碳是我們星球上生命的基石。 它儲存在地球上的水庫中——岩石、植物和土壤中——海洋和大氣中。 還有它週期不斷地在這些水庫之間。
出於多種原因，了解碳循環至關重要。 它為我們提供能源，以化石燃料的形式儲存。 大氣中的碳氣體有助於調節地球的溫度，對植物的生長至關重要。 從大氣到海洋的碳支持海洋浮游植物的光合作用和珊瑚礁的發育。 這些過程和無數其他過程都與地球氣候交織在一起，但這些過程對氣候變遷和變遷的反應方式尚未得到很好的量化。
我們的研究小組在俄克拉荷馬大學正在領導美國太空總署最新的地球冒險任務，地球靜止碳觀測站，或地質碳化物。 該任務將在衛星上放置先進的有效載荷，以便從距離地球赤道超過 22,000 英里的地方研究地球。 觀察三種主要碳氣體－二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化碳（CO）－日復一日、年復一年的濃度變化，將有助於我們在理解自然和人類變化方面取得重大飛躍在碳循環中。
GeoCarb 也是 NASA、一所公立大學、一家商業技術開發公司 (洛克希德馬丁先進技術中心）和一家商業通訊發射和託管公司（SES）。 我們的「託管有效載荷」方法將在商業通訊衛星上放置一個科學觀測站，為未來低成本、商業化的地球觀測鋪平道路。
觀察碳循環
有名的 ”基林曲線”，該計畫追蹤地球大氣中的二氧化碳濃度，基於夏威夷莫納羅亞天文台的日常測量。 它表明，全球二氧化碳水平隨著時間的推移而上升，但也會因生物過程而發生季節性變化。 二氧化碳北半球春季和夏季期間減少，隨著植物生長並從空氣中吸收二氧化碳。 在秋季和冬季，當植物進入相對休眠狀態並且生態系統「呼出」二氧化碳時，它會再次上升。
基林曲線由已故地球化學家 Charles David Keeling 於 1958 年開始記錄，用於測量大氣中的二氧化碳濃度。史克里普斯海洋研究所
仔細觀察就會發現，每年的周期都略有不同。 在某些年份，生物圈從大氣中吸收更多的二氧化碳；在某些年份，生物圈會從大氣中吸收更多的二氧化碳。 在其他情況下，它會向大氣中釋放更多物質。 我們想更多地了解導致年度差異的原因，因為這包含有關碳循環如何運作的線索。
例如，1997-1998年厄爾尼諾的現象期間，二氧化碳的急劇上升主要是由於印尼發生火災。 2015-2016 年最近發生的厄爾尼諾現像也導致二氧化碳濃度上升，但原因可能是整個熱帶地區綜合影響的結果，包括亞馬遜流域光合作用減少、非洲溫度驅動的土壤釋放二氧化碳以及熱帶地區火災亞洲。
全球和區域碳循環逐年變化的這兩個例子反映了我們現在的看法，即變化很大程度上是由陸地生態系統。 探究氣候-碳相互作用的能力將需要對各種生態系統過程層面上這種變化的原因有更定量的了解。
為什麼要研究太空中的地面排放？
GeoCarb 將推出地球靜止軌道大約在西經85度，它將與地球同步旋轉。 從這個有利位置，可以看到從薩斯卡通到蓬塔阿雷納斯的美洲主要城市和工業區，以及大面積的農業區和廣闊的南美洲熱帶森林和濕地。 在美洲大部分陸地地區每天測量一次或兩次二氧化碳、甲烷和一氧化碳將有助於解決二氧化碳和甲烷通量的變化問題。
GeoCarb 也將測量太陽誘導螢光(SIF) – 植物發出無法利用的光返回太空。 生物圈的這種「閃爍」與光合作用的速率密切相關，因此可以衡量植物吸收的二氧化碳量。
NASA 率先採用了 GeoCarb 技術，該技術將用於執行早期任務，即軌道碳觀測站 2（OCO-2）。 OCO-2發射進入近地軌道2014 年，此後一直在測量太空中的二氧化碳，當地球在其下方旋轉時，每天會多次從一個極點傳到另一個極點。
