På jorden, vi tittar ofta mot himlen och längtar efter att veta vad som finns i resten av universum. Under tiden, 250 miles över vår planet, den internationella rymdstationen ser tillbaka.

Ovanför oss, flera jordobserverande instrument är monterade på utsidan av flera av stationens moduler, inklusive en lem full av kameror, lådor, och verktyg som hänger utanför kanten av stationens japanska experimentmodul (JEM). Jordobservativa CubeSats distribueras regelbundet från stationens luftsluss. Astronauter tar bilder av planeten från det kretsande labbets fönster. Denna utpost genomför till och med geovetenskapliga experiment. Allt detta arbete ger insikt i klimatet i vårt hem och hur vi kan förbereda oss för kommande förändringar.

"Om du inte har en bra förståelse för hur saker och ting kan förändras, du är i en mycket dålig position för att kunna hantera det när de gör det, säger William Stefanov, chef för Exploration Science Office vid NASA:s Johnson Space Center i Houston.

Vädret speglar atmosfärens förhållanden under en kort tidsperiod, och klimat är hur atmosfären "beter sig" under årtionden, hundratals år, eller till och med geologiska tidsintervall, säger Stefanov.

Det betyder att faktorerna som påverkar vårt klimat måste spåras över långa perioder. Dess mer än 20 år i omloppsbana gör rymdstationen till ett bra ställe att samla in långtidsdata. Den kombinerade informationen skapar en unik datamängd som hjälper oss informera klimatbeslut och potentiellt utveckla lösningar på miljöfrågor.

Ögon på jorden

Rymdstationen ger ett unikt planetperspektiv med en omloppsbana som passerar över 90 procent av jordens befolkning. Dess cirka 52 graders orbital lutning gör att astronauter och jordobserverande nyttolaster kan se solen gå upp och gå ner 16 gånger varje dag över hela världen.

"Den omloppsbana tillåter rymdstationen att passera över olika platser på jorden vid olika tidpunkter på dygnet och natten och samla in data. Det är en fundamentalt annorlunda datamängd än de flesta andra fjärranalysinstrument samlar in på frittflygande satelliter, säger Stefanov.

Monterad på utsidan av det kretsande laboratoriet, internationella nyttolaster som ECOSTRESS, GEDI, OCO-3, DESIS, TSIS (även känd som TSIS-1), och HISUI samlar individuellt in klimatrelaterad data. I kombination, de ger en unik uppsättning mätningar som kan driva framkanten av miljöforskning.

"OCO-3-teamet vill förstå växter och deras roll i kolets kretslopp, " säger OCO-3-projektforskaren Annmarie Eldering från NASA:s Jet Propulsion Lab i södra Kalifornien. "Det visar sig att vår rymdstationsgranne ECOSTRESS tittar på hur växter reagerar på stress. Och så finns det GEDI, som tittar på hur mycket växtmaterial som finns på marken. Forskare som funderar på växter och deras roll i kolets kretslopp är superglada. Vi har hört många diskussioner om hur vi kan använda all data tillsammans för att bättre förstå växter."

OCO-3-sensorn använder solljusreflektioner genom atmosfären för att mäta variationer i atmosfärisk koldioxid, observerar förändringar på mindre än en enskild miljondel.

"De flesta gaser som ozon, kolmonoxid, eller vattenånga dubbla eller tredubbla i atmosfärskoncentration när de är förorenade, så det är ganska lätt att upptäcka. Men för koldioxid, det är unikt svårt att se förändringarna, säger Eldering.

Att mäta dessa små förändringar kan vara nyckeln till att svara på långvariga frågor om atmosfärisk koldioxid.

"Lyckligtvis för oss, växterna och havet absorberar ungefär hälften av de mänskliga genererade koldioxidutsläppen varje år. Men det finns fortfarande mysterier kring hur de gör det, varför beloppet är olika varje år, och hur absorption kommer att ske i framtiden, " säger Eldering. "Våra uppgifter är avsedda att hjälpa till att svara på den typen av frågor."

Kollagring och avlägsnande har också undersökts både inom och utanför stationen. Photobioreactor undersökte om mikroalger kunde hjälpa till att stänga kolslingan i livsuppehållande system, och Kuwaits experiment:E. coli C5 studerade effekten av mikrogravitation på E. coli-bakterier som modifierades för att konsumera koldioxid som matkälla. Bilder tagna av den tidigare rymdstationens nyttolast HICO hjälpte till och med att utveckla en algoritm för att upptäcka skadliga algblomningar. Alger spelar en stor roll i den globala kolcykeln, och blomningar är ansvariga för mycket av havets kolabsorption.

Med andra enheter som SAGE-III-spårningszon, ISS-LIS och ASIM övervakar blixtnedslag, och TSIS spårar den totala energin som strömmar in i jorden från solen, stationsexperiment främjar många klimatrekord och modeller.

