El carbono es un componente fundamental de la vida en nuestro planeta. Se almacena en depósitos en la Tierra, en rocas, plantas y suelo - en los océanos, y en la atmósfera. Y circula constantemente entre estos depósitos.

Comprender el ciclo del carbono es de vital importancia por muchas razones. Nos proporciona energía, almacenado como combustible fósil. Los gases de carbono en la atmósfera ayudan a regular la temperatura de la Tierra y son esenciales para el crecimiento de las plantas. El carbono que pasa de la atmósfera al océano apoya la fotosíntesis del fitoplancton marino y el desarrollo de los arrecifes. Estos procesos y muchos otros están entrelazados con el clima de la Tierra, pero la forma en que los procesos responden a la variabilidad y al cambio climático no está bien cuantificada.

Nuestro grupo de investigación en la Universidad de Oklahoma lidera la última misión Earth Venture de la NASA, el Observatorio Geoestacionario de Carbono, o GeoCarb. Esta misión colocará una carga útil avanzada en un satélite para estudiar la Tierra desde más de 22, 000 millas sobre el ecuador de la Tierra. Observar cambios en las concentraciones de tres gases de carbono clave:dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y monóxido de carbono (CO):día a día y año tras año nos ayudarán a dar un gran paso adelante en la comprensión de los cambios naturales y humanos en el ciclo del carbono.

GeoCarb es también una colaboración innovadora entre la NASA, una universidad pública, una empresa de desarrollo de tecnología comercial (Lockheed Martin Advanced Technology Center) y una empresa de lanzamiento y alojamiento de comunicaciones comerciales (SES). Nuestro enfoque de "carga útil alojada" colocará un observatorio científico en un satélite de comunicaciones comerciales, allanando el camino para futuros bajos costos, observaciones de la Tierra comercialmente habilitadas.

Observando el ciclo del carbono

La famosa "curva de Keeling, "que rastrea las concentraciones de CO2 en la atmósfera de la Tierra, se basa en mediciones diarias en el Observatorio Mauna Loa en Hawái. Muestra que los niveles globales de CO2 están aumentando con el tiempo, pero también cambian estacionalmente debido a procesos biológicos. El CO2 disminuye durante los meses de primavera y verano del hemisferio norte, a medida que las plantas crecen y extraen CO2 del aire. Vuelve a subir en otoño e invierno cuando las plantas están relativamente inactivas y los ecosistemas "exhalan" CO2.

Una mirada más cercana muestra que el ciclo de cada año es ligeramente diferente. En algunos años, la biosfera extrae más CO2 de la atmósfera; en otros, libera más a la atmósfera. Queremos saber más sobre las causas de las diferencias de un año a otro porque contiene pistas sobre cómo funciona el ciclo del carbono.

Por ejemplo, durante El Niño de 1997-1998, un fuerte aumento del CO2 se debió en gran parte a los incendios en Indonesia. El Niño más reciente en 2015-2016 también provocó un aumento en el CO2, pero la causa fue probablemente una mezcla compleja de efectos en los trópicos, incluida la fotosíntesis reducida en la Amazonía, liberación de CO2 en el suelo impulsada por la temperatura en África e incendios en Asia tropical.

Estos dos ejemplos de variabilidad de un año a otro en el ciclo del carbono, tanto a nivel mundial como regional, reflejar lo que ahora creemos, es decir, esa variabilidad está impulsada en gran medida por los ecosistemas terrestres. La capacidad de sondear la interacción clima-carbono requerirá una comprensión mucho más cuantitativa de las causas de esta variabilidad a nivel de proceso de varios ecosistemas.

¿Por qué estudiar las emisiones terrestres desde el espacio?

GeoCarb se lanzará a una órbita geoestacionaria a aproximadamente 85 grados de longitud oeste, donde rotará en tándem con la Tierra. Desde este mirador, las principales regiones urbanas e industriales de las Américas desde Saskatoon hasta Punta Arenas estarán a la vista, al igual que las grandes áreas agrícolas y los extensos bosques tropicales y humedales de América del Sur. Mediciones de dióxido de carbono, el metano y el monóxido de carbono una o dos veces al día en gran parte de las Américas terrestres ayudarán a resolver la variabilidad del flujo de CO2 y CH4.

GeoCarb también medirá la fluorescencia solar inducida (SIF):plantas que emiten luz que no pueden usar de regreso al espacio. Este "destello" de la biosfera está fuertemente ligado a la tasa de fotosíntesis, y así proporciona una medida de la cantidad de CO2 que absorben las plantas.