Geo-Carb 和 GOES 氣象衛星（如圖所示）等對地靜止衛星位於赤道上空，距離地球表面約 36,000 公里（或 22,300 英里）的高度，其軌道速度與地球自轉速度相同，使它們看起來站著不動。 OCO-2 與此處所示的低地球衛星一樣，採樣的區域要窄得多。 飛
儘管儀器相似，但軌道的差異至關重要。 OCO-2 以 16 天的重複週期對全球大部分地區的 10 公里狹窄軌道進行採樣，而 GeoCarb 將從固定位置連續觀察西半球陸地，每天至少掃描一次這片陸地的大部分。
由於定期雲層覆蓋，OCO-2 可能會錯過亞馬遜一個季節的觀測，而 GeoCarb 每天都會以靈活的掃描模式瞄準無雲區域。 每日重訪將顯示生物圈與氣象衛星一起近乎即時的變化，例如去 16位於西經 105 度，有助於連接地球系統各組成部分之間的點。
碳循環的細微差別
許多流程影響大氣中二氧化碳水平，包括植物生長和腐爛、化石燃料燃燒和土地利用變化，例如為農業或開發而砍伐森林。 僅使用二氧化碳測量很難將大氣二氧化碳變化歸因於不同的過程，因為大氣將所有不同來源的二氧化碳混合在一起。
如前所述，除了 CO2 和 CH4 之外，GeoCarb 還將測量 CO。發布CO 和 CO2。 這意味著當我們同時看到兩種氣體濃度很高時，我們就有證據表明它們是由人類活動釋放的。
做出這種區分是關鍵，因此我們不會假設人類造成的二氧化碳排放來自植物活動的減少或土壤中自然釋放的二氧化碳。 如果我們能夠區分人為排放和自然排放，我們就可以得出有關碳循環的更可靠的結論。 了解這些變化中有多少是由人類活動引起的，對於了解我們對地球的影響非常重要，而觀察和測量它對於任何有關減少二氧化碳排放策略的討論都至關重要。
GeoCarb 對甲烷的測量將成為了解全球碳氣候系統的關鍵要素。 甲烷是由濕地等自然系統和天然氣生產等人類活動產生的。 我們不了解碳循環的甲烷部分以及二氧化碳。 但就像二氧化碳一樣，甲烷觀測結果告訴我們很多關於自然系統功能的資訊。 沼澤釋放甲烷作為系統自然腐爛的一部分。 釋放速率與系統的濕/乾和暖/冷程度有關。
目前尚不清楚天然氣生產對甲烷排放的貢獻有多大。 更準確地量化這些排放的原因之一是它們代表收入損失對於能源生產商來說。 環保署估計美國的洩漏率約 2%，總計可能達到數十億美元每年。
這些加州阿利索峽谷甲烷洩漏的圖像於 2016 年 1 月拍攝，間隔 11 天，這是首次從太空觀測到單一設施的甲烷羽流。 照片是由（左）海拔 4.1 英里（6.6 公里）的 NASA ER-2 飛機和（右）近地軌道上的 NASA Earth Observing-1 衛星上的儀器拍攝的。 未來的儀器將提供更精確的測量。美國太空總署
我們預計，根據模擬，GeoCarb 只需幾天的觀察就能產生突出顯示最大洩漏的地圖。 發現洩漏將降低能源生產商的成本並減少天然氣的碳足跡。 目前，能源公司透過派遣攜帶檢測設備的人員前往可疑洩漏地點來發現洩漏。 較新的機載感測器可以使這一過程更便宜，但它們的部署仍然有限且以臨時方式進行。 GeoCarb的定期觀測將及時向生產者提供洩漏訊息，以幫助他們限制損失。
看著地球呼吸
透過每天掃描西半球的陸地，GeoCarb 將提供前所未有數量的大氣中 CO2、CH4 和 CO 的高品質測量結果。 這些觀測結果，加上 SIF 觀測對光合作用活動的直接測量，將把我們對碳循環的理解提升到一個新的水平。
我們將第一次能夠觀察西半球每天的呼吸，並透過生物圈的眼睛看到季節的變化。 有了這些觀察結果，我們將開始釐清自然和人類對碳平衡的貢獻。 這些見解將幫助科學家對地球的未來做出可靠的預測。
貝林摩爾三世，天氣與氣候項目副總裁； 大氣與地理科學學院院長； 國家氣像中心主任，俄克拉荷馬大學和肖恩·克羅威爾， 研究科學家，俄克拉荷馬大學
