Comment le satellite de la NASA observera la respiration de la Terre depuis l’espace.

Le carbone est un élément constitutif de la vie sur notre planète. Il est stocké dans des réservoirs sur Terre – dans les roches, les plantes et le sol – dans les océans et dans l’atmosphère. Et il alterne constamment entre ces réservoirs.

Comprendre le cycle du carbone est d’une importance cruciale pour de nombreuses raisons. Il nous fournit de l’énergie, stockée sous forme de combustible fossile. Les gaz carboniques présents dans l’atmosphère aident à réguler la température de la Terre et sont essentiels à la croissance des plantes. Le carbone passant de l’atmosphère à l’océan favorise la photosynthèse du phytoplancton marin et le développement des récifs. Ces processus et une myriade d’autres sont tous étroitement liés au climat de la Terre, mais la manière dont les processus réagissent à la variabilité et aux changements climatiques n’est pas bien quantifiée.

Notre groupe de recherche à l’Université de l’Oklahoma dirige la dernière mission Earth Venture de la NASA, l’Observatoire géostationnaire du carbone, ou GeoCarb. Cette mission placera une charge utile avancée sur un satellite pour étudier la Terre à plus de 22 000 milles au-dessus de l’équateur terrestre. L’observation des changements dans les concentrations de trois gaz carboniques clés – le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le monoxyde de carbone (CO) – d’un jour à l’autre et d’une année à l’autre nous aidera à faire un grand pas en avant dans la compréhension des changements naturels et humains dans le cycle du carbone.

GeoCarb est également une collaboration innovante entre la NASA, une université publique, une société commerciale de développement technologique (Lockheed Martin Advanced Technology Center) et une société commerciale de lancement et d’hébergement de communications (SES). Notre approche de « charge utile hébergée » placera un observatoire scientifique sur un satellite de communication commercial, ouvrant la voie à de futures observations de la Terre à faible coût et commercialement activées.

Observer le cycle du carbone

La fameuse « courbe de Keeling », qui suit les concentrations de CO2 dans l’atmosphère terrestre, est basée sur des mesures quotidiennes à l’observatoire du Mauna Loa à Hawaï. Il montre que les niveaux mondiaux de CO2 augmentent au fil du temps, mais changent également de façon saisonnière en raison de processus biologiques. Le CO2 diminue pendant les mois de printemps et d’été de l’hémisphère nord, à mesure que les plantes poussent et absorbent le CO2 de l’air. Il remonte en automne et en hiver lorsque les plantes entrent relativement en dormance et que les écosystèmes « exhalent » du CO2.

Un examen plus approfondi montre que le cycle de chaque année est légèrement différent. Certaines années, la biosphère extrait davantage de CO2 de l’atmosphère ; dans d’autres, il libère davantage dans l’atmosphère. Nous voulons en savoir plus sur les causes des différences d’une année à l’autre, car cela contient des indices sur le fonctionnement du cycle du carbone.

Par exemple, lors de l’El Niño de 1997-1998, une forte augmentation du CO2 a été largement due aux incendies en Indonésie. Le plus récent El Niño en 2015-2016 a également entraîné une augmentation du CO2, mais la cause était probablement un mélange complexe d’effets à travers les tropiques – y compris une réduction de la photosynthèse en Amazonie, la libération de CO2 par le sol en raison de la température en Afrique et des incendies dans les régions tropicales. Asie.

Ces deux exemples de variabilité d’une année à l’autre du cycle du carbone, à la fois à l’échelle mondiale et régionale, reflètent ce que nous croyons maintenant, à savoir que la variabilité est largement due aux écosystèmes terrestres. La capacité de sonder l’interaction climat-carbone nécessitera une compréhension beaucoup plus quantitative des causes de cette variabilité au niveau des processus de divers écosystèmes.

Pourquoi étudier les émissions terrestres depuis l’espace ?

GeoCarb sera lancé en orbite géostationnaire à environ 85 degrés de longitude ouest, où il tournera en tandem avec la Terre. De ce point de vue, les principales régions urbaines et industrielles des Amériques, de Saskatoon à Punta Arenas, seront en vue, ainsi que les vastes zones agricoles et les vastes forêts tropicales et zones humides d’Amérique du Sud. Les mesures de dioxyde de carbone, de méthane et de monoxyde de carbone une ou deux fois par jour sur une grande partie des Amériques terrestres aideront à résoudre la variabilité des flux de CO2 et de CH4.

GeoCarb mesurera également la fluorescence induite par le soleil (SIF) – les plantes émettant de la lumière qu’elles ne peuvent pas réutiliser dans l’espace. Ce « clignotement » par la biosphère est fortement lié au taux de photosynthèse, et fournit ainsi une mesure de la quantité de CO2 absorbée par les plantes.

La NASA a été la pionnière de la technologie que GeoCarb effectuera lors d’une mission antérieure, l’Observatoire orbital du carbone 2 (OCO-2). OCO-2 a été lancé sur une orbite terrestre basse en 2014 et mesure depuis lors le CO2 de l’espace, passant d’un pôle à l’autre plusieurs fois par jour alors que la Terre tourne en dessous.

