碳是地球上生命的基石。它储存在地球上的储层中——岩石、植物和土壤中——海洋和大气中。它周期不断地在这些水库之间流动。
了解碳循环至关重要，原因有很多。它为我们提供能量，以化石燃料的形式储存起来。大气中的碳气体有助于调节地球的温度，对植物的生长至关重要。从大气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气候交织在一起，但这些过程对气候变化的反应方式尚未得到很好的量化。
我们的研究小组俄克拉荷马大学正在领导美国宇航局最新的地球探险任务，地球静止碳观测站，或地质碳。这项任务将在卫星上放置一个先进有效载荷，从地球赤道上方 22,000 多英里处研究地球。观察三种主要碳气体——二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4) 和一氧化碳 (CO) ——的浓度日复一日、年复一年的变化将有助于我们在理解碳循环中自然和人为变化方面取得重大飞跃。
GeoCarb 也是 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 (塞拉利昂）我们的“托管有效载荷”方法将在商业通信卫星上安置一个科学观测站，为未来低成本、商业化的地球观测铺平道路。
观察碳循环
有名的 ？基林曲线” 追踪地球大气中二氧化碳浓度，该数据基于夏威夷莫纳罗亚天文台的每日测量结果。它显示全球二氧化碳水平随时间推移不断上升，但也会因生物过程而发生季节性变化。二氧化碳北半球春季和夏季减少，因为植物生长并从空气中吸收二氧化碳。秋季和冬季，当植物相对休眠并且生态系统“呼出”二氧化碳时，二氧化碳含量又会上升。
基林曲线由已故地球化学家查尔斯·戴维·基林于 1958 年开始记录，用于测量大气中的二氧化碳浓度。斯克里普斯海洋研究所
仔细观察就会发现，每年的循环都略有不同。有些年份，生物圈从大气中吸收更多的二氧化碳；而另一些年份，生物圈向大气中释放更多的二氧化碳。我们想更多地了解造成年与年之间差异的原因，因为这包含了碳循环如何运作的线索。
例如，1997-1998 年厄尔尼诺期间，二氧化碳急剧上升主要是由于印度尼西亚火灾。2015-2016 年发生的最近一次厄尔尼诺现象也导致了二氧化碳浓度上升，但其原因可能是热带地区多种因素造成的，包括亚马逊河流域光合作用减弱、非洲因温度升高导致土壤释放二氧化碳以及亚洲热带地区发生火灾。
这两个碳循环逐年变化的例子，无论是全球还是区域，都反映了我们现在所相信的——即变化主要是由陆地生态系统要探究气候与碳的相互作用，就需要对各种生态系统过程层面上这种变化的原因有更定量的了解。
为什么要从太空研究陆地排放？
GeoCarb 将进入地球静止轨道大约位于西经 85 度，它将与地球同步旋转。从这个有利位置，可以看到从萨斯卡通到蓬塔阿雷纳斯的美洲主要城市和工业区，以及大片农业区和广阔的南美洲热带森林和湿地。每天一次或两次测量美洲大部分陆地上的二氧化碳、甲烷和一氧化碳将有助于解决 CO2 和 CH4 通量变化问题。
GeoCarb 还将测量太阳诱导荧光(SIF) ——植物将无法利用的光发射回太空。生物圈发出的这种“闪光”与光合作用率密切相关，因此可以衡量植物吸收了多少二氧化碳。
NASA 率先采用了 GeoCarb 将执行的早期任务的技术，轨道碳观测站 2（OCO-2）。OCO-2发射至低地球轨道于 2014 年发射，并一直在测量太空中的二氧化碳，随着地球在太空中自转，它每天都会从一极到另一极几次。
地球静止卫星，如 Geo-Carb 和 GOES 气象卫星（如图所示），位于赤道上方，距地球表面约 36,000 公里（或 22,300 英里），以与地球自转相同的速度绕地球运行，使其看起来像静止不动。OCO-2 与如图所示的低地球卫星一样，采样范围要窄得多。 飞
尽管仪器相似，但轨道上的差异至关重要。OCO-2 以 16 天为重复周期，在全球大部分地区以 10 公里的狭窄轨道进行采样，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。
由于云层覆盖，OCO-2 可能会错过一个季节对亚马逊的观测，而 GeoCarb 将每天以灵活的扫描模式瞄准无云区域。每日重访将与气象卫星一起显示生物圈近乎实时的变化，例如16 号位于西经 105 度，有助于连接地球系统的各个组成部分。
碳循环的细微差别
许多进程影响大气中二氧化碳含量的因素包括植物生长和腐烂、化石燃料燃烧和土地利用变化，例如砍伐森林用于耕种或开发。仅使用二氧化碳测量很难将大气中二氧化碳的变化归因于不同的过程，因为大气将来自所有不同来源的二氧化碳混合在一起。
如前所述，除了 CO2 和 CH4，GeoCarb 还将测量 CO。燃烧化石燃料发布CO 和 CO2 都存在。这意味着，当我们同时看到两种气体浓度很高时，就有证据表明它们是由人类活动释放出来的。
做出这一区分至关重要，这样我们就不会假设人类引起的二氧化碳排放来自植物活动的减少或土壤中二氧化碳的自然释放。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很重要，观察和测量它对于任何关于减少二氧化碳排放策略的讨论都是必不可少的。
GeoCarb 对甲烷的测量将成为了解全球碳-气候系统的关键因素。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了解不如对二氧化碳的了解。但与二氧化碳一样，甲烷观测可以告诉我们很多有关自然系统运作的信息。沼泽释放甲烷是系统自然腐烂的一部分。释放率与系统的干湿程度和冷暖程度有关。
目前尚不清楚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收入损失能源生产商。环境保护署估计，美国的泄漏率约为 2%，这意味着数十亿美元每年。
这些照片拍摄于 2016 年 1 月，拍摄时间相隔 11 天，是加利福尼亚州阿利索峡谷甲烷泄漏事件的首次从太空观测到来自同一设施的甲烷羽流。照片由 NASA ER-2 飞机（左）在 4.1 英里（6.6 公里）高度的仪器和 NASA 的地球观测 1 号卫星（右）在低地球轨道上拍摄。未来的仪器将提供更精确的测量结果。美国宇航局
根据模拟结果，我们预计 GeoCarb 只需几天的观察就能绘制出最严重泄漏的地图。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前往可疑泄漏地点来发现泄漏。较新的机载传感器可以降低这一过程的成本，但它们的部署仍然有限且临时。GeoCarb 的定期观察将及时向生产商提供泄漏信息，帮助他们限制损失。
观察地球的呼吸
通过每天扫描西半球的陆地，GeoCarb 将提供前所未有的大量大气中 CO2、CH4 和 CO 的高质量测量数据。这些观测数据以及 SIF 观测数据中对光合作用的直接测量数据将使我们对碳循环的理解达到新的水平。
我们将首次能够观察西半球每天的呼吸情况，并通过生物圈的视角观察季节的变化。有了这些观察结果，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。
贝林·摩尔三世，天气与气候项目副总裁；大气与地理科学学院院长；国家气象中心主任，俄克拉荷马大学和肖恩·克罗威尔， 研究科学家，俄克拉荷马大学
