Het is een wetenschappelijk raadsel met enorme implicaties voor onze toekomst:hoe zal onze planeet reageren op de toenemende niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer?

Die schijnbaar eenvoudige vraag is bijzonder lastig omdat koolstof - een essentiële bouwsteen voor het leven op aarde - niet op één plaats blijft of slechts één vorm aanneemt. Koolstof in zijn vele vormen, zowel uit natuurlijke als door de mens veroorzaakte bronnen, beweegt in en tussen de atmosfeer, de oceaan en het land terwijl onze levende planeet ademt. Het is een epische uitdaging om koolstof op te sporen en te inventariseren en de vele ingewikkelde processen te ontrafelen die ervoor zorgen dat het over de hele planeet verandert.

En dat is waar NASA om de hoek komt kijken.

Het bureau is een voorloper in het gebruik van sensoren in de ruimte en in de lucht om koolstof in de atmosfeer en op het land en in de oceaan te observeren en te kwantificeren, werken met veel Amerikaanse en internationale partners.

Al meer dan twee decennia, NASA heeft het uitkijkpunt van de ruimte gebruikt om de koolstofpuzzel stuk voor stuk aan te pakken. Het bureau heeft honderden miljoenen dollars geïnvesteerd in de tools die nodig zijn om de klus te klaren, van het bouwen en lanceren van ruimtevaartuigen en het ontwikkelen van nieuwe instrumenten en geïntegreerde datasets tot het financieren van fundamenteel onderzoek, veldwerk en computermodellering. En die investering gaat vandaag door.

Verschillende NASA-ruimtevaartuigen, waaronder enkele gebouwd en beheerd door NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, verzamelen momenteel wereldwijde waarnemingen die worden gebruikt om verschillende vormen van koolstof te volgen die wetenschappers gebruiken in het brede veld dat koolstofcycluswetenschap wordt genoemd, waaronder broeikasgassen zoals koolstofdioxide en methaan.

NASA's nieuwste koolstofobservatiemissie in een baan om de aarde, gelanceerd in 2014, is het door JPL gebouwde Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2), die ongekend maakt, nauwkeurige globale metingen van het kooldioxidegehalte in de atmosfeer en het verstrekken van unieke informatie over de natuurlijke processen die de koolstofuitwisseling tussen land en lucht en tussen de atmosfeer en de oceaan regelen. OCO-2-gegevens hebben wetenschappers in staat gesteld om in detail te bestuderen hoe verschuivingen in regenval de hoeveelheid koolstof die wordt opgeslagen of vrijkomt door vegetatie veranderen en hoe veranderingen in de oceaantemperatuur het vermogen van oceaanwater om koolstofdioxide te absorberen beïnvloeden.

NASA ondersteunt een verscheidenheid aan koolstofgerelateerde onderzoeksprogramma's voor in totaal ongeveer $ 100 miljoen per jaar die zich verdiepen in de fysieke en biologische processen die de manier bepalen waarop de veranderende omgeving van onze planeet het leven op aarde beïnvloedt - en wordt beïnvloed door - het leven op aarde.

NASA-gefinancierd onderzoek in terrestrische ecologie, bijvoorbeeld, bestudeert hoe veranderingen in de structuur en functie van ecosystemen de regionale en mondiale koolstofcycli beïnvloeden. NASA financiert een meerjarige veldcampagne in Alaska en het noordwesten van Canada, ABoVE (het Arctic-Boreal Vulnerability Experiment) genaamd, die onderzoekt hoe veranderingen in Arctische permafrost en ecosystemen in een opwarmend klimaat leiden tot veranderingen in de koolstofbalans tussen de atmosfeer en grond. Verschillende JPL-wetenschappers maken deel uit van het ABoVE-team.

Onderzoeksinspanningen op het gebied van oceaanbiologie en biogeochemie richten zich op het begrijpen en voorspellen van de biologische, ecologische en biogeochemische veranderingen in de bovenste oceaan. Omdat oceaanecosystemen een belangrijke rol spelen in de koolstofcyclus van de aarde, het is essentieel om de mechanismen van koolstofstroom en hun interactie met lokale ecosystemen beter te begrijpen en te kwantificeren.

deze augustus, NASA begint aan een oceanografische expeditie naar de noordoostelijke Stille Oceaan genaamd EXPORTS (de Export Processes in the Ocean from Remote Sensing-studie) die wetenschappers zal helpen bij het ontwikkelen van het vermogen om beter te voorspellen hoe koolstof in de oceaan beweegt, die zouden kunnen veranderen als het klimaat op aarde verandert. De National Science Foundation is mede-sponsor van de expeditie.

Net zoals fundamenteel onderzoek naar de koolstofcyclus van de aarde een robuuste activiteit blijft bij NASA, dat geldt ook voor de ontwikkeling van nieuwe ruimtegebaseerde instrumenten voor koolstofmonitoring. Een aantal nadert nu de lancering en is in ontwikkeling.

De door JPL beheerde ECOSTRESS (het ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station), gepland om deze zomer te lanceren naar het internationale ruimtestation, zal voor het eerst metingen doen van plantwatergebruik en vegetatiestress op het land. Deze gegevens zullen naar verwachting belangrijke inzichten opleveren in hoe planten de wereldwijde koolstofcyclus van de aarde verbinden met de watercyclus.

Later dit jaar zal ECOSTRESS op het ruimtestation worden vergezeld door GEDI, het Global Ecosystem Dynamics-onderzoek. GEDI zal een laser in de ruimte gebruiken om de hoogte van het bladerdak in beboste gebieden van de wereld nauwkeurig te meten om te helpen inschatten hoeveel koolstof in bossen is opgesloten en hoe die hoeveelheid in de loop van de tijd verandert.

Begin 2019, Het OCO-3-instrument van JPL zal naar het ruimtestation worden gelanceerd om de OCO-2-waarnemingen aan te vullen en wetenschappers in staat te stellen de dagelijkse cyclus van koolstofdioxide-uitwisselingsprocessen over een groot deel van de aarde te onderzoeken.

En nog in de vroege stadia van ontwikkeling is de missie van de Geostationary Carbon Cycle Observatory (GeoCarb), gepland om in het begin van de jaren 2020 te lanceren. GeoCarb, waaronder JPL-deelname, zal pionieren in de kwantificering en monitoring van de koolstofvoorraden van Noord, Midden- en Zuid-Amerika vanuit een geostationaire baan. Het NASA-instrument, te lanceren op een commerciële communicatiesatelliet, zal 10 miljoen waarnemingen per dag van kooldioxide verzamelen, methaan en koolmonoxide.

NASA's volledige pers over koolstofcycluswetenschap en de ontwikkeling van nieuwe koolstofmonitoringtools zullen naar verwachting de komende jaren een topprioriteit blijven.