NASA:s nya 3-dimensionella porträtt av metankoncentrationer visar världens näst största bidragsgivare till växthusuppvärmningen, mångfalden av källor på marken, och gasens beteende när den rör sig genom atmosfären. Genom att kombinera flera datamängder från utsläppsinventeringar, inklusive fossilt bränsle, jordbruks, biomassaförbränning och biobränslen, och simuleringar av våtmarkskällor till en högupplöst datormodell, forskare har nu ytterligare ett verktyg för att förstå denna komplexa gas och dess roll i jordens kolcykel, atmosfärisk sammansättning, och klimatsystemet.

Sedan den industriella revolutionen, metankoncentrationerna i atmosfären har mer än fördubblats. Efter koldioxid, metan är den näst mest inflytelserika växthusgasen, ansvarig för 20 till 30 % av jordens stigande temperaturer hittills.

"Det är brådskande att förstå var källorna kommer ifrån så att vi kan vara bättre förberedda för att minska metanutsläppen där det finns möjligheter att göra det, " sa forskaren Ben Poulter vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

En enskild molekyl av metan är mer effektiv för att fånga värme än en molekyl av koldioxid, men eftersom livslängden för metan i atmosfären är kortare och koldioxidkoncentrationerna är mycket högre, koldioxid är fortfarande den främsta bidragsgivaren till klimatförändringarna. Metan har också många fler källor än koldioxid, dessa inkluderar energi- och jordbrukssektorerna, samt naturliga källor från olika typer av våtmarker och vattenförekomster.

"Metan är en gas som produceras under anaeroba förhållanden, så det betyder när det inte finns något syre tillgängligt, du kommer sannolikt att hitta metan som produceras, " sa Poulter. Förutom fossilbränsleaktiviteter, främst från kolet, olje- och gassektorn, källor till metan inkluderar även havet, översvämmade jordar i vegeterade våtmarker längs floder och sjöar, lantbruk, såsom risodling, och magar av idisslare boskap, inklusive boskap.

"Det uppskattas att upp till 60 % av det nuvarande metanflödet från land till atmosfären är resultatet av mänskliga aktiviteter, sa Abhishek Chatterjee, en kolcykelforskare med Universities Space Research Association baserad på Goddard. "I likhet med koldioxid, mänsklig aktivitet under långa tidsperioder ökar metankoncentrationerna i atmosfären snabbare än att avlägsnandet från naturliga "sänkor" kan kompensera för det. När den mänskliga befolkningen fortsätter att växa, förändringar i energianvändning, jordbruk och risodling, Boskapsuppfödning kommer att påverka metanutsläppen. Dock, det är svårt att förutsäga framtida trender på grund av både brist på mätningar och ofullständig förståelse av kol-klimatåterkopplingarna."

Forskare använder datormodeller för att försöka bygga en mer komplett bild av metan, sa forskarmeteorologen Lesley Ott vid Global Modeling and Assimilation Office på Goddard. "Vi har bitar som berättar för oss om utsläppen, vi har bitar som säger oss något om atmosfärens koncentrationer, och modellerna är i grunden den saknade biten som binder ihop allt det där och hjälper oss att förstå var metanet kommer ifrån och vart det tar vägen."

För att skapa en global bild av metan, Ott, Chatterjee, Poulter och deras kollegor använde metandata från utsläppsinventeringar som rapporterats av länder, NASA fältkampanjer, som Arctic Boreal Vulnerability Experiment (ABoVE) och observationer från den japanska rymdorganisationens observationssatellit för växthusgaser (GOSAT Ibuki) och Tropospheric Monitoring Instrument ombord på European Space Agencys Sentinel-5P-satellit. De kombinerade datamängderna med en datormodell som uppskattar metanutsläpp baserat på kända processer för vissa typer av landtäcke, som våtmarker. Modellen simulerar också den atmosfäriska kemin som bryter ner metan och tar bort det från luften. Sedan använde de en vädermodell för att se hur metan färdades och betedde sig över tiden i atmosfären.

Datavisualiseringen av deras resultat visar metans eteriska rörelser och belyser dess komplexitet både i rymden över olika landskap och med årstiderna. När metanutsläppen väl har lyfts upp i atmosfären, vindar på hög höjd kan transportera den långt utanför sina källor.

När de först såg data visualiseras, flera platser stack ut.

I Sydamerika, Amazonas flodbassäng och dess angränsande våtmarker översvämmas säsongsvis, skapa en syrefattig miljö som är en betydande källa till metan. Globalt, cirka 60 % av metanutsläppen kommer från tropikerna, så det är viktigt att förstå de olika mänskliga och naturliga källorna, sa Poulter.

Över Europa, metansignalen är inte lika stark som över Amazonas. Europeiska metankällor påverkas av den mänskliga befolkningen och utforskning och transport av olja, gas och kol från energisektorn.

I Indien, risodling och boskap är de två drivande källorna till metan. "Jordbruket står för cirka 20 % av de globala metanutsläppen och inkluderar enterisk jäsning, som är bearbetning av mat i tarmen hos nötkreatur, huvudsakligen, men inkluderar också hur vi hanterar de restprodukter som kommer från boskap och annan jordbruksverksamhet, sa Poulter.

Kinas ekonomiska expansion och stora befolkning driver den höga efterfrågan på olja, gas- och kolprospektering för industri såväl som jordbruksproduktion, som är dess underliggande källor till metan.

De arktiska och höga latitudområdena står för cirka 20 % av de globala metanutsläppen. "Vad händer i Arktis, stannar inte alltid i Arktis, ", sa Ott. "Det finns en enorm mängd kol som lagras på de norra höga breddgraderna. En av de saker som forskarna verkligen är oroade över är huruvida eller inte, när jorden blir varm, mer av det kolet skulle kunna släppas ut i atmosfären. Just nu, det du ser i den här visualiseringen är inte särskilt starka pulser av metan, men vi övervakar det mycket noga eftersom vi vet att det är en plats som förändras snabbt och som kan förändras dramatiskt över tiden."

"En av utmaningarna med att förstå den globala metanbudgeten har varit att förena det atmosfäriska perspektivet på var vi tror att metan produceras kontra nerifrån och upp-perspektivet, eller hur vi använder rapportering på landsnivå eller landytamodeller för att uppskatta metanutsläpp, " sa Poulter. "Visualiseringen som vi har här kan hjälpa oss att förstå denna avvikelse uppifrån och ner och nerifrån och upp och hjälpa oss också att minska osäkerheterna i vår förståelse av den globala metanbudgeten genom att ge oss visuella ledtrådar och en kvalitativ förståelse av hur metan rör sig runt atmosfären och där det produceras."

Modelldata för metankällor och transporter kommer också att hjälpa till vid planeringen av både framtida fält- och satellituppdrag. För närvarande, NASA har en planerad satellit som heter GeoCarb som kommer att skjutas upp runt 2023 för att tillhandahålla geostationära rymdbaserade observationer av metan i atmosfären över stora delar av det västra halvklotet.