Koolstof is een bouwsteen van het leven op onze planeet. Het wordt opgeslagen in reservoirs op aarde – in rotsen, planten en bodem – in de oceanen, en in de atmosfeer. En het pendelt constant tussen deze reservoirs.

Het begrijpen van de koolstofcyclus is om vele redenen van cruciaal belang. Het geeft ons energie, opgeslagen als fossiele brandstof. Koolstofgassen in de atmosfeer helpen de temperatuur op aarde te reguleren en zijn essentieel voor de groei van planten. Koolstof die van de atmosfeer naar de oceaan gaat, ondersteunt de fotosynthese van marien fytoplankton en de ontwikkeling van riffen. Deze processen en talloze andere zijn allemaal verweven met het klimaat op aarde, maar de manier waarop de processen reageren op variabiliteit en klimaatverandering is niet goed gekwantificeerd.

Onze onderzoeksgroep aan de Universiteit van Oklahoma leidt NASA's nieuwste Earth Venture Mission, het geostationaire koolstofobservatorium, of GeoCarb. Deze missie zal een geavanceerde lading op een satelliet plaatsen om de aarde te bestuderen vanaf meer dan 22, 000 mijl boven de evenaar van de aarde. Waarnemen van veranderingen in concentraties van drie belangrijke koolstofgassen - koolstofdioxide (CO2), methaan (CH4) en koolmonoxide (CO) – van dag tot dag en van jaar tot jaar zullen ons helpen een grote sprong voorwaarts te maken in het begrijpen van natuurlijke en menselijke veranderingen in de koolstofcyclus.

GeoCarb is ook een innovatieve samenwerking tussen NASA, een openbare universiteit, een bedrijf voor de ontwikkeling van commerciële technologie (Lockheed Martin Advanced Technology Center) en een bedrijf voor het lanceren en hosten van commerciële communicatie (SES). Onze "hosted payload"-benadering plaatst een wetenschappelijk observatorium op een commerciële communicatiesatelliet, de weg vrijmaken voor toekomstige lage kosten, commercieel ingeschakelde aardobservaties.

De koolstofcyclus observeren

De beroemde "Keeling-curve, " die de CO2-concentraties in de atmosfeer van de aarde volgt, is gebaseerd op dagelijkse metingen bij Mauna Loa Observatory op Hawaï. Het laat zien dat de wereldwijde CO2-niveaus in de loop van de tijd stijgen, maar veranderen ook per seizoen als gevolg van biologische processen. CO2 neemt af tijdens de lente- en zomermaanden op het noordelijk halfrond, terwijl planten groeien en CO2 uit de lucht halen. Het stijgt weer in de herfst en winter wanneer planten relatief inactief worden en ecosystemen CO2 "uitademen".

Bij nadere beschouwing blijkt dat de cyclus van elk jaar iets anders is. In sommige jaren haalt de biosfeer meer CO2 uit de atmosfeer; in andere geeft het meer af aan de atmosfeer. We willen meer weten over de oorzaak van de jaar-op-jaar verschillen, want dat bevat aanwijzingen over hoe de koolstofcyclus werkt.

Bijvoorbeeld, tijdens de El Niño van 1997-1998, een forse stijging van de CO2 werd grotendeels veroorzaakt door branden in Indonesië. De meest recente El Niño in 2015-2016 leidde ook tot een stijging van de CO2, maar de oorzaak was waarschijnlijk een complexe mix van effecten in de tropen – inclusief verminderde fotosynthese in het Amazonegebied, temperatuurgestuurde uitstoot van CO2 door de bodem in Afrika en branden in tropisch Azië.

Deze twee voorbeelden van jaar-op-jaar variabiliteit in de koolstofcyclus, zowel wereldwijd als regionaal, weerspiegelen wat we nu geloven - namelijk, die variabiliteit wordt grotendeels gedreven door terrestrische ecosystemen. Het vermogen om de interactie tussen klimaat en koolstof te onderzoeken, vereist een veel meer kwantitatief begrip van de oorzaken van deze variabiliteit op procesniveau van verschillende ecosystemen.

Waarom terrestrische emissies vanuit de ruimte bestuderen?

GeoCarb wordt gelanceerd in een geostationaire baan op ongeveer 85 graden westerlengte, waar het samen met de aarde zal roteren. Vanaf dit uitkijkpunt, de grote stedelijke en industriële regio's in Amerika, van Saskatoon tot Punta Arenas, in zicht zullen zijn, net als de grote landbouwgebieden en de uitgestrekte Zuid-Amerikaanse tropische bossen en wetlands. Metingen van kooldioxide, methaan en koolmonoxide een- of tweemaal per dag in een groot deel van het Amerikaanse continent zullen de fluxvariabiliteit voor CO2 en CH4 helpen oplossen.

GeoCarb zal ook door zonne-energie geïnduceerde fluorescentie (SIF) meten - planten die licht uitstralen dat ze niet terug in de ruimte kunnen gebruiken. Dit "flitsen" door de biosfeer is sterk verbonden met de snelheid van fotosynthese, en geeft zo een maat voor hoeveel CO2-planten opnemen.

