研究人员首次在全球范围内发现了由于人类活动的排放而导致的大气二氧化碳的短期、区域性波动。通过结合NASA的卫星和大气模型，科学家们对人类二氧化碳排放的变化进行了首次检测。这项新研究使用了来自NASA轨道碳观测站-2(OCO-2)的数据--从太空测量COVID-19大流行期间二氧化碳排放量的下降。
随着每日和每月的数据产品现在可以向公众提供，这为近乎实时地跟踪人类活动对二氧化碳浓度的集体影响提供了新的可能性。
以往的研究调查了大流行初期封锁的影响，研究人员们发现2020年全球二氧化碳水平略有下降。然而通过将OCO-2的高分辨率数据跟NASA戈达德地球观测系统(GOES)的建模和数据分析工具相结合，该团队得以缩小哪些月度变化是由人类活动引起的、哪些是由区域范围内的自然原因引起的。这证实了之前基于经济和人类活动数据的估计。
该小组的测量结果显示，在北半球，人类产生的二氧化碳浓度增长从2020年2月到5月发生下降但在夏季反弹，这跟该年全球排放量减少3%到13%相一致。
该团队表示，这些结果代表了研究人员在研究气候变化的区域影响和跟踪缓解战略的结果方面的一个飞跃。这种方法可以在大气中的二氧化碳发生后的一两个月内检测到它们的变化并提供关于人类和自然排放如何演变的快速、可操作的信息。
辨别地球大气的微妙变化
二氧化碳是存在于大气中的一种温室气体，它的浓度由于自然过程如植物的呼吸作用、与世界海洋的交换和人类活动如化石燃料的燃烧和砍伐森林而发生变化。自工业革命以来，大气中的二氧化碳浓度增加了近49%，2013年在人类历史上首次超过了百万分之400。
当政府要求公民在COVID-19大流行中提前待在家里时，路上的汽车减少意味着释放到大气中的温室气体和污染物的数量陡然下降。位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的NASA全球建模和同化办公室的研究气象学家Lesley Ott指出，但对于二氧化碳，“急剧下降”需要放在背景中。这种气体在释放后可以在大气中持续一个世纪，这就是为什么短期变化可能会在整个全球碳循环中消失--这是一个吸收和释放的序列，它涉及自然过程和人类过程。2020年初的锁定只是这一年二氧化碳总量的一个小部分。
“2020年初，我们看到澳大利亚的火灾释放了二氧化碳，我们看到印度上空的植物吸收了更多的二氧化碳，我们看到所有这些不同的影响混在一起。我们面临的挑战是试图分解这一点并了解所有不同的组成部分是什么，”Ott说道。
直到最近，用卫星技术测量这类变化是不可能的。NASA的OCO-2号卫星拥有高精度的光谱仪，旨在收集更小的二氧化碳波动并跟全面的GEOS地球系统模型相结合，这是发现跟大流行病有关的变化的完美选择。
“OCO-2并不是为监测排放而设计的，但它的设计可以看到比我们用COVID看到的更小的信号，”研究的论文第一作者Brad Weir表示，“我们希望这个测量系统能够检测到像COVID这样的巨大破坏。”
据悉，Weir是戈达德和摩根州立大学的研究科学家。他解释称，OCO-2任务的研究目标之一是跟踪人类的排放是如何响应气候政策而转变的，这些政策预计将产生小的、渐进的二氧化碳变化。
研究小组将测量到的大气中的二氧化碳变化跟独立估计的锁定导致的排放变化进行了比较。除了证实那些其他的估计之外，排放模型和大气中的二氧化碳测量之间的一致性提供了强有力的证据，它们证明这些减少是由于人类活动造成的。
GEOS贡献了关于风的模式和其他影响二氧化碳排放和运输的自然天气波动的重要信息。Ott表示：“这项研究真的是把所有的东西都集中在一起来解决了一个非常困难的问题。”
仔细观察温室气体
研究小组的结果显示，从2020年2月到5月，北半球的二氧化碳浓度增长下降（对应于全球排放量减少3%和13%），这跟计算机模拟的活动限制和自然影响应该如何影响大气的情况一致。
南半球的信号并不明显，这要归功于另一个破纪录的气候异常现象：印度洋偶极(IOD)。IOD是一种东南亚海洋比正常温度低、东印度洋海洋比正常温度高或相反的周期性模式。在2019年底和2020年初，IOD经历了一个强烈的正相，在撒哈拉以南非洲产生了一个丰收的季节并促成了澳大利亚创纪录的火灾季节。该团队表示，这两个事件都强烈地影响了碳循环，这使得检测COVID锁定的信号变得困难--但也证明了GEOS/OCO-2在未来跟踪自然二氧化碳波动的潜力。
GEOS/OCO-2的数据为NASA、ESA和JAXA合作的COVID-19 Earth Observing Dashboard的指标之一提供了动力。据悉，Dashboard汇编了全球数据和指标，以跟踪封锁、大幅减少运输和其他跟COVID有关的行动是如何影响地球的生态系统。
GEOS-OCO-2的同化产品可供免费下载，这使得想要进一步调查的研究人员和学生可以使用它。
Ott表示：“科学家们可以到这个dashboard上说，‘我在二氧化碳信号中看到一些有趣的东西；那可能是什么？’在这些数据集中，有各种我们没有接触过的东西，我认为它帮助人们以一种新的方式进行探索。”
该团队表示，在未来，新的同化和分析方法也可以用来帮助监测气候减缓计划和政策的结果，尤其是在社区或区域层面。
Ott称：“有能力监测我们的气候是如何变化的，知道这项技术已经准备好了，这是我们非常自豪的事情。”