Op aarde, we kijken vaak naar de lucht en verlangen ernaar te weten wat zich in de rest van het universum bevindt. In de tussentijd, 250 mijl boven onze planeet, het internationale ruimtestation kijkt terug.

Boven ons, meerdere aardobservatie-instrumenten zijn gemonteerd aan de buitenkant van verschillende modules van het station, inclusief een ledemaat vol camera's, dozen, en gereedschappen die aan de rand van de Japanse Experiment Module (JEM) van het station hangen. Aardobservatie CubeSats worden regelmatig ingezet vanuit de luchtsluis van het station. Astronauten maken foto's van de planeet vanuit de ramen van het ronddraaiende laboratorium. Deze buitenpost voert zelfs aardwetenschappelijke experimenten uit. Al dit werk geeft inzicht in het klimaat van ons huis en hoe we ons kunnen voorbereiden op komende veranderingen.

"Als je niet goed begrijpt hoe dingen kunnen veranderen, je bent in een zeer slechte positie om het aan te kunnen als ze dat doen, " zegt William Stefanov, manager van het Exploration Science Office in het Johnson Space Center van NASA in Houston.

Het weer weerspiegelt de omstandigheden van de atmosfeer gedurende een korte periode, en het klimaat is hoe de atmosfeer zich gedurende tientallen jaren 'draagt', honderden jaren, of zelfs geologische tijdspannes, zegt Stefanov.

Dat betekent dat de factoren die ons klimaat beïnvloeden over lange perioden moeten worden gevolgd. Zijn meer dan 20 jaar in een baan om de aarde maakt het ruimtestation een geweldige plek om deze langetermijngegevens te verzamelen. De gecombineerde informatie creëert een unieke dataset die ons helpt klimaatbeslissingen te nemen en mogelijk oplossingen voor milieuproblemen te ontwikkelen.

Ogen op aarde

Het ruimtestation biedt een uniek planetair perspectief met een baanbaan die meer dan 90 procent van de aardse bevolking passeert. Dankzij de hellingshoek van ongeveer 52 graden kunnen astronauten en aardobserverende ladingen de zon 16 keer per dag over de hele wereld zien opkomen en ondergaan.

"Die baan stelt het ruimtestation in staat om op verschillende tijdstippen van de dag of nacht over verschillende plekken van de aarde te gaan en gegevens te verzamelen. Het is een fundamenteel andere dataset dan de meeste andere remote sensing-instrumenten die worden verzameld op vrij vliegende satellieten, ' zegt Stefanov.

Gemonteerd aan de buitenkant van het ronddraaiende laboratorium, internationale ladingen zoals ECOSTRESS, GEDI, OCO-3, DESIS, TSIS (ook bekend als TSIS-1), en HISUI verzamelen individueel klimaatgerelateerde gegevens. In combinatie, ze bieden een unieke reeks metingen die de voorhoede van milieuonderzoek zouden kunnen pushen.

"Het OCO-3-team wil planten en hun rol in de koolstofcyclus begrijpen, ", zegt OCO-3-projectwetenschapper Annmarie Eldering van NASA's Jet Propulsion Lab in Zuid-Californië. "Het blijkt dat onze ruimtestationbuur ECOSTRESS onderzoekt hoe planten reageren op stress. En dan is er GEDI, dat is kijken naar hoeveel plantmateriaal er op de grond is. Wetenschappers die nadenken over planten en hun rol in de koolstofcyclus zijn super enthousiast. We hebben veel discussie gehoord over hoe we alle gegevens samen kunnen gebruiken om planten beter te begrijpen."

De OCO-3-sensor gebruikt zonlichtreflecties door de atmosfeer om variaties in atmosferische kooldioxide te meten, het waarnemen van veranderingen van minder dan een enkel deel per miljoen.

