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Ver respirar el planeta: el ciclo de carbono de la Tierra visto desde el espacio

El carbono que pasa de la atmósfera al océano da soporte a la fotosíntesis del fitoplancton y al desarrollo de los arrecifes. Estos procesos y muchos otros están todos entrelazados con el clima de la Tierra pero la manera en que los procesos responden a la variabilidad y el cambio en el clima no está bien cuantificada.
3 Jul 2017 – 10:54 AM EDT

NASA comparte las primeras imágenes espectaculares de su nuevo satélite meteorológico

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Por Berrien Moore y Sean Crowell

El carbono es un componente de vida en nuestro planeta. Está almacenado en depósitos en la Tierra – en rocas, plantas y tierra – en los océanos y en la atmósfera. Y lleva a cabo el ciclo constantemente entre esos depósitos.

El entendimiento del ciclo del carbono es crucialmente importante por muchas razones. Nos suministra energía, almacenada como combustibles fósiles. Los gases del 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 da soporte a la fotosíntesis del fitoplancton y al desarrollo de los arrecifes. Estos procesos y muchos otros están todos entrelazados con el clima de la Tierra pero la manera en que los procesos responden a la variabilidad y el cambio en el clima no está bien cuantificada.

Nuestro grupo de investigación de la Universidad de Oklahoma está dirigiendo la última Misión Aventura de la Tierra de la NASA, el Observatorio geoestacionario de carbono o GeoCarb. La 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 los cambios en concentraciones de tres gases de carbono claves – dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y monóxido de carbono (CO) – cada día y cada año nos ayudará a tomar un importante paso adelante en el entendimiento de los cambios naturales y humanos en el ciclo del carbono.

GeoCarb es también una innovadora colaboración entre la NASA, una universidad pública, una firma de desarrollo de tecnología comercial (Centro de Tecnología avanzada de Lockheed Martin) y una firma de lanzamiento y patrocinio de comunicaciones comerciales (SES). El abordaje de nuestra "carga útil patrocinada" colocará un observatorio científico en un satélite comercial de comunicaciones, preparando el camino para futuras observaciones a bajo costo de la Tierra habilitadas comercialmente.

Observando el ciclo de carbono

La famosa “Curva Keeling”, que rastrea las concentraciones de CO2 en la atmósfera de la Tierra, está basada en la medición diaria en el Observatorio Mauna Loa en Hawái. La misma muestra que los niveles mundiales de CO2 están creciendo con el tiempo, pero también cambian estacionalmente a causa de procesos biológicos. El nivel de CO2 disminuye durante los meses de primavera y verano del hemisferio norte porque las plantas crecen y toman CO2 del aire. Sube otra vez en otoño e invierno cuando las plantas están relativamente inactivas y los ecosistemas “exhalan” CO2.

Una mirada más detenida muestra que el ciclo de cada año es ligeramente diferente. En algunos años la biósfera toma más CO2 de la atmósfera; en otros libera más a la atmósfera. Queremos saber más sobre qué causa las diferencias de un año para el otro, ya que eso contiene pistas sobre cómo el ciclo de carbono funciona.

Por ejemplo, durante El Niño de 1997-1998, un fuerte aumento del nivel de CO2 se debió en gran parte a incendios en Indonesia. El Niño más reciente en 2015-2016 también produjo un aumento del nivel de CO2 pero probablemente a causa de una compleja mezcla de efectos en todo el trópico, incluyendo una fotosíntesis reducida en la Amazonía, liberación de CO2 por los suelos a causa de las temperaturas en África e incendios en el Asia tropical.


Estos dos ejemplos de la variabilidad anual en el ciclo de carbono reflejan, tanto a nivel mundial como regional, lo que creemos ahora - es decir, que la variabilidad se debe en gran parte a los ecosistemas terrestres. La posibilidad de investigar la interacción clima-carbono requerirá una comprensión mucho más cuantitativa de las causas de esta variabilidad en el nivel de procesos de varios ecosistemas.


¿Por qué estudiar las emisiones terrestres desde el espacio?

El satélite GeoCarb se lanzará a la órbita geoestacionaria a aproximadamente 85 grados longitud oeste donde girará en conjunto con la Tierra. Desde este punto de vista, las principales regiones urbanas e industriales en las Américas desde Saskatoon hasta Punta Arenas estarán en la mira, al igual que las grandes áreas agrícolas y los extensos bosques tropicales y humedales sudamericanos. Las mediciones de dióxido de carbono, metano y monóxido de carbono una o dos veces al día sobre gran parte de las Américas terrestres ayudarán a resolver la variabilidad del flujo para el CO2 y el CH4.

El GeoCarb también medirá la fluorescencia inducida por el sol (SIF, por sus siglas en inglés) – plantas que emiten luz que ellas no pueden usar de regreso al espacio. Esta "intermitencia" por la biosfera está fuertemente ligada a la tasa de fotosíntesis, y por lo tanto proporciona una medida de la cantidad de CO2 que reciben las plantas.

