O carbono é um alicerce da vida em nosso planeta. É armazenado em reservatórios na Terra - nas rochas, plantas e solo - nos oceanos, e na atmosfera. E ele circula constantemente entre esses reservatórios.

Compreender o ciclo do carbono é crucialmente importante por muitas razões. Isso nos fornece energia, armazenado como combustível fóssil. Os gases de carbono na atmosfera ajudam a regular a temperatura da Terra e são essenciais para o crescimento das plantas. O carbono que passa da atmosfera para o oceano apóia a fotossíntese do fitoplâncton marinho e o desenvolvimento de recifes. Esses processos e uma miríade de outros estão todos interligados com o clima da Terra, mas a maneira pela qual os processos respondem à variabilidade e mudança no clima não é bem quantificada.

Nosso grupo de pesquisa da Universidade de Oklahoma está liderando a mais recente Missão de Aventura na Terra da NASA, o Observatório Geoestacionário de Carbono, ou GeoCarb. Esta missão colocará uma carga útil avançada em um satélite para estudar a Terra a partir de mais de 22, 000 milhas acima do equador da Terra. Observando mudanças nas concentrações de três gases-chave de carbono - dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e monóxido de carbono (CO) - dia a dia e ano a ano nos ajudará a dar um salto importante na compreensão das mudanças naturais e humanas no ciclo do carbono.

GeoCarb também é uma colaboração inovadora entre a NASA, uma universidade pública, uma empresa de desenvolvimento de tecnologia comercial (Lockheed Martin Advanced Technology Center) e uma empresa de lançamento e hospedagem de comunicações comerciais (SES). Nossa abordagem de "carga útil hospedada" colocará um observatório científico em um satélite de comunicações comerciais, pavimentando o caminho para um futuro de baixo custo, observações da Terra comercialmente habilitadas.

Observando o ciclo do carbono

A famosa "curva de Keeling, "que rastreia as concentrações de CO2 na atmosfera da Terra, é baseado em medições diárias no Observatório Mauna Loa no Havaí. Isso mostra que os níveis globais de CO2 estão aumentando ao longo do tempo, mas também mudam sazonalmente devido a processos biológicos. O CO2 diminui durante os meses de primavera e verão do hemisfério norte, à medida que as plantas crescem e retiram CO2 do ar. Ele aumenta novamente no outono e inverno, quando as plantas ficam relativamente dormentes e os ecossistemas "exalam" CO2.

Um olhar mais atento mostra que o ciclo de cada ano é ligeiramente diferente. Em alguns anos, a biosfera retira mais CO2 da atmosfera; em outros, libera mais para a atmosfera. Queremos saber mais sobre o que causa as diferenças de ano para ano, porque isso contém pistas sobre como funciona o ciclo do carbono.

Por exemplo, durante o El Niño de 1997-1998, um forte aumento de CO2 foi em grande parte causado por incêndios na Indonésia. O mais recente El Niño em 2015-2016 também levou a um aumento de CO2, mas a causa foi provavelmente uma mistura complexa de efeitos nos trópicos - incluindo fotossíntese reduzida na Amazônia, liberação de CO2 no solo causada pela temperatura na África e incêndios na Ásia tropical.

Esses dois exemplos de variabilidade ano a ano no ciclo do carbono, global e regionalmente, refletem o que agora acreditamos - ou seja, essa variabilidade é amplamente impulsionada pelos ecossistemas terrestres. A capacidade de sondar a interação clima-carbono exigirá uma compreensão muito mais quantitativa das causas dessa variabilidade no nível do processo de vários ecossistemas.

Por que estudar as emissões terrestres do espaço?

GeoCarb será lançado em órbita geoestacionária a cerca de 85 graus de longitude oeste, onde ele irá girar em conjunto com a Terra. Deste ponto de vista, as principais regiões urbanas e industriais das Américas, de Saskatoon a Punta Arenas, estarão em vista, assim como as grandes áreas agrícolas e as extensas florestas tropicais e pântanos da América do Sul. Medições de dióxido de carbono, metano e monóxido de carbono uma ou duas vezes por dia em grande parte das Américas terrestres ajudarão a resolver a variabilidade do fluxo de CO2 e CH4.

O GeoCarb também medirá a fluorescência induzida pelo sol (SIF) - plantas que emitem luz que não podem usar de volta ao espaço. Este "lampejo" da biosfera está fortemente ligado à taxa de fotossíntese, e assim fornece uma medida de quanto CO2 as plantas absorvem.