La NASA fue pionera en la tecnología que GeoCarb llevará a cabo en una misión anterior, el Observatorio Orbital de Carbono 2 (OCO-2). OCO-2 se lanzó a una órbita terrestre baja en 2014 y ha estado midiendo el CO2 desde el espacio desde entonces. pasando de polo a polo varias veces al día a medida que la Tierra gira debajo de él.

Aunque los instrumentos son similares, la diferencia de órbita es crucial. OCO-2 muestrea una pista estrecha de 10 km en gran parte del mundo en un ciclo de repetición de 16 días, mientras que GeoCarb observará el hemisferio occidental terrestre continuamente desde una posición fija, escaneando la mayor parte de esta masa terrestre al menos una vez al día.

Donde OCO-2 puede perder la observación del Amazonas durante una temporada debido a la nubosidad regular, GeoCarb apuntará a las regiones libres de nubes todos los días con patrones de escaneo flexibles. Las revisiones diarias mostrarán el cambio de la biosfera casi en tiempo real junto con los satélites meteorológicos como el GOES 16, que se encuentra a 105 grados oeste, ayudando a conectar los puntos entre los componentes del sistema de la Tierra.

Matices del ciclo del carbono

Muchos procesos afectan los niveles de CO2 en la atmósfera, incluido el crecimiento y la descomposición de las plantas, la quema de combustibles fósiles y los cambios en el uso de la tierra, como la tala de bosques para la agricultura o el desarrollo. Atribuir los cambios de CO2 atmosférico a diferentes procesos es difícil utilizando solo las mediciones de CO2, porque la atmósfera mezcla CO2 de todas las diferentes fuentes juntas.

Como se mencionó anteriormente, además de CO2 y CH4, GeoCarb medirá el CO. La quema de combustibles fósiles libera tanto CO como CO2. Esto significa que cuando vemos altas concentraciones de ambos gases juntos, tenemos evidencia de que están siendo liberados por actividades humanas.

Hacer esta distinción es clave para que no asumamos que las emisiones de CO2 inducidas por el hombre provienen de una disminución en la actividad de las plantas o una liberación natural de CO2 del suelo. Si podemos distinguir entre emisiones naturales y provocadas por el hombre, podemos sacar conclusiones más sólidas sobre el ciclo del carbono. Saber qué fracción de estos cambios es causada por las actividades humanas es importante para comprender nuestro impacto en el planeta. y observarlo y medirlo es fundamental para cualquier conversación sobre estrategias para reducir las emisiones de CO2.

La medición de metano de GeoCarb será un elemento crucial para comprender el sistema global de carbono y clima. El metano es producido por sistemas naturales, como los humedales, y por actividades humanas como la producción de gas natural. No entendemos la porción de metano del ciclo del carbono tan bien como el CO2. Pero al igual que con el CO2, Las observaciones de metano nos dicen mucho sobre el funcionamiento de los sistemas naturales. Los pantanos liberan metano como parte de la descomposición natural del sistema. La tasa de liberación depende de qué tan húmedo / seco y cálido / frío esté el sistema.

No se sabe cuánto contribuye la producción de gas natural a las emisiones de metano. Una razón para cuantificar estas emisiones con mayor precisión es que representan una pérdida de ingresos para los productores de energía. La Agencia de Protección Ambiental estima una tasa de fuga en EE. UU. De alrededor del 2 por ciento, lo que podría sumar miles de millones de dólares al año.

Con base en las simulaciones, esperamos que GeoCarb produzca mapas que resalten las fugas más grandes con solo unos pocos días de observaciones. Encontrar fugas reducirá los costos para los productores de energía y reducirá la huella de carbono del gas natural. En la actualidad, Las empresas de energía encuentran fugas enviando personal con equipo de detección a los sitios sospechosos de fugas. Los sensores aerotransportados más nuevos podrían abaratar el proceso, pero todavía se despliegan de forma limitada y de manera ad hoc. Las observaciones periódicas de GeoCarb proporcionarán información sobre fugas a los productores de manera oportuna para ayudarlos a limitar sus pérdidas.

Mirando al planeta respirar

Con escaneos diarios de masas de tierra en el hemisferio occidental, GeoCarb proporcionará una cantidad sin precedentes de mediciones de CO2 de alta calidad, CH4 y CO en la atmósfera. Estas observaciones, junto con mediciones directas de la actividad fotosintética a partir de observaciones de SIF, elevará nuestra comprensión del ciclo del carbono a un nuevo nivel.

Por primera vez, podremos ver cómo el hemisferio occidental inhala y exhala todos los días, y ver cambiar las estaciones a través de los ojos de la biosfera. Equipado con estas observaciones, comenzaremos a desenredar las contribuciones naturales y humanas al balance de carbono. Estos conocimientos ayudarán a los científicos a realizar predicciones sólidas sobre el futuro de la Tierra.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.