NASA pionierde met de technologie die GeoCarb op een eerdere missie zal uitvoeren, het Orbiting Carbon Observatory 2 (OCO-2). OCO-2 werd in 2014 in een lage baan om de aarde gelanceerd en meet sindsdien CO2 vanuit de ruimte. meerdere keren per dag van pool naar pool gaan terwijl de aarde eronder draait.

Hoewel de instrumenten vergelijkbaar zijn, het verschil in baan is cruciaal. OCO-2 bemonstert een smal spoor van 10 km over een groot deel van de wereld in een herhalingscyclus van 16 dagen, terwijl GeoCarb continu vanuit een vaste positie naar het terrestrische westelijk halfrond zal kijken, het grootste deel van deze landmassa minstens één keer per dag scannen.

Waar OCO-2 een seizoen lang de Amazone kan missen vanwege regelmatige bewolking, GeoCarb richt zich elke dag op de cloudvrije regio's met flexibele scanpatronen. Dagelijkse bezoeken zullen laten zien dat de biosfeer in bijna realtime verandert, samen met weersatellieten zoals GOES 16, die zich op 105 graden west bevindt, helpen om de punten tussen de componenten van het systeem van de aarde te verbinden.

Nuances van de koolstofcyclus

Veel processen beïnvloeden het CO2-gehalte in de atmosfeer, inclusief plantengroei en -bederf, verbranding van fossiele brandstoffen en veranderingen in landgebruik, zoals het kappen van bossen voor landbouw of ontwikkeling. Het toeschrijven van atmosferische CO2-veranderingen aan verschillende processen is moeilijk met alleen CO2-metingen, omdat de atmosfeer CO2 van alle verschillende bronnen met elkaar vermengt.

Zoals eerder gezegd, naast CO2 en CH4, GeoCarb gaat CO meten. Bij het verbranden van fossiele brandstoffen komen zowel CO als CO2 vrij. Dit betekent dat wanneer we hoge concentraties van beide gassen samen zien, we hebben bewijs dat ze worden vrijgegeven door menselijke activiteiten.

Het maken van dit onderscheid is essentieel, zodat we er niet van uitgaan dat door de mens veroorzaakte CO2-emissies het gevolg zijn van een afname van de plantactiviteit of een natuurlijke afgifte van CO2 uit de bodem. Als we onderscheid kunnen maken tussen door de mens veroorzaakte en natuurlijke emissies, kunnen we robuustere conclusies trekken over de koolstofcyclus. Weten welk deel van deze veranderingen wordt veroorzaakt door menselijke activiteiten is belangrijk om onze impact op de planeet te begrijpen, en het observeren en meten ervan is essentieel voor elk gesprek over strategieën om de CO2-uitstoot te verminderen.

De meting van methaan door GeoCarb zal een cruciaal element zijn bij het begrijpen van het wereldwijde koolstofklimaatsysteem. Methaan wordt geproduceerd door natuurlijke systemen, zoals moerassen, en door menselijke activiteiten zoals de productie van aardgas. We begrijpen het methaangedeelte van de koolstofcyclus niet zo goed als CO2. Maar net als bij CO2 methaanobservaties vertellen ons veel over het functioneren van natuurlijke systemen. Moerassen geven methaan af als onderdeel van het natuurlijke verval in het systeem. De afgiftesnelheid hangt af van hoe nat/droog en warm/koel het systeem is.

Het is onzeker hoeveel aardgasproductie bijdraagt ​​aan de uitstoot van methaangas. Een reden om deze emissies nauwkeuriger te kwantificeren is dat ze gederfde inkomsten vertegenwoordigen voor energieproducenten. De Environmental Protection Agency schat een lekkagepercentage in de VS van ongeveer 2 procent, wat kan oplopen tot miljarden dollars per jaar.

We verwachten op basis van simulaties dat GeoCarb met slechts een paar dagen waarnemingen kaarten zal produceren die de grootste lekken markeren. Het vinden van lekken zal de kosten voor energieproducenten verlagen en de ecologische voetafdruk van aardgas verkleinen. Momenteel, energiebedrijven vinden lekken door personeel met detectieapparatuur naar locaties met vermoedelijke lekkages te sturen. Nieuwere sensoren in de lucht kunnen het proces goedkoper maken, maar ze worden nog beperkt en ad hoc ingezet. De regelmatige observaties van GeoCarb zullen producenten tijdig informatie over lekkage verschaffen om hen te helpen hun verliezen te beperken.

Kijken hoe de planeet ademt

Met dagelijkse scans van landmassa's op het westelijk halfrond, GeoCarb zorgt voor een ongekend aantal hoogwaardige metingen van CO2, CH4 en CO in de atmosfeer. Deze waarnemingen, samen met directe metingen van fotosynthetische activiteit van SIF-waarnemingen, zal ons begrip van de koolstofcyclus naar een nieuw niveau tillen.

Voor het eerst zullen we kunnen zien hoe het westelijk halfrond elke dag in- en uitademt, en om de seizoenen te zien veranderen door de ogen van de biosfeer. Uitgerust met deze observaties, we zullen beginnen natuurlijke en menselijke bijdragen aan de koolstofbalans te ontrafelen. Deze inzichten zullen wetenschappers helpen robuuste voorspellingen te doen over de toekomst van de aarde.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.