A NASA foi pioneira na tecnologia que GeoCarb levará em uma missão anterior, o Orbiting Carbon Observatory 2 (OCO-2). OCO-2 foi lançado em uma órbita baixa da Terra em 2014 e tem medido CO2 do espaço desde então, passando de pólo a pólo várias vezes por dia enquanto a Terra gira sob ele.

Embora os instrumentos sejam semelhantes, a diferença na órbita é crucial. OCO-2 mostra uma trilha estreita de 10 km ao longo de grande parte do globo em um ciclo de repetição de 16 dias, enquanto o GeoCarb vai olhar para o hemisfério ocidental terrestre continuamente de uma posição fixa, digitalizando a maior parte dessa massa de terra pelo menos uma vez por dia.

Onde OCO-2 pode deixar de observar a Amazônia por uma temporada devido à cobertura de nuvens regular, GeoCarb terá como alvo as regiões livres de nuvem todos os dias com padrões de digitalização flexíveis. As revisitas diárias mostrarão a mudança da biosfera em tempo quase real ao lado de satélites meteorológicos como o GOES 16, que está localizado a 105 graus oeste, ajudando a conectar os pontos entre os componentes do sistema da Terra.

Nuances do ciclo do carbono

Muitos processos afetam os níveis de CO2 na atmosfera, incluindo crescimento e deterioração da planta, combustão de combustível fóssil e mudanças no uso da terra, como o desmatamento de florestas para agricultura ou desenvolvimento. Atribuir mudanças atmosféricas de CO2 a diferentes processos é difícil usando apenas medições de CO2, porque a atmosfera mistura CO2 de todas as fontes diferentes.

Como mencionado anteriormente, além de CO2 e CH4, O GeoCarb medirá o CO. A queima de combustível fóssil libera CO e CO2. Isso significa que quando vemos altas concentrações de ambos os gases juntos, temos evidências de que eles estão sendo liberados por atividades humanas.

Fazer essa distinção é fundamental para que não presumamos que as emissões de CO2 induzidas pelo homem venham de uma diminuição na atividade da planta ou de uma liberação natural de CO2 do solo. Se pudermos distinguir entre emissões humanas e naturais, podemos tirar conclusões mais robustas sobre o ciclo do carbono. Saber qual fração dessas mudanças é causada por atividades humanas é importante para compreender nosso impacto no planeta, e observar e medir é essencial para qualquer conversa sobre estratégias para reduzir as emissões de CO2.

A medição de metano do GeoCarb será um elemento crucial para a compreensão do sistema global carbono-clima. O metano é produzido por sistemas naturais, como pântanos, e por atividades humanas, como a produção de gás natural. Não entendemos a porção do metano do ciclo do carbono tão bem quanto o CO2. Mas, assim como com o CO2, as observações do metano nos dizem muito sobre o funcionamento dos sistemas naturais. Os pântanos liberam metano como parte da degradação natural do sistema. A taxa de liberação está ligada a quão úmido / seco e quente / frio o sistema é.

É incerto o quanto a produção de gás natural contribui para as emissões de metano. Uma razão para quantificar essas emissões com mais precisão é que elas representam receita perdida para os produtores de energia. A Agência de Proteção Ambiental estima uma taxa de vazamento dos EUA de cerca de 2 por cento, que pode somar bilhões de dólares anualmente.

Esperamos, com base em simulações, que o GeoCarb produza mapas que destacam os maiores vazamentos com apenas alguns dias de observações. Encontrar vazamentos irá reduzir custos para produtores de energia e reduzir a pegada de carbono do gás natural. Atualmente, as empresas de energia encontram vazamentos enviando pessoal com equipamento de detecção para locais suspeitos de vazamento. Sensores aerotransportados mais recentes podem tornar o processo mais barato, mas eles ainda são implantados de forma limitada e de maneira ad hoc. As observações regulares da GeoCarb fornecerão informações sobre vazamentos aos produtores em tempo hábil para ajudá-los a limitar suas perdas.

Assistindo o planeta respirar

Com varreduras diárias de massas de terra no hemisfério ocidental, GeoCarb fornecerá um número sem precedentes de medições de CO2 de alta qualidade, CH4 e CO na atmosfera. Essas observações, junto com medições diretas da atividade fotossintética de observações SIF, vai elevar nossa compreensão do ciclo do carbono a um novo nível.

Pela primeira vez, seremos capazes de observar como o hemisfério ocidental inspira e expira todos os dias, e ver as mudanças das estações através dos olhos da biosfera. Equipado com essas observações, começaremos a separar as contribuições naturais e humanas para o equilíbrio do carbono. Essas percepções ajudarão os cientistas a fazer previsões robustas sobre o futuro da Terra.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.