Il carbonio è un elemento costitutivo della vita sul nostro pianeta. È immagazzinato in serbatoi sulla Terra - nelle rocce, piante e suolo – negli oceani, e nell'atmosfera. E scorre costantemente tra questi serbatoi.

Comprendere il ciclo del carbonio è di fondamentale importanza per molte ragioni. Ci fornisce energia, immagazzinato come combustibile fossile. I gas di carbonio nell'atmosfera aiutano a regolare la temperatura della Terra e sono essenziali per la crescita delle piante. Il carbonio che passa dall'atmosfera all'oceano supporta la fotosintesi del fitoplancton marino e lo sviluppo delle barriere coralline. Questi processi e una miriade di altri sono tutti intrecciati con il clima terrestre, ma il modo in cui i processi rispondono alla variabilità e al cambiamento climatico non è ben quantificato.

Il nostro gruppo di ricerca presso l'Università dell'Oklahoma sta guidando l'ultima missione Earth Venture della NASA, l'Osservatorio geostazionario del carbonio, o GeoCarb. Questa missione posizionerà un carico utile avanzato su un satellite per studiare la Terra da più di 22, 000 miglia sopra l'equatore terrestre. Osservando i cambiamenti nelle concentrazioni di tre gas di carbonio chiave:anidride carbonica (CO2), metano (CH4) e monossido di carbonio (CO) – di giorno in giorno e di anno in anno ci aiuteranno a fare un grande balzo in avanti nella comprensione dei cambiamenti naturali e umani nel ciclo del carbonio.

GeoCarb è anche una collaborazione innovativa tra NASA, un'università pubblica, una società di sviluppo tecnologico commerciale (Lockheed Martin Advanced Technology Center) e una società di lancio e hosting di comunicazioni commerciali (SES). Il nostro approccio "hosted payload" collocherà un osservatorio scientifico su un satellite per comunicazioni commerciali, aprendo la strada al futuro low cost, osservazioni della Terra commercialmente abilitate.

Osservare il ciclo del carbonio

La famosa "curva di Keeling, " che tiene traccia delle concentrazioni di CO2 nell'atmosfera terrestre, si basa su misurazioni giornaliere presso l'Osservatorio di Mauna Loa alle Hawaii. Mostra che i livelli globali di CO2 stanno aumentando nel tempo, ma cambiano anche stagionalmente a causa di processi biologici. La CO2 diminuisce durante i mesi primaverili ed estivi dell'emisfero settentrionale, man mano che le piante crescono ed estraggono CO2 dall'aria. Risale in autunno e in inverno quando le piante diventano relativamente dormienti e gli ecosistemi "espirano" CO2.

Uno sguardo più attento mostra che il ciclo di ogni anno è leggermente diverso. In alcuni anni la biosfera sottrae più CO2 all'atmosfera; in altri rilascia di più nell'atmosfera. Vogliamo saperne di più su cosa causa le differenze da un anno all'altro perché contiene indizi su come funziona il ciclo del carbonio.

Per esempio, durante El Niño del 1997-1998, un forte aumento della CO2 è stato in gran parte causato dagli incendi in Indonesia. L'ultimo El Niño nel 2015-2016 ha portato anche a un aumento di CO2, ma la causa era probabilmente una complessa miscela di effetti attraverso i tropici, inclusa la riduzione della fotosintesi in Amazzonia, rilascio di CO2 nel suolo dovuto alla temperatura in Africa e incendi in Asia tropicale.

Questi due esempi di variabilità da un anno all'altro nel ciclo del carbonio, sia a livello globale che regionale, riflettono ciò in cui ora crediamo, vale a dire, tale variabilità è in gran parte determinata dagli ecosistemi terrestri. La capacità di sondare l'interazione clima-carbonio richiederà una comprensione molto più quantitativa delle cause di questa variabilità a livello di processo dei vari ecosistemi.

Perché studiare le emissioni terrestri dallo spazio?

GeoCarb sarà lanciato in orbita geostazionaria a circa 85 gradi di longitudine ovest, dove ruoterà in tandem con la Terra. Da questo punto di vista, saranno in vista le principali regioni urbane e industriali delle Americhe da Saskatoon a Punta Arenas, così come le vaste aree agricole e le vaste foreste tropicali e zone umide sudamericane. Misure di anidride carbonica, metano e monossido di carbonio una o due volte al giorno su gran parte delle Americhe terrestri contribuiranno a risolvere la variabilità del flusso di CO2 e CH4.

GeoCarb misurerà anche la fluorescenza indotta dal sole (SIF), ovvero le piante che emettono luce che non possono riutilizzare nello spazio. Questo "lampeggio" della biosfera è fortemente legato alla velocità della fotosintesi, e quindi fornisce una misura di quanta CO2 assorbono le piante.