"De meeste gassen zoals ozon, koolmonoxide, of waterdamp dubbel of driedubbel in atmosferische concentratie wanneer ze vervuild zijn, dus het is vrij eenvoudig te detecteren. Maar voor kooldioxide, het is bijzonder moeilijk om de veranderingen te zien, ', zegt Eldering.

Het meten van die kleine veranderingen zou de sleutel kunnen zijn tot het beantwoorden van al lang bestaande vragen over koolstofdioxide in de atmosfeer.

"Gelukkig voor ons, de planten en de oceaan absorberen elk jaar ongeveer de helft van de door de mens gegenereerde kooldioxide-emissies. Maar er zijn nog steeds mysteries over hoe ze dat doen, waarom het bedrag elk jaar anders is, en hoe absorptie in de toekomst zal gebeuren, ", zegt Eldering. "Onze gegevens zijn bedoeld om dat soort vragen te helpen beantwoorden."

Koolstofopslag en -verwijdering is ook onderzocht, zowel binnen als buiten het station. Photobioreactor onderzocht of microalgen konden helpen de koolstofkringloop in levensondersteunende systemen te sluiten, en Kuwait's Experiment:E. coli C5 bestudeerde het effect van microzwaartekracht op E. coli-bacteriën die werden aangepast om koolstofdioxide als voedselbron te consumeren. Afbeeldingen gemaakt door HICO van het voormalige ruimtestation HICO hielpen zelfs bij het ontwikkelen van een algoritme om schadelijke algenbloei te detecteren. Algen spelen een belangrijke rol in de wereldwijde koolstofcyclus, en bloemen zijn verantwoordelijk voor een groot deel van de koolstofopname van de oceaan.

Met andere apparaten zoals SAGE-III die ozon volgen, ISS-LIS en ASIM bewaken bliksem, en TSIS die de totale energie volgt die vanaf de zon naar de aarde stroomt, stationsexperimenten brengen tal van klimaatrecords en -modellen voort.

"Klimaatverandering vormt misschien wel de grootste milieu-uitdaging van de mensheid, ", zegt voormalig TSIS-hoofdonderzoeker en professor aan de Universiteit van Colorado Boulder Peter Pilewskie. "Het bewaken van de energie die naar binnen stroomt, binnenin, en uit het systeem ondersteunt ons vermogen om te begrijpen hoe het klimaatsysteem werkt, erkennen dat het aan het veranderen is, en identificeer die mechanismen die verantwoordelijk zijn voor klimaatverandering."

Station biedt een gestandaardiseerde, geschikt platform voor aardobservatie-experimenten zoals TSIS. Zo groot als een voetbalveld en voorzien van talrijke bevestigingspunten, veel datacapaciteit, en een grote stroomvoorziening (gepland om nog groter te worden met de aanstaande installatie van de iROSA-zonnepanelen, het ruimtestation kan tegelijkertijd een grote verscheidenheid aan instrumenten bevatten.

De beschikbaarheid van deze middelen maakte het station een geweldige last-minute optie voor het TSIS-team om hun lading snel in een baan om de aarde te krijgen. Na enige vertraging, het team werd geconfronteerd met mogelijk falen van eerdere tracking-instrumenten voordat TSIS kon worden gelanceerd.

"Het begon behoorlijk nijpend te worden, omdat de nauwkeurigheid van het klimaatrecord op het hoogst mogelijke niveau wordt gehouden wanneer het gegevensrecord continu is, " zegt Pilewskie. "Vanwege het ruimtestation, we waren in staat om dit record voort te zetten."

Nadat onderzoekers de basis hebben geleerd van het maken van een nuttige lading voor het ruimtestation, zij kunnen die kennis toepassen op toekomstige stationsprojecten. Pilewskie werkt al aan zijn volgende experiment, CLARREO Pathfinder, gepland voor de lancering in de komende jaren.

"De waarde die we hebben gekregen door een instrument op het station te bedienen dat heel precies moest wijzen, kan niet worden onderschat, "zegt Pilewskie. "We moeten hetzelfde doen met CLARREO Pathfinder, dus we gebruiken een aantal van dezelfde motoren die we gebruiken om de TSIS-instrumenten aan te drijven."

