NASA 卫星将从太空观测地球的呼吸

碳是我们星球生命的基本组成部分。它储存在地球的储库中——岩石、植物和土壤中——海洋中以及大气中。并且它在这些储库之间不断地 循环。

理解碳循环至关重要，原因有很多。它为我们提供能量，以化石燃料的形式储存。大气中的碳气体有助于调节地球的温度，并且对植物的生长至关重要。从大气传递到海洋的碳支持海洋浮游植物的光合作用和珊瑚礁的发育。这些过程和无数其他过程都与地球的气候交织在一起，但这些过程如何响应气候的变异性和变化的方式尚未得到充分量化。

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我们在 俄克拉荷马大学的研究小组正在领导美国国家航空航天局 (NASA) 最新的地球风险任务——地球静止轨道碳观测站，或 GeoCarb。这项任务将把一个先进的有效载荷放置在卫星上，以研究距离地球赤道超过 22,000 英里的地球。通过日复一日、年复一年地观察三种关键碳气体——二氧化碳 (CO₂)、甲烷 (CH4) 和一氧化碳 (CO)——浓度的变化，将帮助我们在理解碳循环中的自然和人为变化方面取得重大飞跃。

GeoCarb 也是美国国家航空航天局 (NASA)、一所公立大学、一家商业技术开发公司（洛克希德·马丁先进技术中心）和一家商业通信发射和托管公司 (SES) 之间的一项创新合作。我们的“托管有效载荷”方法将把一个科学观测站放置在商业通信卫星上，为未来低成本、商业化的地球观测铺平道路。

观测碳循环

著名的“基林曲线”追踪地球大气中 CO₂ 浓度，它基于夏威夷莫纳罗亚天文台的每日测量数据。它显示全球 CO₂ 水平随着时间推移而上升，但也由于生物过程而发生季节性变化。当植物生长并从空气中吸收 CO₂ 时，CO₂ 在北半球的春季和夏季月份会下降。当植物相对休眠且生态系统“呼出”CO₂ 时，它在秋季和冬季再次上升。

仔细观察表明，每年的周期都略有不同。在某些年份，生物圈从大气中吸收更多的 CO₂；在另一些年份，它向大气中释放更多的 CO₂。我们想更多地了解是什么导致了年复一年的差异，因为其中包含了关于碳循环如何运作的线索。

例如，在 1997-1998 年的厄尔尼诺现象期间，CO₂ 的急剧上升主要是由 印度尼西亚的火灾驱动的。最近 2015-2016 年的厄尔尼诺现象也导致了 CO₂ 的上升，但原因可能是整个热带地区复杂影响的混合——包括亚马逊地区光合作用减少、非洲温度驱动的土壤释放 CO₂ 以及热带亚洲的火灾。

这两个关于碳循环年际变率的例子，无论是在全球范围内还是在区域范围内，都反映了我们现在认为的——即，变率主要是由 陆地生态系统驱动的。探测气候-碳相互作用的能力将需要在各种生态系统的过程层面上对这种变率的原因进行更定量的理解。

为什么从太空研究陆地排放？

GeoCarb 将被发射到西经 85 度左右的 地球静止轨道，在那里它将与地球同步旋转。从这个有利位置，从萨斯卡通到蓬塔阿雷纳斯的整个美洲的主要城市和工业区，以及大型农业区和广阔的南美洲热带森林和湿地都将尽收眼底。每天一到两次对美洲大部分陆地地区进行二氧化碳、甲烷和一氧化碳的测量将有助于解决 CO₂ 和 CH4 的通量变率。

GeoCarb 还将测量 太阳诱导荧光 (SIF)——植物向太空发射它们无法利用的光。生物圈的这种“闪烁”与光合作用的速率密切相关，因此可以衡量植物吸收了多少 CO₂。

美国国家航空航天局 (NASA) 在之前的任务中率先使用了 GeoCarb 将搭载的技术，即 轨道碳观测站 2 号 (OCO-2)。OCO-2 于 2014 年发射进入 低地球轨道，此后一直在从太空测量 CO₂，随着地球在其下方旋转，每天多次从一极到另一极。

虽然仪器相似，但轨道差异至关重要。OCO-2 在 16 天的重复周期内在地球大部分地区采样一条狭窄的 10 公里轨道，而 GeoCarb 将从固定位置连续观察西半球陆地，每天至少扫描一次这片陆地的大部分地区。

由于经常性的云层覆盖，OCO-2 可能会错过一个季节对亚马逊地区的观测，而 GeoCarb 将每天使用灵活的扫描模式瞄准无云区域。每日重访将与天气卫星（例如位于西经 105 度的 GOES 16）一起近乎实时地显示生物圈的变化，从而帮助连接地球系统各组成部分之间的点。

碳循环的细微之处

许多 过程会影响大气中 CO₂ 的水平，包括植物的生长和腐烂、化石燃料燃烧以及土地利用变化，例如为了耕作或开发而清理森林。仅使用 CO₂ 测量值很难将大气 CO₂ 的变化归因于不同的过程，因为大气会将来自所有不同来源的 CO₂ 混合在一起。

如前所述，除了 CO₂ 和 CH4 之外，GeoCarb 还将测量 CO。燃烧化石燃料 释放 CO 和 CO₂。这意味着，当我们同时看到两种气体的高浓度时，我们有证据表明它们是由人类活动释放的。

做出这种区分是关键，这样我们就不会假设人为造成的 CO₂ 排放来自植物活动的减少或土壤中 CO₂ 的自然释放。如果我们能够区分人为排放和自然排放，我们就可以对碳循环得出更可靠的结论。了解这些变化中有多少是由人类活动引起的，对于理解我们对地球的影响非常重要，而观察和测量它对于任何关于减少 CO₂ 排放策略的对话都至关重要。

GeoCarb 对甲烷的测量将是理解全球碳-气候系统的关键要素。甲烷是由自然系统（如湿地）和人类活动（如天然气生产）产生的。我们对碳循环中甲烷部分的理解不如对 CO₂ 的理解。但与 CO₂ 一样，甲烷观测告诉我们很多关于自然系统功能的信息。沼泽释放甲烷是系统中自然腐烂的一部分。释放速率与系统的干湿程度和冷暖程度有关。

尚不确定天然气生产对甲烷排放的贡献有多大。更准确地量化这些排放的一个原因是它们代表了能源生产商的 收入损失。美国环境保护署估计美国的泄漏率约为 2%，这可能每年高达 数十亿美元。

我们根据模拟预计，GeoCarb 将生成地图，只需几天观测即可突出显示最大的泄漏。发现泄漏将降低能源生产商的成本，并减少天然气的碳足迹。目前，能源公司通过派遣携带检测设备的人员到疑似泄漏地点来发现泄漏。更新的机载传感器可以使该过程更便宜，但它们的部署仍然有限且是临时性的。GeoCarb 的定期观测将及时向生产商提供泄漏信息，以帮助他们限制损失。

观看地球的呼吸

通过每天扫描西半球的陆地，GeoCarb 将提供前所未有的高质量大气中 CO₂、CH4 和 CO 的测量数据。这些观测结果，连同来自 SIF 观测的光合作用活动的直接测量，将把我们对碳循环的理解提升到一个新的水平。

我们将首次能够观看西半球每天的呼吸，并通过生物圈的眼睛看到季节的变化。借助这些观测结果，我们将开始理清自然和人类对碳平衡的贡献。这些见解将帮助科学家对地球的未来做出可靠的预测。

本文最初发表于 The Conversation。阅读原始文章。