Il 31 gennaio La NASA ha concluso la carriera di quasi 14 anni di scoperte dello spettrometro ad emissione troposferica (TES). Lanciato nel 2004 sulla navicella spaziale Aura della NASA, TES è stato il primo strumento progettato per monitorare l'ozono negli strati più bassi dell'atmosfera direttamente dallo spazio. Le sue osservazioni ad alta risoluzione hanno portato a nuove misurazioni dei gas atmosferici che hanno alterato la nostra comprensione del sistema Terra.

TES era stato pianificato per una missione di cinque anni, ma è sopravvissuto di gran lunga a quel termine. Un braccio meccanico sullo strumento ha iniziato a bloccarsi a intermittenza nel 2010, che influiscono sulla capacità di TES di raccogliere dati in modo continuo. Il team operativo di TES si è adattato utilizzando lo strumento per massimizzare le operazioni scientifiche nel tempo, cercando di estendere il set di dati il ​​più a lungo possibile. Però, lo stallo è aumentato al punto che TES ha perso le operazioni circa la metà dello scorso anno. Le lacune nei dati hanno ostacolato l'uso dei dati TES per la ricerca, che porta alla decisione della NASA di disattivare lo strumento. Rimarrà sul satellite Aura, ricevendo energia sufficiente per evitare che si raffreddi così tanto da rompersi e danneggiare i due restanti strumenti funzionanti.

"Il fatto che lo strumento sia durato tanto a lungo è una testimonianza della tenacia dei team di strumenti responsabili della progettazione, costruzione e funzionamento dello strumento, ", ha affermato Kevin Bowman del Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, il ricercatore principale di TES.

Un vero ecoscandaglio del sistema di terra

TES è stato originariamente concepito per misurare l'ozono nella troposfera, lo strato di atmosfera tra la superficie e l'altitudine dove volano i jet intercontinentali, utilizzando osservazioni ad alta risoluzione spettrale della radiazione termica infrarossa. Però, TES ha lanciato una rete più ampia, catturando le firme di un'ampia gamma di altri gas atmosferici oltre all'ozono. Tale flessibilità ha consentito allo strumento di contribuire a un'ampia gamma di studi, non solo sulla chimica atmosferica e sugli impatti dei cambiamenti climatici, ma studi sui cicli dell'acqua, azoto e carbonio.

Una delle sorprese della missione è stata la misurazione dell'acqua pesante:molecole d'acqua composte da deuterio, un isotopo dell'idrogeno che ha più neutroni dell'idrogeno normale. Il rapporto tra deuterio e acqua "normale" nel vapore acqueo fornisce indizi sulla storia del vapore - come è evaporato ed è caduto come precipitazione in passato - che a sua volta aiuta gli scienziati a discernere cosa controlla la quantità nell'atmosfera.

I dati sull'acqua pesante hanno portato a progressi fondamentali nella nostra comprensione del ciclo dell'acqua che prima non erano possibili, come il modo in cui i temporali tropicali mantengono idratata la troposfera, quanta acqua nell'atmosfera viene evaporata dalle piante e dal suolo rispetto all'acqua di superficie, e come l'acqua "espirata" dalla vegetazione dell'Amazzonia meridionale abbia dato il via alla stagione delle piogge della foresta pluviale. Lo scienziato del JPL John Worden, il pioniere di questa misurazione, disse, "È diventata una delle applicazioni più importanti di TES. Ci offre una finestra unica sul ciclo idrologico della Terra".

Sebbene il ciclo dell'azoto non sia ben misurato o compreso come il ciclo dell'acqua, l'azoto costituisce il 78% dell'atmosfera, e la sua conversione in altri composti chimici è essenziale per la vita. TES ha dimostrato la prima misurazione spaziale di un composto chiave dell'azoto, ammoniaca. Questo composto è un fertilizzante ampiamente utilizzato per l'agricoltura in forma solida, ma come un gas, reagisce con altri composti nell'atmosfera per formare inquinanti nocivi.

Un altro composto azotato, perossiacetil nitrato (PAN), possono essere trasportati nella troposfera dagli incendi e dalle emissioni umane. In gran parte invisibile nei dati raccolti a livello del suolo, questo inquinante può percorrere grandi distanze prima di tornare in superficie, dove può formare ozono. TES ha mostrato come il PAN variasse a livello globale, compreso il modo in cui gli incendi hanno influenzato la sua distribuzione. "TES ha davvero aperto la strada alla nostra comprensione globale di PAN e [ammoniaca], due specie chiave nel ciclo dell'azoto atmosferico, " ha detto Emily Fischer, un assistente professore nel dipartimento di scienze atmosferiche presso la Colorado State University, Fort Collins.

Le tre facce dell'ozono

Ozono, un gas di origine sia naturale che umana, è noto per le sue molteplici "personalità". Nella stratosfera l'ozono è benigno, proteggere la Terra dalle radiazioni ultraviolette in arrivo. Nella troposfera, ha due distinte funzioni dannose, a seconda dell'altitudine. A livello del suolo è un inquinante che danneggia le piante e gli animali viventi, compresi gli umani. Più in alto nella troposfera, è il terzo più importante gas serra prodotto dall'uomo, intrappolando la radiazione termica in uscita e riscaldando l'atmosfera.

dati TES, insieme ai dati di altri strumenti su Aura, servivano a districare queste personalità, portando a una comprensione significativamente migliore dell'ozono e del suo impatto sulla salute umana, clima e altre parti del sistema Terra.

