研究人員首次在全球範圍內發現了由於人類活動的排放而導致的大氣二氧化碳的短期、區域性波動。通過結合NASA的衛星和大氣模型，科學家們對人類二氧化碳排放的變化進行了首次檢測。這項新研究使用了來自NASA軌道碳觀測站-2(OCO-2)的數據–從太空測量COVID-19大流行期間二氧化碳排放量的下降。
隨着每日和每月的數據產品現在可以向公眾提供，這為近乎實時地跟蹤人類活動對二氧化碳濃度的集體影響提供了新的可能性。
以往的研究調查了大流行初期封鎖的影響，研究人員們發現2020年全球二氧化碳水平略有下降。然而通過將OCO-2的高分辨率數據跟NASA戈達德地球觀測系統(GOES)的建模和數據分析工具相結合，該團隊得以縮小哪些月度變化是由人類活動引起的、哪些是由區域範圍內的自然原因引起的。這證實了之前基於經濟和人類活動數據的估計。
該小組的測量結果顯示，在北半球，人類產生的二氧化碳濃度增長從2020年2月到5月發生下降但在夏季反彈，這跟該年全球排放量減少3%到13%相一致。
該團隊表示，這些結果代表了研究人員在研究氣候變化的區域影響和跟蹤緩解戰略的結果方面的一個飛躍。這種方法可以在大氣中的二氧化碳發生后的一兩個月內檢測到它們的變化並提供關於人類和自然排放如何演變的快速、可操作的信息。
辨別地球大氣的微妙變化
二氧化碳是存在於大氣中的一種溫室氣體，它的濃度由於自然過程如植物的呼吸作用、與世界海洋的交換和人類活動如化石燃料的燃燒和砍伐森林而發生變化。自工業革命以來，大氣中的二氧化碳濃度增加了近49%，2013年在人類歷史上首次超過了百萬分之400。
當政府要求公民在COVID-19大流行中提前待在家裡時，路上的汽車減少意味着釋放到大氣中的溫室氣體和污染物的數量陡然下降。位於馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心的NASA全球建模和同化辦公室的研究氣象學家Lesley Ott指出，但對於二氧化碳，“急劇下降”需要放在背景中。這種氣體在釋放后可以在大氣中持續一個世紀，這就是為什麼短期變化可能會在整個全球碳循環中消失–這是一個吸收和釋放的序列，它涉及自然過程和人類過程。2020年初的鎖定只是這一年二氧化碳總量的一個小部分。
“2020年初，我們看到澳大利亞的火災釋放了二氧化碳，我們看到印度上空的植物吸收了更多的二氧化碳，我們看到所有這些不同的影響混在一起。我們面臨的挑戰是試圖分解這一點並了解所有不同的組成部分是什麼，”Ott說道。
直到最近，用衛星技術測量這類變化是不可能的。NASA的OCO-2號衛星擁有高精度的光譜儀，旨在收集更小的二氧化碳波動並跟全面的GEOS地球系統模型相結合，這是發現跟大流行病有關的變化的完美選擇。
“OCO-2並不是為監測排放而設計的，但它的設計可以看到比我們用COVID看到的更小的信號，”研究的論文第一作者Brad Weir表示，“我們希望這個測量系統能夠檢測到像COVID這樣的巨大破壞。”
據悉，Weir是戈達德和摩根州立大學的研究科學家。他解釋稱，OCO-2任務的研究目標之一是跟蹤人類的排放是如何響應氣候政策而轉變的，這些政策預計將產生小的、漸進的二氧化碳變化。
研究小組將測量到的大氣中的二氧化碳變化跟獨立估計的鎖定導致的排放變化進行了比較。除了證實那些其他的估計之外，排放模型和大氣中的二氧化碳測量之間的一致性提供了強有力的證據，它們證明這些減少是由於人類活動造成的。
GEOS貢獻了關於風的模式和其他影響二氧化碳排放和運輸的自然天氣波動的重要信息。Ott表示：“這項研究真的是把所有的東西都集中在一起來解決了一個非常困難的問題。”
仔細觀察溫室氣體
研究小組的結果顯示，從2020年2月到5月，北半球的二氧化碳濃度增長下降（對應於全球排放量減少3%和13%），這跟計算機模擬的活動限制和自然影響應該如何影響大氣的情況一致。
南半球的信號並不明顯，這要歸功於另一個破紀錄的氣候異常現象：印度洋偶極(IOD)。IOD是一種東南亞海洋比正常溫度低、東印度洋海洋比正常溫度高或相反的周期性模式。在2019年底和2020年初，IOD經歷了一個強烈的正相，在撒哈拉以南非洲產生了一個豐收的季節並促成了澳大利亞創紀錄的火災季節。該團隊表示，這兩個事件都強烈地影響了碳循環，這使得檢測COVID鎖定的信號變得困難–但也證明了GEOS/OCO-2在未來跟蹤自然二氧化碳波動的潛力。
GEOS/OCO-2的數據為NASA、ESA和JAXA合作的COVID-19 Earth Observing Dashboard的指標之一提供了動力。據悉，Dashboard彙編了全球數據和指標，以跟蹤封鎖、大幅減少運輸和其他跟COVID有關的行動是如何影響地球的生態系統。
GEOS-OCO-2的同化產品可供免費下載，這使得想要進一步調查的研究人員和學生可以使用它。
Ott表示：“科學家們可以到這個dashboard上說，‘我在二氧化碳信號中看到一些有趣的東西；那可能是什麼？’在這些數據集中，有各種我們沒有接觸過的東西，我認為它幫助人們以一種新的方式進行探索。”
該團隊表示，在未來，新的同化和分析方法也可以用來幫助監測氣候減緩計劃和政策的結果，尤其是在社區或區域層面。
Ott稱：“有能力監測我們的氣候是如何變化的，知道這項技術已經準備好了，這是我們非常自豪的事情。”