Bien que les instruments soient similaires, la différence d’orbite est cruciale. OCO-2 échantillonne une piste étroite de 10 km sur une grande partie du globe sur un cycle de répétition de 16 jours, tandis que GeoCarb observera l’hémisphère occidental terrestre en continu à partir d’une position fixe, balayant la majeure partie de cette masse terrestre au moins une fois par jour.

Là où OCO-2 peut manquer d’observer l’Amazonie pendant une saison en raison de la couverture nuageuse régulière, GeoCarb ciblera chaque jour les régions sans nuage avec des modèles de balayage flexibles. Des revisites quotidiennes montreront l’évolution de la biosphère en temps quasi réel aux côtés de satellites météorologiques tels que GOES 16, situé à 105 degrés ouest, aidant à relier les points entre les composants du système terrestre.

Nuances du cycle du carbone

De nombreux processus affectent les niveaux de CO2 dans l’atmosphère, y compris la croissance et la décomposition des plantes, la combustion de combustibles fossiles et les changements d’utilisation des terres, tels que le défrichement des forêts pour l’agriculture ou le développement. Il est difficile d’attribuer les changements de CO2 atmosphérique à différents processus en utilisant uniquement les mesures de CO2, car l’atmosphère mélange le CO2 de toutes les différentes sources.

Comme mentionné précédemment, en plus du CO2 et du CH4, GeoCarb mesurera le CO. La combustion de combustibles fossiles libère à la fois du CO et du CO2. Cela signifie que lorsque nous voyons des concentrations élevées des deux gaz ensemble, nous avons la preuve qu’ils sont libérés par les activités humaines.

Il est essentiel de faire cette distinction afin de ne pas supposer que les émissions de CO2 d’origine humaine proviennent d’une diminution de l’activité des plantes ou d’un rejet naturel de CO2 du sol. Si nous pouvons faire la distinction entre les émissions d’origine humaine et naturelles, nous pouvons tirer des conclusions plus solides sur le cycle du carbone. Savoir quelle fraction de ces changements est causée par les activités humaines est important pour comprendre notre impact sur la planète, et l’observer et le mesurer est essentiel à toute conversation sur les stratégies de réduction des émissions de CO2.

La mesure du méthane par GeoCarb sera un élément crucial dans la compréhension du système global carbone-climat. Le méthane est produit par des systèmes naturels, tels que les zones humides, et par des activités humaines telles que la production de gaz naturel. Nous ne comprenons pas la partie méthane du cycle du carbone aussi bien que le CO2. Mais tout comme pour le CO2, les observations de méthane nous en disent long sur le fonctionnement des systèmes naturels. Les marais libèrent du méthane dans le cadre de la décomposition naturelle du système. Le taux de libération est lié à la façon dont le système est humide/sec et chaud/froid.

On ne sait pas dans quelle mesure la production de gaz naturel contribue aux émissions de méthane. L’une des raisons de quantifier ces émissions avec plus de précision est qu’elles représentent un manque à gagner pour les producteurs d’énergie. L’Environmental Protection Agency estime un taux de fuite aux États-Unis d’environ 2 %, ce qui pourrait représenter des milliards de dollars par an.

Nous prévoyons, sur la base de simulations, que GeoCarb produira des cartes mettant en évidence les plus grandes fuites avec seulement quelques jours d’observations. La détection de fuites réduira les coûts pour les producteurs d’énergie et réduira l’empreinte carbone du gaz naturel. Actuellement, les compagnies énergétiques détectent les fuites en envoyant du personnel avec des équipements de détection sur les sites suspects de fuites. De nouveaux capteurs aéroportés pourraient rendre le processus moins cher, mais ils sont toujours déployés sur une base limitée et de manière ad hoc. Les observations régulières de GeoCarb fourniront des informations sur les fuites aux producteurs en temps opportun pour les aider à limiter leurs pertes.

Regarder la planète respirer

Avec des analyses quotidiennes des masses continentales de l’hémisphère occidental, GeoCarb fournira un nombre sans précédent de mesures de haute qualité du CO2, du CH4 et du CO dans l’atmosphère. Ces observations, ainsi que les mesures directes de l’activité photosynthétique à partir des observations SIF, élèveront notre compréhension du cycle du carbone à un nouveau niveau.

Pour la première fois, nous pourrons observer l’inspiration et l’expiration quotidiennes de l’hémisphère occidental et voir les saisons changer à travers les yeux de la biosphère. Forts de ces observations, nous commencerons à démêler les contributions naturelles et humaines au bilan carbone. Ces informations aideront les scientifiques à faire des prédictions solides sur l’avenir de la Terre.

Berrien Moore III, vice-président, Programmes météo et climat; Doyen, Collège des sciences atmosphériques et géographiques ; Directeur, Centre météorologique national, Université de l’Oklahoma et Sean Crowell, chercheur scientifique, Université de l’Oklahoma