"Klimatförändringar utgör det som kanske är mänsklighetens största miljöutmaning, " säger den tidigare TSIS-huvudutredaren och professorn Peter Pilewskie vid University of Colorado Boulder. "Övervakar energin som flödar in i, inom, och ur systemet underbygger vår förmåga att förstå hur klimatsystemet fungerar, inse att det håller på att förändras, och identifiera de mekanismer som är ansvariga för klimatförändringarna."

Stationen erbjuder en standardiserad, kapabel plattform för att hysa jordobservationsexperiment som TSIS. Storleken på en fotbollsplan och utrustad med många fästpunkter, gott om datakapacitet, och en stor strömförsörjning (som förväntas bli ännu större med den kommande installationen av iROSA solpaneler, rymdstationen kan vara värd för en mängd olika instrument samtidigt.

Tillgången på dessa resurser gjorde stationen till ett utmärkt sista-minuten-alternativ för TSIS-teamet för att snabbt få sin nyttolast i omloppsbana. Efter några förseningar, teamet stod inför potentiella fel i tidigare spårningsinstrument innan TSIS kunde lanseras.

"Det började bli ganska hemskt, eftersom noggrannheten i klimatregistret bibehålls på högsta möjliga nivå när dataregistreringen är kontinuerlig, "säger Pilewskie." På grund av rymdstationen, vi kunde fortsätta det här rekordet."

Efter att forskare lärt sig grunderna för att skapa en nyttolast för rymdstationen, de kan tillämpa den kunskapen på framtida stationsprojekt. Pilewskie arbetar redan på sitt nästa experiment, CLARREO Pathfinder, planeras att lanseras under de närmaste åren.

"Värdet som vi fick av att använda ett instrument på stationen som behövde peka mycket exakt kan inte underskattas, " säger Pilewskie. "Vi måste göra samma sak med CLARREO Pathfinder, så vi använder några av samma motorer som vi använder för att driva TSIS-instrumenten."

CLARREO planerar att studera jordens klimat genom att ta mätningar av solljus som reflekteras av jorden och månen med fem till tio gånger lägre osäkerhet än mätningar från befintliga sensorer.

Det mänskliga elementet

Det är inte bara sensorer som övervakar vår planet från ovan. Det gör folk också.

Fönstren på rymdstationen ger möjlighet till astronautfotografering och manuell insamling av klimatdata. Astronauter har tagit mer än 4 miljoner bilder av jorden från rymden (över 3,5 miljoner från rymdstationen), bidrar till en av de längsta rekorden om hur jorden har förändrats över tiden. Crew Earth Observations stöder för närvarande ett antal urbana nattbelysningsstudier, glaciär- och vulkanövervakning, och studier av atmosfäriska processer som påverkas av kraftfulla vulkanutbrott. Bilderna används också i ekologiska undersökningar, inklusive ett samarbetsprojekt som heter AMASS, som spårade fågelvandringsvägar och effekterna av förändringar som inträffade längs dessa rutter.

Dessa bilder stöder också katastrofhjälp för händelser som orkaner och skogsbränder. Efter att ha fått meddelande om en naturkatastrof har inträffat, forskare på marken avgör om besättningen kommer att kunna se det området medan de kretsar ovanför. Om så är fallet, besättningen fångar och skickar bilder tillbaka till jorden. Bilderna är sedan georefererade för användning av riskgrupper på marken. Astronautbilder har varit användbara för bränder, till exempel, visar räddningspersonal var rökplymen tar vägen.

Utplacering bortom stationen

Station utökar sin klimatvetenskapliga inverkan genom att distribuera CubeSats i låg omloppsbana om jorden. Dessa enheter i skokartong, som innehåller teknikdemonstrationer eller testar nya typer av klimatvetenskap, lansering till stationen tillsammans med tusentals pund av andra forskningsundersökningar och lastförnödenheter. Astronauter lastar av och förbereder dem på stationen och distribuerar dem sedan ur stationens luftsluss.

"Många av våra mindre satelliter, CubeSats, får åkattraktioner på grund av rymdstationen. Det har varit en stor resurs för små program, speciellt universitet eller NASA-centra som försöker få igång några små projekt. CubeSats kan vara deras första språngbräda till större saker, "säger TSIS och NanoRacks-MinXSS huvudutredare Tom Woods." Rymdstationen erbjuder många möjligheter att få ut dessa mindre saker i rymden. "

Mer än 250 CubeSats har släppts från stationen, inklusive många klimatcentrerade nyttolaster. Till exempel:

• Den studentdesignade NanoRacks-MinXSS CubeSat riktade in sig på en bättre förståelse av solröntgenenergi och hur den påverkar lagren i jordens övre atmosfär.
• DIWATA-1-satelliten tillhandahåller fjärranalysinformation till Filippinerna genom att observera meteorologiska katastrofer som tyfoner och lokala kraftiga regn.
• HARP CubeSat hjälper oss att bättre förstå hur moln och aerosoler påverkar vädret, klimat, och luftkvalitet.

När jordens klimat förändras, den internationella rymdstationen kommer att titta från ovan, hjälpa till att ge unika insikter som behövs för att hålla vår planet säker.