驚人的二氧化碳模擬圖：碳循環研究的重要一步

NASA一項最新的超級計算機項目利用了衛星測量的二氧化碳數據，結合複雜的地球系統模型，呈現出目前為止還原度最高的圖像，展示了二氧化碳，這一最重要的溫室氣體，在大氣中是如何運動的。近幾十年中，科學家依靠一些地點的地基感測器來追蹤具有吸熱能力的二氧化碳濃度上升的情況。最新的數據成果用高解析度的可視化結果提供了一個完全不同的觀測角度，其數據來自由NASA位於加州帕薩迪那的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)負責建造和運行的軌道碳觀測者2號(Orbiting Carbon Observatory-2, OCO-2)，

可視化結果由NASA位於馬里蘭州格林貝爾特(Greenbelt)的戈達德航天飛行中心(Goddard Space Flight Center)的全球建模與同化辦公室(Global Modeling and Assimilation Office, GMAO)生成。

3D可視化結果以驚人的細節呈現了2014年9月至2015年9月期間二氧化碳在全球大氣層中增加，減少和流動時形成的複雜圖樣。以下是二氧化碳通過大氣層的視頻。

二氧化碳在地球大氣層吸收熱量方面起著重要作用。一些人類活動比如燃燒化石燃料會排放一些氣體，而二氧化碳的濃度則隨季節變化移動和增減。藉助OCO-2的觀測數據，科學家們將2014年9月1日至2015年8月31日期間大氣中的碳移動軌跡建模。通過這樣的模型，科學家能更好地理解與預測人類在地面的行為會使哪裡的二氧化碳濃度呈現高值或低值。

來源：NASA戈達德航天飛行中心/K. Mersmann, M. Radcliff

大氣中的二氧化碳就像地球的恆溫器。溫室氣體濃度上升導致地球目前長期處於變暖的趨勢中，背後最主要的原因就是燃燒化石燃料獲取能源的行為。可視化圖像中突出了科學家目前正在研究的方向，他們試圖理解控制排放出的二氧化碳在大氣中的留存量和留存時間—這些問題會最終將決定地球未來的氣候。

科學家了解到近半數人類活動生成的氣體排放物被陸地和海洋吸收了。目前的結果顯示50%左右的氣體排放物留在了大氣中，25%被陸地上的植物吸收，25%被海洋吸收。但是這看似簡單的數字卻留給科學家留下了一系列複雜的重要問題：生態系統，尤其是陸地上的，能吸收多少二氧化碳？也許其中最重要的是，隨著排放量的上升，陸地和海洋的吸收率還能保持在這個比例么，或是會達到飽和？

NASA戈達德航天飛行中心OCO-2科學組中的碳循環科學家Lesley Ott解釋說新的數據集是回答這些問題的重要一步，科學家需要理解驅動「碳通量」(二氧化碳在大氣，陸地和海洋間的流通交換)的整個過程。

「我們還不能以高解析度測算全球範圍內的碳通量情況，」她說，「我們正嘗試在建造的工具能提供精確的圖像，告訴我們大氣中發生了什麼，並將其轉化成一幅便於我們理解碳通量變化的精確圖像。我們還有很長的路要走，但是這是在探索二氧化碳之旅中重要和必須的一步。」

關於軌道碳觀測者2號(OCO-2)

2014年7月2日，美國聯合發射聯盟(United Launch Alliance)的德爾塔2號運載火箭搭載OCO-2從范登堡空軍基地發射升空，將測量全球的二氧化碳分布。

OCO-2於2014年發射升空，是NASA第一台專門用於測量區域內大氣二氧化碳含量而設計製造的衛星。

「自從2014年9月以來，OCO-2每天都能傳回近10萬條全球二氧化碳估值數據，OCO-2科學組組長David Crisp說，「我們在GMAO的同事開發的建模工具對於分析和解讀這樣的高解析度數據集特別關鍵。」

GMAO之前在GEOS地球系統模型中納入了二氧化碳數據，該模型被用於各種大氣相關研究中。新的數據產品在上述成果的基礎上利用數據同化技術在模型上結合了OCO-2的觀測結果。「數據同化是將模型模擬結合真實測量數據的過程,其所需的精度，解析度和覆蓋範圍反映了我們對二氧化碳在地球表面和大氣中交換過程的最好理解。」GMAO研究員Brad Weir解釋道。

可視化結果以領域內前所未有的細節度展現了全球二氧化碳的信息：一年內北半球二氧化碳的升降；大陸，山脈和洋流對氣候圖像以及因此對二氧化碳移動的影響；例如美國大農業帶這樣的地區，其高度活躍的光合作用所引起的區域性影響。

儘管細節豐富的二氧化碳起伏很吸引眼球，這也提醒了GMAO主任Steven Pawson科學家們正用電腦建模地球系統的進度。未來的一個方向是將更複雜的生物學模塊整合到模型中，從而對森林和其他陸地生態系統中二氧化碳吸收和釋放相關問題採取更有針對性的研究。

這次呈現的結果展示了NASA在地球觀測和建模中獨特的能力。同時也強調了NASA各中心間內部協作能力和計算能力的價值。同化利用了一個叫戈達德地球觀測系統模型5(Goddard Earth Observing System Model-5, GEOS-5)的模型，由戈達德NASA氣候模擬中心的發現者號超級計算機集群運行。

「把數據整合到一起就花了我們好幾年的時間，」Pawson說，「這次數據集中的細節度之高，讓我們對於模型和觀測結果開始呈現一致的碳循環結果感到很樂觀。」

來源：NASA中文愛好者團隊