La NASA ha aperto la strada alla tecnologia che GeoCarb porterà in una missione precedente, l'Osservatorio orbitante del carbonio 2 (OCO-2). OCO-2 è stato lanciato in un'orbita terrestre bassa nel 2014 e da allora ha misurato la CO2 dallo spazio, passando da un polo all'altro più volte al giorno mentre la Terra gira sotto di essa.

Sebbene gli strumenti siano simili, la differenza di orbita è cruciale. OCO-2 campiona una stretta pista di 10 km su gran parte del globo con un ciclo di ripetizione di 16 giorni, mentre GeoCarb guarderà l'emisfero occidentale terrestre continuamente da una posizione fissa, scansionando la maggior parte di questa massa di terra almeno una volta al giorno.

Dove OCO-2 potrebbe perdere l'osservazione dell'Amazzonia per una stagione a causa della regolare copertura nuvolosa, GeoCarb si rivolgerà ogni giorno alle regioni prive di cloud con modelli di scansione flessibili. Le rivisitazioni quotidiane mostreranno la biosfera che cambia in tempo quasi reale insieme a satelliti meteorologici come GOES 16, che si trova a 105 gradi ovest, aiutando a collegare i punti tra i componenti del sistema terrestre.

Sfumature del ciclo del carbonio

Molti processi influenzano i livelli di CO2 nell'atmosfera, compresa la crescita e il decadimento delle piante, combustione di combustibili fossili e cambiamenti nell'uso del suolo, come il disboscamento delle foreste per l'agricoltura o lo sviluppo. Attribuire le variazioni di CO2 atmosferica a diversi processi è difficile utilizzando le sole misurazioni di CO2, perché l'atmosfera mescola CO2 da tutte le diverse fonti insieme.

Come menzionato prima, oltre a CO2 e CH4, GeoCarb misurerà la CO. La combustione di combustibili fossili rilascia sia CO che CO2. Ciò significa che quando vediamo alte concentrazioni di entrambi i gas insieme, abbiamo prove che vengono rilasciati dalle attività umane.

Fare questa distinzione è fondamentale, quindi non presumiamo che le emissioni di CO2 indotte dall'uomo provengano da una diminuzione dell'attività delle piante o da un rilascio naturale di CO2 dal suolo. Se possiamo distinguere tra emissioni prodotte dall'uomo e naturali, possiamo trarre conclusioni più solide sul ciclo del carbonio. Sapere quale frazione di questi cambiamenti è causata dalle attività umane è importante per comprendere il nostro impatto sul pianeta, e osservarlo e misurarlo è essenziale per qualsiasi conversazione sulle strategie per ridurre le emissioni di CO2.

La misurazione del metano da parte di GeoCarb sarà un elemento cruciale nella comprensione del sistema globale carbonio-clima. Il metano è prodotto da sistemi naturali, come le zone umide, e da attività umane come la produzione di gas naturale. Non capiamo la parte del metano del ciclo del carbonio così come la CO2. Ma proprio come con la CO2, le osservazioni sul metano ci dicono molto sul funzionamento dei sistemi naturali. Le paludi rilasciano metano come parte del decadimento naturale del sistema. La velocità di rilascio è legata a quanto è umido/secco e caldo/freddo il sistema.

Non è chiaro quanto la produzione di gas naturale contribuisca alle emissioni di metano. Una ragione per quantificare queste emissioni in modo più accurato è che rappresentano entrate perse per i produttori di energia. L'Environmental Protection Agency stima un tasso di perdita negli Stati Uniti di circa il 2%, che potrebbe aggiungere fino a miliardi di dollari all'anno.

Ci aspettiamo, sulla base di simulazioni, che GeoCarb produca mappe che evidenzino le perdite più grandi con solo pochi giorni di osservazioni. Trovare perdite ridurrà i costi per i produttori di energia e ridurrà l'impronta di carbonio del gas naturale. Attualmente, le compagnie energetiche trovano perdite inviando personale con apparecchiature di rilevamento a siti di perdite sospette. I nuovi sensori aerei potrebbero rendere il processo più economico, ma sono ancora dispiegati su base limitata e in modo ad hoc. Le regolari osservazioni di GeoCarb forniranno informazioni sulle perdite ai produttori in modo tempestivo per aiutarli a limitare le loro perdite.

Guardare il pianeta respirare

Con scansioni quotidiane delle masse continentali nell'emisfero occidentale, GeoCarb fornirà un numero senza precedenti di misurazioni di CO2 di alta qualità. CH4 e CO nell'atmosfera. Queste osservazioni, insieme a misurazioni dirette dell'attività fotosintetica da osservazioni SIF, porterà la nostra comprensione del ciclo del carbonio a un nuovo livello.

Per la prima volta potremo osservare come l'emisfero occidentale inspira ed espira ogni giorno, e vedere le stagioni cambiare attraverso gli occhi della biosfera. Dotato di queste osservazioni, inizieremo a districare i contributi naturali e umani al bilancio del carbonio. Queste intuizioni aiuteranno gli scienziati a fare previsioni solide sul futuro della Terra.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.