Un nouveau projet de superordinateur de la NASA s'appuie sur les mesures satellites du dioxyde de carbone de l'agence et les combine avec un modèle sophistiqué du système terrestre pour fournir l'une des vues les plus réalistes à ce jour sur la façon dont ce gaz à effet de serre critique se déplace dans l'atmosphère.

Les scientifiques ont suivi la concentration croissante de dioxyde de carbone piégeant la chaleur pendant des décennies à l'aide de capteurs au sol à quelques endroits. Une visualisation haute résolution du nouveau produit de données combinées offre une perspective totalement différente. La visualisation a été générée par le Global Modeling and Assimilation Office du Goddard Space Flight Center de la NASA, Ceinture verte, Maryland, en utilisant les données du satellite Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) de l'agence, construit et exploité par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, Pasadéna, Californie.

La visualisation en 3D révèle avec des détails surprenants les schémas complexes dans lesquels le dioxyde de carbone dans l'atmosphère augmente, diminue et se déplace dans le monde entier au cours de la période allant de septembre 2014 à septembre 2015.

Le dioxyde de carbone atmosphérique agit comme le thermostat de la Terre. Augmentation des concentrations de gaz à effet de serre, en raison principalement de la combustion de combustibles fossiles pour l'énergie, ont entraîné la tendance actuelle au réchauffement à long terme de la Terre. La visualisation met en évidence les progrès réalisés par les scientifiques dans la compréhension des processus qui contrôlent la quantité de dioxyde de carbone émis qui reste dans l'atmosphère et combien de temps il y reste, des questions qui détermineront en fin de compte le climat futur de la Terre.

Les scientifiques savent que près de la moitié de toutes les émissions d'origine humaine sont absorbées par la terre et l'océan. La compréhension actuelle est qu'environ 50 pour cent des émissions restent dans l'atmosphère, environ 25 pour cent sont absorbés par la végétation sur la terre, et environ 25 pour cent sont absorbés par l'océan. Cependant, ces chiffres apparemment simples laissent les scientifiques avec des questions critiques et complexes :quels écosystèmes, surtout sur terre, absorbent quelles quantités de dioxyde de carbone? Peut-être le plus important, alors que les émissions ne cessent d'augmenter, la terre et l'océan continueront-ils ce taux d'absorption, ou atteindre un point de saturation ?

Le nouvel ensemble de données est une étape vers la réponse à ces questions, a expliqué Lesley Ott, un scientifique du cycle du carbone à la NASA Goddard et membre de l'équipe scientifique OCO-2. Les scientifiques doivent comprendre les processus à l'origine du « flux de carbone » :l'échange de dioxyde de carbone entre l'atmosphère, terre et océan, dit Ott.

« Nous ne pouvons pas mesurer le flux directement à haute résolution sur l'ensemble du globe, ", a-t-elle déclaré. "Nous essayons de créer les outils nécessaires pour fournir une image précise de ce qui se passe dans l'atmosphère et de traduire cela en une image précise de ce qui se passe avec le flux. Il y a encore un long chemin à parcourir, mais c'est une étape vraiment importante et nécessaire dans cette chaîne de découvertes sur le dioxyde de carbone."

OCO-2, lancé en 2014, est le premier satellite de la NASA conçu spécifiquement pour mesurer le dioxyde de carbone atmosphérique à l'échelle régionale.

"Depuis septembre 2014, OCO-2 en a renvoyé près de 100, 000 estimations de dioxyde de carbone dans le monde chaque jour. Des outils de modélisation tels que ceux développés par nos collègues du Global Modeling and Assimilation Office sont essentiels pour analyser et interpréter cet ensemble de données à haute résolution, " a déclaré David Crisp, Chef d'équipe scientifique OCO-2 au JPL.

Le Global Modeling and Assimilation Office (GMAO) a précédemment inclus le dioxyde de carbone dans son modèle de système GEOS Earth, qui est utilisé pour toutes sortes d'études atmosphériques. Ce nouveau produit s'appuie sur ce travail en utilisant la technique d'assimilation de données pour combiner les observations OCO-2 avec le modèle. "L'assimilation de données est le processus de mélange de simulations de modèles avec des mesures du monde réel, avec la précision, résolution et couverture nécessaires pour refléter notre meilleure compréhension de l'échange de dioxyde de carbone entre la surface et l'atmosphère, " a expliqué Brad Weir, un chercheur basé au GMAO.

La visualisation présente des informations sur le dioxyde de carbone mondial qui n'ont pas été vues auparavant avec un tel détail :l'augmentation et la baisse du dioxyde de carbone dans l'hémisphère nord tout au long d'une année ; l'influence des continents, les chaînes de montagnes et les courants océaniques sur les conditions météorologiques et donc le mouvement du dioxyde de carbone ; et l'influence régionale de la photosynthèse très active dans des endroits comme la ceinture de maïs américaine.

Alors que les fluctuations finement détaillées du dioxyde de carbone sont accrocheuses, ils rappellent également au chef de GMAO Steven Pawson les progrès que les scientifiques font avec les modèles informatiques du système Terre. Une étape future consistera à intégrer un module de biologie plus complexe dans le modèle afin de mieux cibler les questions d'absorption et de libération de dioxyde de carbone par les forêts et autres écosystèmes terrestres.

Les résultats mis en évidence ici démontrent la valeur des capacités uniques de la NASA en matière d'observation et de modélisation de la Terre. Ils mettent également l'accent sur la collaboration entre les centres de la NASA et la valeur d'un supercalcul puissant. L'assimilation a été créée à l'aide d'un modèle appelé Goddard Earth Observing System Model-Version 5 (GEOS-5), qui a été géré par le cluster de superordinateurs Discover au Centre de simulation climatique de Goddard de la NASA.

"Il nous a fallu de nombreuses années pour tout rassembler, " a déclaré Pawson. " Le niveau de détail inclus dans cet ensemble de données nous donne beaucoup d'optimisme quant au fait que nos modèles et observations commencent à donner une vision cohérente du cycle du carbone. "