Kol är en byggsten för livet på vår planet. Det lagras i reservoarer på jorden – i stenar, växter och jord – i haven, och i atmosfären. Och den cyklar konstant mellan dessa reservoarer.

Att förstå kolets kretslopp är avgörande av många anledningar. Det ger oss energi, lagras som fossilt bränsle. Kolgaser i atmosfären hjälper till att reglera jordens temperatur och är avgörande för växternas tillväxt. Kol som passerar från atmosfären till havet stödjer fotosyntesen av marint växtplankton och utvecklingen av rev. Dessa processer och otaliga andra är alla sammanvävda med jordens klimat, men det sätt på vilket processerna reagerar på variationer och klimatförändringar är inte väl kvantifierat.

Vår forskargrupp vid University of Oklahoma leder NASA:s senaste Earth Venture Mission, det geostationära kolobservatoriet, eller GeoCarb. Detta uppdrag kommer att placera en avancerad nyttolast på en satellit för att studera jorden från mer än 22, 000 miles över jordens ekvator. Att observera förändringar i koncentrationer av tre viktiga kolgaser – koldioxid (CO2), metan (CH4) och kolmonoxid (CO) – från dag till dag och år till år kommer att hjälpa oss att ta ett stort steg framåt för att förstå naturliga och mänskliga förändringar i kolets kretslopp.

GeoCarb är också ett innovativt samarbete mellan NASA, ett offentligt universitet, ett kommersiellt teknikutvecklingsföretag (Lockheed Martin Advanced Technology Center) och ett lanserings- och värdföretag för kommersiell kommunikation (SES). Vår "värdbaserad nyttolast"-metod kommer att placera ett vetenskapligt observatorium på en kommersiell kommunikationssatellit, banar väg för framtida låga kostnader, kommersiellt möjliga jordobservationer.

Att observera kolets kretslopp

Den berömda "Keeling-kurvan, "som spårar CO2-koncentrationer i jordens atmosfär, baseras på dagliga mätningar vid Mauna Loa Observatory på Hawaii. Det visar att de globala koldioxidnivåerna stiger över tid, men ändras också säsongsmässigt på grund av biologiska processer. CO2 minskar under vår- och sommarmånaderna på norra halvklotet, när växter växer och tar ut CO2 ur luften. Det reser sig igen på hösten och vintern när växter går relativt vilande och ekosystem "andas ut" CO2.

En närmare titt visar att varje års cykel är något annorlunda. Under vissa år tar biosfären ut mer CO2 ur atmosfären; i andra släpper det ut mer till atmosfären. Vi vill veta mer om vad som orsakar skillnaderna från år till år eftersom det innehåller ledtrådar om hur kolkretsloppet fungerar.

Till exempel, under El Niño 1997-1998, en kraftig ökning av CO2 drevs till stor del av bränder i Indonesien. Den senaste El Niño 2015-2016 ledde också till en ökning av CO2, men orsaken var förmodligen en komplex blandning av effekter över tropikerna – inklusive minskad fotosyntes i Amazonia, temperaturdrivet markutsläpp av CO2 i Afrika och bränder i tropiska Asien.

Dessa två exempel på variationer från år till år i kolcykeln, både globalt och regionalt, spegla det vi nu tror – nämligen att variabiliteten till stor del drivs av terrestra ekosystem. Möjligheten att undersöka klimat-kolinteraktionen kommer att kräva en mycket mer kvantitativ förståelse av orsakerna till denna variation på processnivå för olika ekosystem.

Varför studera markbundna utsläpp från rymden?

GeoCarb kommer att skjutas upp i geostationär omloppsbana på ungefär 85 grader västlig longitud, där den kommer att rotera tillsammans med jorden. Från denna utsiktspunkt, de stora urbana och industriella regionerna i Amerika från Saskatoon till Punta Arenas kommer att synas, liksom de stora jordbruksområdena och de vidsträckta sydamerikanska tropiska skogarna och våtmarkerna. Mätningar av koldioxid, metan och kolmonoxid en eller två gånger dagligen över stora delar av det terrestra Amerika kommer att hjälpa till att lösa flödesvariabiliteten för CO2 och CH4.

GeoCarb kommer också att mäta solinducerad fluorescens (SIF) - växter som avger ljus som de inte kan använda tillbaka ut i rymden. Detta "blinkande" från biosfären är starkt kopplat till fotosynteshastigheten, och ger därför ett mått på hur mycket CO2-växter tar in.

NASA banade väg för tekniken som GeoCarb kommer att utföra på ett tidigare uppdrag, Orbiting Carbon Observatory 2 (OCO-2). OCO-2 lanserades i en låg omloppsbana om jorden 2014 och har sedan dess mätt CO2 från rymden, går från pol till pol flera gånger per dag när jorden vänder sig under den.