La NASA fue pionera de la tecnología que GeoCarb llevará a cabo en una misión anterior, el Observatorio de Carbono Orbital 2 (OCO-2). El OCO-2 lanzado en una órbita baja de la Tierra en el 2014 y ha estado midiendo el CO2 del espacio desde entonces, pasando de polo a polo varias veces por día mientras que la Tierra gira debajo de ella.

Aunque los instrumentos son similares, la diferencia en órbita es crucial. El OCO-2 prueba una vía estrecha de 10 kilómetros sobre gran parte del globo en un ciclo de repetición de 16 días, mientras que GeoCarb observará el hemisferio occidental terrestre continuamente desde una posición fija, explorando la mayor parte de esta masa de tierra por lo menos una vez por día.

Donde el OCO-2 pueda perder la observación de la Amazonia durante una temporada debido a la nubosidad regular, el GeoCarb se centrará en las regiones libres de nubes todos los días con patrones de escaneo flexible. Los reexámenes diarios mostrarán la biosfera cambiando en tiempo casi real junto a satélites meteorológicos como el GOES 16, el cual se encuentra localizado 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, incluyendo el crecimiento y decaimiento de las plantas, la combustión de combustibles fósiles y los cambios en el uso de la tierra, como el talado de bosques para la agricultura o el desarrollo. La atribución de los cambios atmosféricos de CO2 a diferentes procesos es difícil utilizando solo mediciones de CO2, porque la atmósfera mezcla CO2 de todas las diferentes fuentes juntas.

Como se mencionó anteriormente, además del CO2 y del CH4, GeoCarb medirá el CO. Quemar combustible fósil libera CO y 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 así no asumir que las emisiones de CO2 inducidas por el hombre provienen de una disminución de las actividades en una planta o una liberación natural de CO2 de la tierra. Si podemos distinguir entre las emisiones producidas por el hombre y las naturales, podemos dar conclusiones más sólidas sobre el ciclo del carbono. Saber qué fracción de estos cambios es causado por las actividades humanas es importante para entender nuestro impacto en el planeta, y observar y medir es fundamental para cualquier conversación sobre las estrategias para reducir las emisiones de CO2.

Las mediciones de metano de GeoCarb serán un elemento crucial en la comprensión del sistema global del carbono-clima. El metano se produce por sistemas naturales, como pantanos, y por actividades humanas como la producción de gas natural. No comprendemos tan bien la parte del metano en el ciclo del carbono a como entendemos la del CO2. Pero así como con el CO2, las observaciones del metano nos dicen mucho sobre el funcionamiento de los sistemas naturales. Los pantanos liberan metano como parte de la descomposición natural en el sistema. La tasa de liberación está ligada a qué tan húmedo/seco y cálido/frío es el sistema.

Es incierto cuánta producción de gas natural contribuye a las emisiones de metano. Una razón para cuantificar estas emisiones con más exactitud es que ellas representan pérdidas en las ganancias de los productores de energía. La Agencia de Protección Ambiental estima una tasa de fuga de cerca del 2 por ciento, la cual se puede sumar a miles de millones de dólares anualmente.

Esperamos, basados en simulaciones, que GeoCarb valla producir mapas que resaltarán las fugas más grandes con solo pocos días de observación. El hecho de encontrar las fugas reducirá los costos de los productores de energía y se reducirá la presencia de carbono de gas natural. Actualmente, las compañías de energía encuentran las fugas enviando personal con equipos de detección a lugares con sospechas de fuga. Recientes sensores aéreos podrían hacer que el proceso sea más barato, pero todavía se usan de forma limitada y de una manera ad hoc. Las observaciones regulares de GeoCarb proporcionarán información de las fugas para los productores de manera oportuna para ayudarles a limitar sus pérdidas.

Viendo al planeta respirar

Con escaneos diarios de la masa continental en el Hemisferio Oeste, GeoCarb proporcionará un número sin precedente de mediciones de alta calidad de CO2, CH4 y CO en la atmósfera. Estas observaciones, junto con mediciones directas de la actividad fotosintética por parte de las observaciones de SIF, elevarán nuestra comprensión del ciclo del carbono a un nuevo nivel.

Por primera vez podremos ver el Hemisferio Oeste inhalar y exhalar todos los días y ver el cambio de estación a través de los ojos de la biosfera. Equipados con estas observaciones, empezaremos a desenredar la contribución natural y la humana al equilibrio del carbono. Este conocimiento le ayudará a los científicos a hacer predicciones más sólidas sobre el futuro de la Tierra.

*Este artículo fue publicado originalmente en inglés en The Conversation. Lo autores son Berrien Moore III, vicepresidente de Programas de Clima y Clima; Decano, Colegio de Ciencias Atmosféricas y Geográficas y Director, Centro Nacional de Meteorología, Universidad de Oklahoma y Sean Crowell, Investigador de la Universidad de Oklahoma.


The Conversation

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