La comprensión del ciclo del carbono en la Tierra es muy importante ya que los gases de carbono en la atmósfera son esenciales para el crecimiento de las plantas y otras especies, tanto en la tierra como en el océano. El carbono en la atmósfera es responsable del crecimiento de las plantas a través de la fotosíntesis, mientras que el carbono que se transfiere de la atmósfera al océano permite el desarrollo del fitoplancton marino y los arrecifes. Por otra parte, la concentración de gases de carbono, también llamados de efecto invernadero, contribuyen a regular la temperatura de la Tierra a través de absorber la radiación solar mediante procesos que todavía no se comprenden a cabalidad.
Para efectos de mejorar la comprensión del ciclo del carbono en la Tierra, la NASA ha desarrollado una misión que tiene como propósito medir con precisión las concentraciones de bióxido de carbono, metano y monóxido de carbono (CO2, CH4 y CO) en la atmósfera a través de la medición de las bandas de absorción de estos gases en el infrarrojo cercano a partir de la luz del sol reflejada desde la tierra. A esta misión se le ha llamado GEOcarb (Observatorio Geoestacionario del Ciclo del Carbono por sus siglas en inglés), y la realizará un instrumento que se colocará en una órbita geoestacionaria a 36,000 Km de altura sobre el ecuador que se planea poner en operación alrededor del 2021.
GEOcarb medirá la concentración total de bióxido de carbono, metano y monóxido de carbono en la atmósfera con una resolución espacial del orden de 5 kilómetros. También GEOcarb medirá la fluorescencia-solar inducida, una señal directamente relacionada con los cambios en la fotosíntesis de la vegetación y el estrés de las plantas. La resolución espacial y temporal que proporcionará GEOcarb, abre la posibilidad a monitorear fuentes localizadas de emisión de gases de efecto invernadero tales como plantas generadoras de energía.
La misión GEOcarb fue ideada por el Dr. Berrien Moore III, un distinguido científico de la Universidad de Oklahoma con mucha experiencia en el estudio del ciclo del carbono y su influencia en el cambio climático. La misión resultó triunfadora de un concurso propuesto por la NASA. La NASA ha presupuestado 166 millones de dólares para desarrollar el GEOcarb.
En vez de ser un satélite independiente, GEOcarb será una carga útil hospedada en un satélite comercial de comunicaciones. Esto es importante, ya que si demuestra que GEOcarb puede volar como carga útil alojada en un satélite comercial, la misión intensificará la colaboración de la NASA con la industria de satélites comerciales y demostrará que este modelo se puede utilizar en otras aplicaciones.
Otros actores relevantes en la misión son el Centro de Tecnología Avanzada de Lockheed Martin en Palo Alto, California; SES soluciones de gobierno; la Universidad Estatal de Colorado en Fort Collins; el Centro de Investigación Ames de la NASA en Moffett Field, California, el Centro de Vuelo Espacial Goddard en Greenbelt, Maryland, y el Jet Propulsion Laboratory en Pasadena, California.
El instrumento
GEOcarb observa la luz infrarroja reflejada y emitida desde la superficie de la tierra a la atmósfera. La abundancia de CO2, CH4, CO y O2 se obtiene a través de espectrometría y se expresa como el número de moléculas de gas en una columna por encima de una unidad de área en la superficie.
Principio de operación
Conforme la luz del sol pasa a través de la atmósfera terrestre y se refleja desde la superficie de la Tierra, las moléculas de los gases atmosféricos absorben frecuencias específicas de la luz. Si la luz se divide en un arco iris de colores, llamado espectro, los colores específicos absorbidos por cada gas aparecen como líneas oscuras. Los diferentes gases absorben diferentes frecuencias, por lo que el patrón de líneas de absorción proporciona una "huella espectral” para cada gas. La cantidad de luz absorbida en cada línea espectral aumenta con el número de moléculas del gas en cuestión a lo largo de la trayectoria óptica. GEOcarb será capaz de medir la fracción de la luz absorbida en cada una de las líneas espectrales con una precisión muy alta para así determinar el número de moléculas a lo largo de la columna atmosférica.
