美国国家航空航天局科学首次实现了对人类二氧化碳排放减少的检测

研究人员首次发现，由于人类活动的排放，全球大气二氧化碳（CO2）的短期区域波动。

科学家们结合美国国家航空航天局的卫星和大气建模，首次对人类二氧化碳排放的变化进行了检测。这项新研究使用了美国国家航空航天局轨道碳观测站-2（OCO-2）的数据，以测量新冠肺炎大流行期间太空二氧化碳排放量的下降。随着每日和每月的数据产品向公众开放，这为近实时跟踪人类活动对二氧化碳浓度的集体影响开辟了新的可能性。

先前的研究调查了疫情早期封锁的影响，发现2020年全球二氧化碳水平略有下降。然而，通过将OCO-2的高分辨率数据与美国国家航空航天局戈达德地球观测系统（GEOS）的建模和数据分析工具相结合，该团队能够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。这证实了以前基于经济和人类活动数据的估计。

该团队的测量结果显示，在北半球，人类产生的二氧化碳浓度增长从2020年2月到5月有所下降，并在夏季反弹，与今年全球排放量下降3%到13%一致。

该团队表示，这些结果代表着研究气候变化区域影响和跟踪缓解策略结果的研究人员的一次飞跃。该方法可以在大气二氧化碳变化发生一两个月后检测到这些变化，从而提供关于人类和自然排放如何演变的快速、可行的信息。

与新冠肺炎相关的封锁让科学家们意外地详细了解了人类活动如何影响大气成分。最近的两项研究，一项关注氮氧化物，另一项研究二氧化碳浓度，能够以前所未有的细节检测到封锁的大气“指纹”。

辨别地球大气层的细微变化

二氧化碳（CO2）是一种存在于大气中的温室气体，其浓度因自然过程而变化，如植物的呼吸、与世界海洋的交换，以及化石燃料燃烧和森林砍伐等人类活动。自工业革命以来，大气中的二氧化碳浓度增加了近49%，2013年人类历史上首次超过百万分之400。

当政府在新冠肺炎大流行早期要求公民留在家中时，道路上的汽车数量减少意味着排放到大气中的温室气体和污染物数量急剧下降。但马里兰州格林贝尔特戈达德航天飞行中心NASA全球建模和同化办公室的研究气象学家莱斯利•奥特表示，对于二氧化碳，“急剧下降”需要放在背景下。这种气体释放后可以在大气中持续长达一个世纪，这就是为什么全球碳循环中可能会失去短期变化的原因——这是一个涉及自然过程和人类过程的吸收和释放序列。2020年初的封锁只是今年二氧化碳排放总量的一小部分。

Ott说：“2020年初，我们在澳大利亚看到了释放二氧化碳的火灾，我们看到印度各地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交织在一起。”“挑战在于试图理清这一点，并理解所有不同的组成部分是什么。”

直到最近，用卫星技术还无法测量这些变化。美国国家航空航天局的OCO-2卫星具有高精度光谱仪，设计用于探测二氧化碳的更小波动，并与全面的全球测地系统地球系统模型相结合，非常适合发现与疫情相关的变化。

“OCO-2不是为监测排放而设计的，但它的设计目的是看到比我们在新冠肺炎中看到的更小的信号，”主要作者、戈达德和摩根州立大学的研究科学家Brad Weir说。Weir解释说，OCO-2任务的研究目标之一是跟踪人类排放量如何随着气候政策的变化而变化，预计气候政策将导致二氧化碳的微小而渐进的变化。“我们希望这个测量系统能够检测到像新冠肺炎这样的巨大破坏。”

该团队将测量到的大气二氧化碳变化与封锁导致的排放变化的独立估计进行了比较。除了证实这些其他估计之外，排放模型和大气二氧化碳测量之间的一致性提供了强有力的证据，证明这些减少是由于人类活动造成的。

全球测地系统提供了关于影响二氧化碳排放和运输的风型和其他自然天气波动的重要信息。Ott说：“这项研究真的是把所有的东西结合在一起，来解决一个极其困难的问题。”

仔细观察温室气体

该团队的结果显示，从2020年2月到5月，北半球二氧化碳浓度的增长有所下降（相当于全球排放量分别下降了3%和13%），这与活动限制和自然影响应如何影响大气的计算机模拟一致。

由于另一个破纪录的气候异常：印度洋偶极子（IOD），南半球的信号并不那么清晰。IOD是一种周期性模式，东南亚海洋比正常海洋凉爽，东印度洋海洋比正常海水温暖（“正”相）或相反（“负”相）。2019年末和2020年初，IOD经历了一个非常积极的阶段，在撒哈拉以南非洲收获颇丰，并为创纪录的澳大利亚火灾季节做出了贡献。该团队表示，这两起事件都严重影响了碳循环，使检测新冠疫情封锁的信号变得困难，但也证明了GEOS/OCO-2在未来追踪自然二氧化碳波动的潜力。

GEOS/OCO-2数据为新冠肺炎地球观测仪表板中的指标之一提供了动力，该仪表板是NASA、欧洲航天局和日本宇宙航空研究开发机构之间的合作伙伴。该仪表盘汇编了全球数据和指标，以跟踪封锁、交通大幅减少和其他与新冠肺炎相关的行动如何影响地球生态系统。

GEOS-OCO-2同化产品可免费下载，研究人员和想要进一步研究的学生可以访问该产品。

“科学家可以走到这个仪表板上说，‘我在二氧化碳信号中看到了一些有趣的东西；那可能是什么？’”Ott说。“在这些数据集中，我们还没有涉及到各种各样的事情，我认为这有助于人们以一种新的方式进行探索。”

该团队表示，未来，新的同化和分析方法还可以用于帮助监测气候缓解计划和政策的结果，特别是在社区或地区层面。

Ott说：“我们非常自豪能够监测我们的气候变化，知道这项技术已经准备就绪。”