美国宇航局卫星将如何观察地球从太空呼吸

从10月1日到2014年11月11日的平均二氧化碳浓度由轨道碳观测卫星-2测量。NASA）这篇文章最初是在对话会上发表的。这篇文章为《生命科学》的专家之声：评论和见解贡献了一篇文章。

碳是地球上生命的基石。它储存在地球上的水库中，岩石、植物和土壤中，海洋和大气中。它在这些储层之间不断循环。

理解碳循环至关重要，原因有很多。它为我们提供能量，作为化石燃料储存。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了海洋浮游植物的光合作用和珊瑚礁的发育。这些过程和其他无数的过程都与地球的气候交织在一起，但是这些过程对气候变化和变化的反应方式并没有很好的量化。

我们在俄克拉荷马大学的研究小组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GeoCarb。这次任务将在一颗卫星上放置盯核一个先进的有效载荷，从地球赤道以上22000英里的地方研究地球。观察三种主要的二氧化碳气体-二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化碳（CO）的浓度变化，将有助于我们在理解碳循环中的自然和人类变化方面取得重大飞跃。“KDSPE”“KDSPs”GeoCarb也是NASA之间的创新合作。一所公立大学、一家商业技术开发公司（洛克希德马丁公司先进技术中心）和一家商业通信发射和托管公司（SES）。我们的“托管有效载荷”方法将在商业通信卫星上建立一个科学观测站，为未来低成本、商业化的地球观测铺平道路。

观测碳循环著名的“Keeling曲线”，它跟踪地球大气中的二氧化碳浓度，是基于在Mauna的每日测量夏威夷的洛亚天文台。这表明，全球二氧嫌则拆化碳水平随着时间的推移而上升，但也因生物过程而季节性变化。在北半球的春夏季节，随着植物的生长和从空气中吸收二氧化碳，二氧化碳减少。秋季和冬季，当植物相对休眠，生态系统“呼出”二氧化碳时，二氧化碳再次上升。仔细观察，

和表明，每年的循环略有不同。在某些年份，生物圈从大气中吸收更多的二氧化碳；在另一些年份，生物圈向大气释放更多的二氧化碳。我们想知道更多导致年与年差异的原因，因为这包含了碳循环如何工作的线索。

例如，在1997-1998年的厄尔尼诺期间，二氧化碳的急剧上升主要是由印度尼西亚的火灾推动的。最近一次在2015-2016年的厄尔尼诺现象也导致了二氧化碳的上升，但其原因可能是热带地区各种影响的复杂混合――包括亚马逊地区光合作用的减少、非洲温度驱动的土壤二氧化碳释放和热带亚洲的火灾。

这两个碳循环年际变化的例子，无论是在全球还是在区域上，都反映了我们现在所相信的――也就是说，变化很大程度上是由陆地生态系统驱动的。探索气候碳相互作用的能力将需要在不同生态系统的过程层面上对这种变化的原因有更为量化的了解。

为什么要研究来自太空的陆地排放“GeoCarb将被发射到大约西经85度的地球静止轨道上，并在那里与地球同步旋转。从这个有利的角度来看，从萨斯卡通到蓬塔阿雷纳斯的美洲主要城市和工业区，以及广大的农业区和广阔的南美洲热带森林和湿地也将是如此。二氧化碳的测量Ne和一氧化碳芹枣每日一次或两次在大部分陆地美洲上有助于解决CO2和CH4的通量变化。“KDSPE”“KDSPs”GEOCUB也将测量太阳诱导荧光（SIF）-植物发出光，它们不能返回空间。生物圈的这种“闪光”与光合作用的速率密切相关，因此提供了一种测量二氧化碳植物吸收量的方法。

美国宇航局率先开发了GeoCarb将执行早期任务的技术，轨道碳观测站2（OCO-2）。OCO-2于2014年发射进入低地球轨道，此后一直在测量来自太空的二氧化碳，当地球在其下方旋转时，每天从一个极传到另一个极。

虽然仪器相似，但轨道上的差异至关重要。OCO-2在16天的重复周期中，在全球大部分地区对一条狭窄的10公里轨道进行采样，而GeoCarb将从固定位置连续观察西半球的陆地，每天至少扫描一次这片陆地的大部分。

，在那里，由于有规律的云层覆盖，OCO-2可能会错过一个季节对亚马逊的观测，GeoCob将以灵活的扫描模式每天瞄准无云区域。每天的回访将显示生物圈在接近实时的情况下与气象卫星一起变化，如位于西边105度的GOES 16，有助于连接地球系统组成部分之间的点。

碳循环的细微差别许多过程影响大气中的二氧化碳水平，包括植物的生长和腐烂，化石燃料的燃烧和土地使用的变化，例如为耕种或发展而砍伐森林。单独使用二氧化碳测量很难将大气中的二氧化碳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，除了二氧化碳和CH4之外，GeoCarb还将测量燃烧化石燃料释放的一氧化碳和二氧化碳。这意味着，当我们看到两种气体的高浓度在一起时，我们有证据表明它们是由人类活动释放的。

作出这一区分是关键，因此我们不认为人类引起的二氧化碳排放来自于植物活动的减少或土壤中二氧化碳的自然释放。如果我们能区分人为排放和自然排放，我们就能得出关于碳循环的更有力的结论。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，观察和测量对于任何关于减少二氧化碳排放战略的讨论都是必不可少的。

GeoCarb对甲烷的测量将是理解全球碳气候系统的一个关键因素。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。我们不了解碳循环中的甲烷部分以及二氧化碳。但是就像二氧化碳一样，甲烷的观测告诉了我们很多自然系统的功能。沼泽释放甲烷作为系统自然衰变的一部分。释放速率与系统的湿/干和温/冷程度有关。

不确定天然气产量对甲烷排放的贡献有多大。更准确地量化这些排放量的一个原因是，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%，每年可能高达数十亿美元。

我们基于GeoCarb将制作地图，用短短几天的观察突出最大的泄漏。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前往疑似泄漏地点来发现泄漏。较新的机载传感器可以使这一过程更便宜，但它们仍在有限的基础上以临时的方式部署。GeoCarb的定期观测将在一段时间内为生产者提供泄漏信息