GEOcarb contiene dos espectrómetros de rejilla, cada uno con dos canales. Cada canal se puede representar de acuerdo a la Figura 1, en donde la rejilla de difracción descompone la luz recogida por el instrumento en las frecuencias que la componen y un detector fotoeléctrico mide la intensidad de las franjas de absorción de cada gas de efecto invernadero. Cada uno de los canales cubre una de cuatro regiones del espectro de acuerdo a la longitud de onda: La banda A del oxígeno en 0.763 micrones, las bandas débil y fuertes del CO2, cerca de 1.61 y 2.06 micrones y, una región cerca 2.32 micrones para CO y CH4.
Recordemos que la frecuencia y la longitud de onda de la luz están relacionadas por la ecuación:
Donde f es la frecuencia en Hz,
c es la velocidad de la luz en m/seg (300,000 m/seg, aproximadamente), y
λ, la longitud de onda en metros.
GEOcarb está diseñado para proporcionar una medición continua de la concentración de gases de efecto invernadero en escalas continentales varias veces por día con una resolución espacial de unos pocos kilómetros. El instrumento adquiere simultáneamente datos de una línea que contiene 1016 pixeles de 2.7 Km de ancho orientados según la dirección Norte Sur y opera en un modo de barrido en incrementos de 3 Km en la dirección EW. El sistema tarda aproximadamente 4.46 segundos en registrar cada línea de 1016 pixeles, para luego pasar a la siguiente. Este tiempo de registro de la muestra permite aumentar la exactitud de las mediciones.
Para efectos de controlar la exactitud de las mediciones es muy importante que la posición y orientación del instrumento localizado a 36,000 Km de altura en una órbita geoestacionaria se conozcan con precisión. La orientación de la línea de vista a la que apunta el instrumento se obtiene a través del uso de varios instrumentos de precisión entre los que se encuentran un “seguidor de estrellas” de doble cabezal, codificadores ópticos de alta precisión para los espejos de exploración y un receptor GPS. Todos estos instrumentos estarán montados sobre un banco óptico altamente estable. El instrumento estará enfriado a 1250 K. En la Figura 2 se puede ver la disposición propuesta de los componentes de GEOCarb. Nótese que la dirección Z apunta hacia la Tierra.
Fig. 2 Disposición de los componentes del GEOcarb
Otros instrumentos
GEOcarb, no es el primer instrumento espacial que se dedicará a medir las concentraciones de gases de efecto invernadero. Actualmente hay varios satélites dedicados a realizar estas mediciones que operan en órbitas heliosíncronas de baja altura, entre los que destaca el Orbiting Carbon Observatory -2 de las NASA (OCO-2). La ventaja del GeoCarb
respecto a los instrumentos actuales, es que operará en una órbita geoestacionaria, con lo que se podrá realizar mediciones muy frecuentes, del orden de minutos, de una misma región de la Tierra, a diferencia de los instrumentos en órbita baja que tienen tiempos de revisita del orden de semanas.
La figura siguiente nos puede ilustrar lo anterior, en donde se presenta un caso hipotético en donde GeoCarb está muestreando la Ciudad de México. El instrumento toma una línea continua de 1016 pixeles orientada según la dirección Norte-Sur y hace un barrido horizontal, según la dirección Este-Oeste. Como cada pixel mide 2.7 Km en la dirección Norte-Sur, la línea tiene una longitud de 2,133 Km (1016x2.7). El sistema entonces realiza un barrido hacia el Oeste y se tarda del orden de 4.46 segundos para tomar una medición en una región de 3km de ancho. Lo anterior hace que pueda cubrir una región de 40.7 Km de ancho (E-W) por 2,133 Km de largo (N-S) en aproximadamente 1 minuto. Esto le da una gran ventaja con respecto a las mediciones de un instrumento en órbita baja como el OCO-2, ya que éste vuelve a pasar sobre una misma muestra cada 16 días.
Fig. 4 Muestreo de la Ciudad de México utilizando GEOcarb
Por sus características, GEOcarb podrá muestrear grandes regiones urbanas varias veces al día y así podrá relacionar sus mediciones con las fuentes de generación de gases de efecto invernadero, casi en tiempo real. Es por esto que se espera que los hallazgos de GEOcarb mejoren la comprensión del clima en la Tierra y proporcionen información fundamental para mejorar la predicción del cambio climático y el establecimiento de planes para mitigar el cal