Le correnti d'aria nella troposfera medio-alta trasportano l'ozono non solo attraverso i continenti, ma attraverso gli oceani verso altri continenti. Uno studio del 2015 che utilizzava le misurazioni TES ha rilevato che i livelli di ozono troposferico della costa occidentale degli Stati Uniti erano più alti del previsto, data la riduzione delle emissioni degli Stati Uniti, in parte a causa dell'ozono che soffiava attraverso l'Oceano Pacifico dalla Cina. La rapida crescita delle emissioni asiatiche di gas precursori, gas che interagiscono per creare ozono, compreso il monossido di carbonio e il biossido di azoto, ha cambiato il panorama globale dell'ozono.

"TES ha testimoniato i drammatici cambiamenti in cui vengono prodotti i gas che creano l'ozono. Le misurazioni notevolmente stabili di TES e la capacità di risolvere gli strati della troposfera ci hanno permesso di separare i cambiamenti naturali da quelli guidati dalle attività umane, ", ha affermato la scienziata del JPL Jessica Neu, un coautore dello studio.

I cambiamenti regionali nelle emissioni dei gas precursori dell'ozono alterano non solo la quantità di ozono nella troposfera, ma la sua efficienza come gas serra. Gli scienziati hanno utilizzato misurazioni TES dell'effetto serra dell'ozono, combinato con modelli meteorologici chimici, quantificare come i modelli globali di queste emissioni hanno alterato il clima. "Al fine di migliorare la qualità dell'aria e mitigare i cambiamenti climatici, dobbiamo capire come le emissioni di inquinanti umani influenzano il clima alla scala in cui le politiche sono messe in atto [vale a dire, alla scala di una città, stato o paese]. I dati TES hanno spianato la strada a come i satelliti potrebbero svolgere un ruolo centrale, " ha detto Daven Henze, professore associato nel dipartimento di ingegneria meccanica dell'Università del Colorado a Boulder.

Una missione esploratrice

"TES è stato un pioniere, raccogliendo tutta una nuova serie di misurazioni con nuove tecniche, che sono ora utilizzati da una nuova generazione di strumenti, " ha detto Bowman. I suoi strumenti successivi sono utilizzati sia per il monitoraggio atmosferico che per le previsioni meteorologiche. Tra questi ci sono lo strumento Cross-track Infrared Sounder (CrIS) della National Oceanic and Atmospheric Administration sul satellite NOAA-NASA Suomi-NPP e l'Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) serie, sviluppato dall'agenzia spaziale francese in collaborazione con EUMETSAT, l'organizzazione europea dei satelliti meteorologici.

Cathy Clerbaux, uno scienziato senior del Centre National de la Recherche Scientifique francese che è il principale scienziato della serie IASI, disse, "L'influenza di TES su missioni successive come la nostra è stata molto importante. TES ha dimostrato la possibilità di derivare la concentrazione dei gas atmosferici utilizzando l'interferometria per osservarne le proprietà molecolari. Sebbene esistessero strumenti simili per sondare l'atmosfera superiore, TES era speciale nel consentire misurazioni più vicine alla superficie, dove si trova l'inquinamento. I risultati scientifici ottenuti con IASI hanno beneficiato enormemente della stretta collaborazione che abbiamo sviluppato con gli scienziati di TES."

Gli scienziati di TES sono stati pionieri in un altro modo:combinando le misurazioni dello strumento con quelle di altri strumenti per produrre set di dati avanzati, rivelando più di entrambe le serie originali di osservazioni. Per esempio, combinando lo strumento di monitoraggio dell'ozono sulle misurazioni di Aura nelle lunghezze d'onda ultraviolette con le misurazioni nell'infrarosso termico di TES si ottiene un set di dati con una maggiore sensibilità agli inquinanti atmosferici vicino alla superficie.

Il team sta ora applicando questa capacità alle misurazioni di altre coppie di strumenti, ad esempio monossido di carbonio potenziato (CO) da CrIS con CO e altre misurazioni dal TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) sul satellite Precursor Copernicus Sentinel-5 dell'Agenzia spaziale europea. "L'applicazione degli algoritmi TES ai dati CrIS e TROPOMI continuerà il record di 18 anni di misurazioni uniche del monossido di carbonio vicino alla superficie dallo strumento di misurazione dell'inquinamento nella troposfera del satellite Terra della NASA, o MOPITT] nel prossimo decennio, " disse Helen Worden, uno scienziato presso il Centro nazionale per la ricerca atmosferica di Boulder, Colorado, che è sia il ricercatore principale di MOPITT che un membro del team scientifico di TES.

Queste nuove tecniche sviluppate per TES insieme ad ampie applicazioni in tutto il Sistema Terra assicurano che l'eredità della missione continuerà a lungo dopo l'ultimo addio di TES.