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

Comprendre le cycle du carbone est d'une importance cruciale pour de nombreuses raisons. Il nous fournit de l'énergie, stocké comme combustible fossile. Les gaz carboniques 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 soutient la photosynthèse du phytoplancton marin et le développement des récifs. Ces processus et une myriade d'autres sont tous liés au climat de la Terre, mais la manière dont les processus réagissent à la variabilité et au changement climatique 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 partir de plus de 22, 000 milles au-dessus de l'équateur terrestre. Observer les changements dans les concentrations de trois gaz carboniques clés - le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le monoxyde de carbone (CO) – de jour en jour et d'année en année nous aideront à faire un grand pas en avant dans la compréhension des changements naturels et humains dans le cycle du carbone.

GeoCarb est aussi une collaboration innovante entre la NASA, une université publique, une société de développement de technologies commerciales (Lockheed Martin Advanced Technology Center) et une société de lancement et d'hébergement de communications commerciales (SES). Notre approche "charge utile hébergée" placera un observatoire scientifique sur un satellite de communication commercial, ouvrant la voie au futur low-cost, observations de la Terre commercialement autorisées.

Observer le cycle du carbone

La fameuse "courbe de Keeling, " qui suit les concentrations de CO2 dans l'atmosphère terrestre, est basé sur des mesures quotidiennes à l'observatoire de Mauna Loa à Hawaï. Il montre que les niveaux mondiaux de CO2 augmentent avec le temps, mais aussi changer 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 éliminent le CO2 de l'air. Il augmente à nouveau en automne et en hiver lorsque les plantes entrent relativement en dormance et que les écosystèmes « exhalent » du CO2.

Un examen plus attentif montre que le cycle de chaque année est légèrement différent. Certaines années, la biosphère retire plus 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, pendant El Niño de 1997-1998, une forte augmentation du CO2 a été largement due aux incendies en Indonésie. Le dernier El Niño en 2015-2016 a également entraîné une hausse du CO2, mais la cause était probablement un mélange complexe d'effets à travers les tropiques - y compris la photosynthèse réduite en Amazonie, libération de CO2 dans le sol due à la température en Afrique et incendies en Asie tropicale.

Ces deux exemples de variabilité interannuelle du cycle du carbone, à la fois au niveau mondial et régional, reflètent ce que nous croyons maintenant - à savoir, cette 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, de même que les vastes zones agricoles et les vastes forêts tropicales et zones humides d'Amérique du Sud. Mesures de dioxyde de carbone, le méthane et le 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 utiliser pour retourner dans l'espace. Ce « flash » 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 utilisera lors d'une mission antérieure, l'Observatoire du carbone en orbite 2 (OCO-2). OCO-2 a été lancé sur une orbite terrestre basse en 2014 et mesure le CO2 depuis l'espace depuis, passant de pôle en pôle plusieurs fois par jour alors que la Terre tourne sous elle.

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 regardera 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 d'une couverture nuageuse régulière, GeoCarb ciblera chaque jour les régions sans nuage avec des modèles de numérisation flexibles. Des revisites quotidiennes montreront l'évolution de la biosphère en temps quasi réel aux côtés de satellites météorologiques tels que GOES 16, qui est situé à 105 degrés ouest, aider 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 des combustibles fossiles et les changements d'utilisation des terres, comme le défrichage 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, parce que 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.

Faire cette distinction est essentiel, nous ne supposons donc pas que les émissions de CO2 induites par l'homme proviennent d'une diminution de l'activité des plantes ou d'une libération naturelle de CO2 du sol. Si nous pouvons distinguer les émissions d'origine humaine des émissions 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 pour comprendre le système global carbone-climat. Le méthane est produit par les systèmes naturels, comme les zones humides, et par les activités humaines telles que la production de gaz naturel. Nous ne comprenons pas la partie méthane du cycle du carbone ainsi que le CO2. Mais 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 exactement 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 une perte de revenus 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 fuites les plus importantes avec seulement quelques jours d'observations. La recherche de fuites réduira les coûts pour les producteurs d'énergie et réduira l'empreinte carbone du gaz naturel. Actuellement, les entreprises énergétiques trouvent des fuites en envoyant du personnel avec un équipement de détection sur les sites de fuites suspectées. Les nouveaux capteurs aéroportés pourraient rendre le processus moins cher, mais ils sont encore déployés de manière 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, CH4 et CO dans l'atmosphère. Ces remarques, ainsi que des mesures directes de l'activité photosynthétique à partir des observations SIF, élèvera notre compréhension du cycle du carbone à un nouveau niveau.

Pour la première fois, nous pourrons observer l'hémisphère occidental inspirer et expirer chaque jour, et de voir les saisons changer à travers les yeux de la biosphère. Fort 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.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.