i nästa decennium, sa Helen Worden, en forskare vid National Center for Atmospheric Research i Boulder, Colorado, som både är huvudutredare för MOPITT och en medlem av TES vetenskapsteam.

Dessa nya tekniker som utvecklats för TES tillsammans med breda tillämpningar i hela Earth System säkerställer att uppdragets arv kommer att fortsätta långt efter TES sista farväl.