Även om instrumenten är lika, skillnaden i omloppsbana är avgörande. OCO-2 provar en smal 10 km lång bana över stora delar av världen på en 16-dagars upprepad cykel, medan GeoCarb kommer att titta på det terrestra västra halvklotet kontinuerligt från en fast position, skanna det mesta av denna landmassa minst en gång om dagen.

Där OCO-2 kan missa att observera Amazonas under en säsong på grund av regelbundet molntäcke, GeoCarb kommer att rikta in sig på de molnfria regionerna varje dag med flexibla skanningsmönster. Dagliga återbesök kommer att visa biosfären förändras i nästan realtid tillsammans med vädersatelliter som GOES 16, som ligger på 105 grader västerut, hjälper till att koppla ihop prickarna mellan komponenterna i jordens system.

Nyanser av kolets kretslopp

Många processer påverkar nivåerna av CO2 i atmosfären, inklusive växttillväxt och förfall, förbränning av fossila bränslen och förändringar i markanvändning, som att röja skog för jordbruk eller utveckling. Att tillskriva atmosfäriska CO2-förändringar till olika processer är svårt med enbart CO2-mätningar, eftersom atmosfären blandar CO2 från alla olika källor tillsammans.

Som tidigare nämnts, förutom CO2 och CH4, GeoCarb kommer att mäta CO. Förbränning av fossila bränslen frigör både CO och CO2. Detta betyder att när vi ser höga koncentrationer av båda gaserna tillsammans, vi har bevis för att de släpps av mänsklig verksamhet.

Att göra denna åtskillnad är nyckeln så vi antar inte att mänskligt inducerade CO2-utsläpp kommer från en minskning av växtaktivitet eller ett naturligt utsläpp av CO2 från marken. Om vi ​​kan skilja mellan konstgjorda och naturliga utsläpp, vi kan dra mer robusta slutsatser om kolets kretslopp. Att veta vilken del av dessa förändringar som orsakas av mänskliga aktiviteter är viktigt för att förstå vår påverkan på planeten, och att observera och mäta det är viktigt för alla samtal om strategier för att minska CO2-utsläppen.

GeoCarbs mätning av metan kommer att vara ett avgörande element för att förstå det globala kol-klimatsystemet. Metan produceras av naturliga system, som våtmarker, och av mänskliga aktiviteter såsom naturgasproduktion. Vi förstår inte metandelen av kolets kretslopp lika bra som CO2. Men precis som med CO2, metanobservationer säger oss mycket om hur naturliga system fungerar. Myrar frigör metan som en del av det naturliga förfallet i systemet. Frigöringshastigheten är bunden till hur vått/torrt och varmt/svalt systemet är.

Det är osäkert hur mycket naturgasproduktion som bidrar till metanutsläppen. En anledning till att kvantifiera dessa utsläpp mer exakt är att de representerar förlorade intäkter för energiproducenterna. Environmental Protection Agency uppskattar en läckagefrekvens i USA på cirka 2 procent, vilket kan uppgå till miljarder dollar årligen.

Vi förväntar oss baserat på simuleringar att GeoCarb kommer att producera kartor som markerar de största läckorna med bara några dagars observationer. Att hitta läckor kommer att minska kostnaderna för energiproducenterna och minska koldioxidavtrycket från naturgas. För närvarande, energibolag hittar läckor genom att skicka personal med detekteringsutrustning till misstänkta läckageplatser. Nyare luftburna sensorer kan göra processen billigare, men de distribueras fortfarande på en begränsad basis och på ett ad hoc-sätt. GeoCarbs regelbundna observationer kommer att tillhandahålla läckageinformation till producenterna i tid för att hjälpa dem att begränsa sina förluster.

Att se planeten andas

Med dagliga genomsökningar av landmassor på västra halvklotet, GeoCarb kommer att tillhandahålla ett aldrig tidigare skådat antal högkvalitativa mätningar av CO2, CH4 och CO i atmosfären. Dessa observationer, tillsammans med direkta mätningar av fotosyntetisk aktivitet från SIF-observationer, kommer att höja vår förståelse av kolets kretslopp till en ny nivå.

För första gången kommer vi att kunna se när det västra halvklotet andas in och ut varje dag, och att se årstiderna förändras genom biosfärens ögon. Utrustad med dessa observationer, vi kommer att börja reda ut naturliga och mänskliga bidrag till kolbalansen. Dessa insikter kommer att hjälpa forskare att göra robusta förutsägelser om jordens framtid.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.