En NASA-forskares sista vetenskapliga artikel, publicerades postumt denna månad, avslöjar nya insikter om en av de mest komplexa utmaningarna i jordens klimat:att förstå och förutsäga framtida atmosfäriska nivåer av växthusgaser och havets och markens roll för att bestämma dessa nivåer.

En tidning publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences leddes av Piers J. Sellers, tidigare chef för geovetenskapsavdelningen vid NASA:s Goddard Space Flight Center, som dog i december 2016. Sellers var en jordforskare vid NASA Goddard och senare en astronaut som flög på tre rymdfärjor.

Tidningen innehåller ett betydande övergripande budskap:Den nuvarande internationella flottan av satelliter gör verkliga förbättringar när det gäller att noggrant mäta växthusgaser från rymden, men i framtiden kommer ett mer sofistikerat system av observationer att bli nödvändigt för att förstå och förutsäga jordens föränderliga klimat på den nivå av noggrannhet som samhället behöver.

Säljare skrev tidningen tillsammans med kollegor vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory och University of Oklahoma. Arbetet med tidningen började 2015, och Sellers fortsatte att arbeta med sina medarbetare fram till cirka sex veckor innan han dog. De fortsatte forskningen och skrivandet av tidningen fram till dess publicering denna vecka.

Uppsatsen fokuserar på ämnet som stod i centrum för Sellers forskarkarriär:Jordens biosfär och dess interaktioner med planetens klimat. På 1980-talet var han pionjär med datormodellering av jordens vegetation. I den nya tidningen, Säljare och medförfattare undersökte "återkopplingar av kolcykeln och klimatet – det potentiella svaret från naturliga system på klimatförändringar orsakade av mänskliga utsläpp – och lade fram en vision för hur man bäst mäter denna respons på en global skala från rymden.

Utbytet av kol mellan marken, havet och luften spelar en stor roll för att bestämma mängden växthusgaser i atmosfären, som till stor del kommer att avgöra jordens framtida klimat. Men, det finns komplexa interaktioner på spel. Medan människoorsakade utsläpp av växthusgaser byggs upp i atmosfären, markekosystemen och havet kompenserar fortfarande för cirka 50 procent av alla dessa utsläpp. När klimatet värms upp är forskarna osäkra på om skogarna och havet kommer att fortsätta att absorbera ungefär hälften av utsläppen – som fungerar som en kolsänka – eller om denna kompensation blir lägre, eller om sänkorna blir kolkällor.

Paper medförfattare David Schimel, en vetenskapsman vid JPL och en mångårig vetenskaplig medarbetare till Sellers', sa tidningen fångade hur han, Säljare och de andra medförfattarna såg detta vetenskapliga problem som ett av de kritiska forskningsmålen för NASAs jordvetenskap.

"Vi såg alla att förstå framtiden för återkoppling av kolcykeln som en av de stora utmaningarna för klimatförändringsvetenskapen, " sa Schimel.

Forskarnas förståelse av hur jordens levande system interagerar med stigande atmosfäriska nivåer av växthusgaser har förändrats enormt under de senaste decennierna, sa medförfattaren Berrien Moore III, från University of Oklahoma. Moore har varit en vetenskaplig samarbetspartner med Sellers och Schimel sedan 1980-talet. Han sa det då, forskare trodde att havet absorberade ungefär hälften av de årliga koldioxidutsläppen, medan växter på land spelade en minimal roll. Forskare förstår nu att hav och land tillsammans absorberar ungefär hälften av alla utsläpp, med det terrestra systemets roll som i hög grad påverkas av storskaliga vädermönster som El Niño och La Niña. Moore är också huvudutredaren för ett NASA-uppdrag som heter GeoCarb, planerad att lanseras 2022, som kommer att övervaka växthusgaser över stora delar av västra halvklotet från en geostationär bana.

NASA lanserade Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) 2014, och med utvecklingen av mätnings- och datormodelleringstekniker, forskare får en bättre förståelse för hur kol rör sig genom landet, havet och atmosfären. Detta nya dokument bygger på tidigare forskning och fokuserar på en märklig kedja av händelser under 2015. Medan mänskliga utsläpp av koldioxid planade ut för första gången på decennier under det året, tillväxthastigheten i atmosfäriska koncentrationer av koldioxid ökade faktiskt samtidigt.

Detta var ytterligare bevis på vad forskare hade slagit ihop i flera år - att en komplex kombination av faktorer, inklusive väder, torka, bränder och mer, bidrar till växthusgasnivåerna i atmosfären.

Dock, med den nya kombinationen av OCO-2-observationer och rymdbaserade mätningar av växtfluorescens (i huvudsak ett mått på fotosyntes), forskare har börjat ta fram mer exakta uppskattningar av var kol absorberades och släpptes ut runt planeten under 2015, när en intensiv El Niño var i kraft, jämfört med andra år.

Tidningen följer en rapport från en workshop 2015 om kolkretsloppet ledd av säljare, Schimel, och Moore. Schimel och Moore påpekade båda att var och en av de mer än 40 deltagarna i workshopen bidrog till en slutlig vetenskaplig rapport från mötet - en sällsynt händelse. De tillskrev detta, till viss del, till den inspirerande roll Sellers spelade för att stimulera tankar och handling.

"När du har någon som Piers i rummet, det finns en magnetisk effekt, " sade Moore. "Piers hade axeln vid ratten, så alla var tvungna att ha axlarna vid ratten."

Schimel och Moore sa att workshoppappret ger en vision för vad som behövs i ett framtida rymdbaserat observationssystem för att mäta, förstå, och förutsäga återkopplingar av kolcykeln:aktiva och passiva instrument, och satelliter både i låga jord- och geostationära banor runt om i världen. Under de kommande åren, NASA och rymdorganisationer i Europa, Japan, och Kina, kommer alla att lansera nya övervakningsuppdrag för växthusgaser.

"Piers tyckte att det var absolut nödvändigt att få det rätt, sade Schimel, "och väsentligt för att mer eller mindre få det rätt första gången."

Författarna tillägnade tidningens publikation till säljare, och i sin dedikation hänvisade till ett Winston Churchill-citat som ofta citeras av den brittiskfödde vetenskapsmannen. De skrev:"P.J.S. närmade sig utmaningen med kolvetenskap i spiran av ett favoritcitat från Churchill, "Svårigheter som bemästras är möjligheter som vunnits, ' och han syftade till att lösa kol-klimatproblemet genom att ta sig an svårigheterna och ta vara på möjligheterna."