Una nuova missione di scienze della Terra della NASA nelle prime fasi di progettazione può ottenere un progresso trasformativo nella nostra comprensione del ciclo globale del carbonio mappando le concentrazioni di gas di carbonio chiave da un nuovo punto di vista:l'orbita geostazionaria. I satelliti in orbita geostazionaria viaggiano alla stessa velocità della rotazione terrestre, permettendo loro di rimanere sempre nello stesso posto sulla superficie terrestre.

L'Osservatorio geostazionario del carbonio (GeoCarb), previsto per il lancio nei primi anni 2020, si baserà sul successo della missione Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) della NASA posizionando uno strumento simile su un satellite commerciale per comunicazioni SES-Government Solutions che vola in orbita geostazionaria. La sua longitudine consentirà osservazioni "da parete a parete" sulle Americhe tra 55 gradi di latitudine nord e sud, dalla punta meridionale della Baia di Hudson alla punta meridionale del Sud America. arroccato 22, 236 miglia (35, 800 chilometri) sopra le Americhe, GeoCarb raccoglierà 10 milioni di osservazioni giornaliere delle concentrazioni di anidride carbonica, metano, monossido di carbonio e fluorescenza indotta dal sole (SIF) con una risoluzione spaziale di circa 3-6 miglia (da 5 a 10 chilometri).

L'abbondanza e la distribuzione dei gas carboniosi nell'atmosfera sono determinate sia dallo scambio di carbonio tra le aree terrestri della Terra, oceani e l'atmosfera, e il loro trasporto dai venti prevalenti. Questi scambi si comprendono meglio facendo frequenti, osservazioni densamente distanziate. Mentre i satelliti sono in sincronia solare, le orbite polari della Terra bassa come OCO-2 forniscono una copertura globale, hanno lunghi tempi di rivisitazione, grandi lacune nella copertura, e guardare il paesaggio sempre alla stessa ora del giorno. Poiché il tempo influenza gli ecosistemi su scale temporali da giorni a settimane, i satelliti in orbita polare possono perdere questi cambiamenti e il modo in cui si interconnettono con le attività degli organismi viventi, informazioni cruciali per lo sviluppo di modelli migliori dei processi del sistema Terra.

"GeoCarb integrerà le misurazioni di OCO-2 e di altri satelliti in orbita bassa della Terra colmando le lacune di dati sia nel tempo che nello spazio, ", ha affermato il ricercatore principale Berrien Moore dell'Università dell'Oklahoma a Norman. "Sarà più una missione di mappatura regionale che una missione di campionamento globale".

Moore ha detto che proprio come i satelliti meteorologici geostazionari possono sedersi e fissare le tempeste e mapparle, GeoCarb ci permetterà di vedere come i diversi modelli meteorologici influenzano le concentrazioni di anidride carbonica e metano. "Questo è il potere che porta un'orbita geostazionaria, " ha detto. "I dati di OCO-2 hanno già dimostrato che modelli meteorologici su larga scala come El Niño e La Niña influenzano il modello su larga scala delle concentrazioni di anidride carbonica atmosferica, e questo è estremamente importante".

GeoCarb affronterà una serie di domande senza risposta nella scienza del ciclo del carbonio, con un focus sulle Americhe. Per esempio, fino a che punto il bacino amazzonico rimuove l'anidride carbonica dall'atmosfera e la immagazzina nelle foreste, e le stime delle emissioni di metano negli Stati Uniti continentali sono sottostimate?

GeoCarb sarà anche il primo satellite degli Stati Uniti a misurare il metano vicino alla superficie terrestre, informazioni che saranno utili per il settore energetico. La perdita di metano dalla produzione di gas naturale costa all'industria statunitense da 5 a 10 miliardi di dollari all'anno.

Come OCO-2, banda spettrale dell'ossigeno di GeoCarb, che è necessario per convertire le abbondanze di gas di carbonio in concentrazioni, misurerà anche SIF. Questo debole bagliore, emessa dalle molecole di clorofilla nelle foglie delle piante, è un indicatore che sta avvenendo la fotosintesi, il processo mediante il quale le piante convertono la luce solare in energia chimica e catturano il carbonio dall'atmosfera. GeoCarb farà ogni giorno, vicino a misurazioni da parete a parete di SIF in tutte le condizioni atmosferiche, consentendo agli scienziati e ad altri di monitorare gli effetti della siccità sulla fotosintesi nelle foreste, coltivazioni e praterie.

GeoCarb si erge sulle fondamenta di OCO-2, che è stato costruito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California. Come OCO-2, GeoCarb utilizza uno spettrometro a reticolo, ma aggiunge una quarta banda spettrale per misurare monossido di carbonio e metano. Utilizzerà la stessa tecnologia di rilevamento, algoritmi e tecniche di calibrazione come OCO-2.

"Non saremmo mai in grado di fare GeoCarb senza OCO-2, " ha detto Moore. "Nel progettare il nostro strumento abbiamo detto, facciamo OCO, ma in orbita geostazionaria. Stiamo sviluppando il lavoro di JPL nella progettazione e costruzione di OCO-2 e nell'elaborazione dei suoi dati. Infatti, molti membri del nostro team scientifico stanno anche lavorando alla missione OCO-2".

Lo strumento GeoCarb visualizza la luce riflessa dalla Terra attraverso una stretta fessura. Quando la fenditura viene proiettata sulla superficie terrestre, vede un'area che misura circa 1, 740 miglia (2, 800 chilometri) da nord a sud e circa 3,7 miglia (6 chilometri) da est a ovest. In confronto, L'andana di OCO-2 è larga circa 6,2 miglia (10 chilometri). GeoCarb fissa quell'area per circa 4-1/2 secondi, quindi la fessura viene spostata di metà larghezza della fessura:1,9 miglia, o 3 chilometri, a ovest, consentendo il doppio campionamento. Con questa tecnica, GeoCarb può scansionare gli interi Stati Uniti continentali in circa 2-1/4 ore, e dal Brasile alla costa occidentale del Sud America in circa 2-3/4 ore. Non è progettato per osservare gli oceani, poiché la riflettività sugli oceani è troppo bassa per fornire dati utili.

Lo slot orbitale esatto di GeoCarb sarà assegnato da SES-Government Solutions. Uno slot più a ovest favorirà le osservazioni degli Stati Uniti sul Sud America, e viceversa per uno slot più a est. Nel futuro, Moore afferma che da due a tre strumenti simili a GeoCarb posti in orbita geostazionaria a diverse longitudini potrebbero fornire una copertura quasi globale del paesaggio terrestre al di fuori dei poli.

Moore dice GeoCarb e TEMPO, un'altra missione NASA di chimica atmosferica/qualità dell'aria attualmente in fase di sviluppo, stanno servendo come esploratori per geostazionari, missioni di osservazione della Terra della NASA commercialmente ospitate. "Se riusciamo a risolvere le questioni legali e pratiche quotidiane, Vedo che queste missioni cambiano il volto della scienza della Terra dallo spazio. Non devi pagare per un veicolo spaziale o un lanciatore separato. Stai essenzialmente acquistando uno spazio condominiale su un'astronave e pagando per il downlink dei dati. Il futuro qui è molto eccitante".