CLARREO is van plan het klimaat op aarde te bestuderen door metingen te doen van zonlicht dat wordt gereflecteerd door de aarde en de maan met een vijf tot tien keer lagere onzekerheid dan metingen van bestaande sensoren.

Het menselijke element

Het zijn niet alleen sensoren die onze planeet van bovenaf in de gaten houden. Mensen doen dat ook.

De ramen van het ruimtestation bieden de mogelijkheid voor astronautenfotografie en het handmatig verzamelen van klimaatgegevens. Astronauten hebben meer dan 4 miljoen foto's van de aarde gemaakt vanuit de ruimte (meer dan 3,5 miljoen vanuit het ruimtestation), bijdragen aan een van de langstlopende records van hoe de aarde in de loop van de tijd is veranderd. Crew Earth Observations ondersteunt momenteel een aantal studies over stedelijke nachtverlichting, gletsjer- en vulkaanmonitoring, en studies van atmosferische processen die worden beïnvloed door krachtige vulkaanuitbarstingen. De beelden worden ook gebruikt bij ecologisch onderzoek, waaronder een samenwerkingsproject genaamd AMASS, waarmee vogeltrekroutes en de effecten van veranderingen langs die routes werden gevolgd.

Deze afbeeldingen ondersteunen ook de hulpverlening bij rampen voor gebeurtenissen zoals orkanen en bosbranden. Na ontvangst van de melding heeft zich een natuurramp voorgedaan, wetenschappers op de grond bepalen of de bemanning dat gebied kan zien terwijl ze boven hun hoofd cirkelen. Als, de bemanning legt beelden vast en stuurt ze terug naar de aarde. De foto's worden vervolgens gegeorefereerd voor gebruik door gevarenteams op de grond. Astronautenbeelden zijn nuttig geweest voor natuurbranden, bijvoorbeeld, om hulpverleners te laten zien waar de rookpluim naartoe gaat.

Buiten het station inzetten

Station breidt zijn klimaatwetenschappelijke impact uit door CubeSats in een lage baan om de aarde in te zetten. Deze apparaten ter grootte van een schoenendoos, die technologiedemonstraties bevatten of nieuwe soorten klimaatwetenschap testen, lancering naar station samen met duizenden ponden ander onderzoek en vrachtvoorraden. Astronauten lossen en bereiden ze voor op het station en zetten ze vervolgens uit de luchtsluis van het station.

"Veel van onze kleinere satellieten, KubusSats, krijgen ritten vanwege het ruimtestation. Dat was een geweldige bron voor kleine programma's, vooral universiteiten of NASA-centra die kleine projecten op gang proberen te krijgen. CubeSats is misschien hun eerste opstap naar grotere dingen, "zegt Tom Woods, hoofdonderzoeker van TSIS en NanoRacks-MinXSS. "Het ruimtestation biedt veel mogelijkheden om deze kleinere dingen de ruimte in te krijgen."

Meer dan 250 CubeSats zijn vrijgegeven van station, inclusief veel klimaatgerichte payloads. Bijvoorbeeld:

• De door studenten ontworpen NanoRacks-MinXSS CubeSat was gericht op een beter begrip van zonne-röntgenenergie en hoe deze de lagen van de bovenste atmosfeer van de aarde beïnvloedt.
• De DIWATA-1-satelliet levert remote sensing-informatie aan de Filippijnen door meteorologische rampen zoals tyfoons en lokale zware regenval waar te nemen.
• De HARP CubeSat helpt ons beter te begrijpen hoe wolken en aerosolen het weer beïnvloeden, klimaat, en luchtkwaliteit.

Naarmate het klimaat op aarde verandert, het internationale ruimtestation zal van bovenaf toekijken, helpen unieke inzichten te bieden die nodig zijn om onze planeet veilig te houden.