Måling af biologisk støv i vinden

I den populære børnehistorie "Horton Hears a Who!" Forfatteren Dr. Seuss fortæller om en blid og beskyttende elefant, der falder over et støvkorn, der huser et samfund af mikroskopiske væsner kaldet Whos, der lever i den lige så lille by Whoville. Gennem deres rejse sammen, Horton argumenterer for eksistensen af ​​Whos, der rejser rundt i luften på en støvplet, mens tvivlere bestrider konklusionen. Ultimativt, gennem observation, beviser for organismerne dukker op, men uanset resultatet, denne plet ændrede en verden større end dens egen.

Selvom denne fortælling er et fiktionsværk, klima- og atmosfæriske forskere har overvejet et virkeligt Whoville-scenario-biologiske partikler og uorganisk materiale, der kører rundt i atmosfæren og påvirker klimaet. Tidligere forskning har vist, at nogle aerosoler er meget gode til at nukleere is, som kunne danne skyer i troposfæren. Men på grund af kompleks atmosfærisk kemi og mangel på data, forskere er ikke sikre på, hvor stor en procentdel af disse isaktive partikler der er biologiske i naturen og rigeligt nok i troposfæren til at have indflydelse på klimaet. Desuden, kemisk at analysere de metaforiske Whos fra deres plet har vist sig svært - indtil nu.

Atmosfæriske videnskabsforskere i programmet i atmosfærer, Oceans and Climate (PAOC) i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS) har fundet en måde at differentiere biologisk materiale i atmosfæren (bioaerosoler) fra ikke-biologiske partikler med en højere nøjagtighed end andre metoder, ved hjælp af maskinlæring. Når det anvendes på tidligere indsamlede atmosfæriske prøver og data, deres resultater understøtter bevis for, at disse bioaerosoler globalt set i gennemsnit udgør mindre end 1 procent af partiklerne i den øvre troposfære – hvor de kunne påvirke skydannelsen og i forlængelse heraf, klimaet – og ikke omkring 25 til 50 procent, som tidligere forskning tyder på.

Arbejdet, ledet af MIT lektor i atmosfærisk kemi Dan Cziczo og kandidatstuderende Maria Zawadowicz, blev offentliggjort i sidste uge i tidsskriftet Atmosfærisk kemi og fysik .

Bioaerosoler i et komplekst klimasystem

Bioaerosoler, en delmængde af atmosfæriske aerosoler, er biologiske partikler eller væsker suspenderet i luften på et givet tidspunkt. Disse emissioner består af hele og fragmenterede luftbårne bakterier, svampesporer, gær, vira, pollen, og andre materialer fra miljøet. Deres solide, ikke-biologiske modparter, uorganiske aerosoler, omfatter materialer såsom mineralstøvpartikler såsom apatit og monazit, og industrielle forbrændingsprodukter som flyveaske.

Forskere har længe været interesseret i bioaerosoler på grund af deres potentiale til at danne cirrus-isskyer, som har store konsekvenser for klimaet – hvilket afspejler, absorberende, og transmitterer sollys samt termisk infrarød stråling fra Jorden. Bakterier som Pseudomonas syringae bruger deres kernedannende egenskaber til at danne iskrystaller på tomatplanter, og mennesker brugte dem til at skabe kunstig sne. Mens atmosfærisk og klimamodellering tyder på, at bioaerosoler, i gennemsnit globalt, ikke er rigelige og effektive nok til at fryse til betydeligt at påvirke skydannelse, forskningsresultaterne har varieret betydeligt.

"Der har været megen debat for nylig - de sidste fem til syv år - om hvor meget biologisk materiale der er i atmosfæren, " Cziczo siger. "[Undersøgelsens resultater] er overalt på kortet, men der er en klynge af undersøgelser, der siger, at det er nogle få procent af den atmosfæriske aerosol, og der er nogle få undersøgelser, der siger, at det er meget, 25 procent eller 50 procent. Også, det er slags de to lejre, der har været derude, og du kan forestille dig, at disse har virkelig forskellige effekter på vores klimasystem, på nedbør, om kemi."

Indtil nu, at indsamle og foretage positiv identifikation af bioaerosoler har været vanskelig. Målteknikker, der er specifikke for bioaerosol, omfatter filtersamling kombineret med elektronmikroskopi eller optisk mikroskopi med fluorescerende farvning. Forskere har også brugt in-situ fluorescens med en bredbånds integreret bioaerosolsensor (WIBS), udover at måle partiklernes former og størrelser. Problemet med dette er interferens - bioaerosoler viser sig ofte at have kemiske signaturer, der ligner røg, en uorganisk aerosol. Derudover forskere har forsøgt at dyrke prøver til mikrobielle stammer, samt analysere deres data offline, i laboratoriet. Disse teknikker injicerer betydelig usikkerhed i målingerne, og nogle undersøgelser rapporterede bioaerosolkoncentrationer, der var større end den samlede opnåede aerosolmåling. hvilket er umuligt.

Hvis det ikke var kompliceret nok, aerosoler bliver kemisk og fysisk ændret, når de kommer ind i troposfæren, interagerer med andre atmosfæriske forbindelser, og jo længere de er der, før de falder ud, jo mere de ældes og blandes. Endelig, alt dette varierer efter region, sæson, klima, og højde, som kan påvirke målinger, yderligere udvisker grænsen mellem bioaerosoler og uorganiske aerosoler, og gør kvantificering udfordrende.

Cziczos forskningsgruppe er interesseret i indbyrdes forhold mellem partikler og skydannelse. Hans team anvender laboratorie- og feltundersøgelser til at belyse, hvordan små partikler interagerer med vanddamp til dannelse af dråber og iskrystaller, som er vigtige aktører i Jordens klimasystem. Eksperimenter omfatter brug af små skykamre i laboratoriet til at efterligne atmosfæriske forhold, der fører til skydannelse og observation af skyer in situ fra fjerntliggende bjergtopsteder eller gennem brug af forskningsfly.

Nedbrydning af aerosol

"En af de ting, som vi havde mistanke om, var, at de tidligere måder at bestemme biologisk materiale på sandsynligvis overtællede [deres overflod], fordi de så og karakteriserede andre ting som værende biologiske, der virkelig ikke var det, " siger Cziczo.

Zawadowicz tilføjer:"Alt i atmosfæren er meget stærkt forarbejdet. Det er det, der forvirrer mange af disse målinger".

Så, i et forsøg på at tøjle usikkerheden omkring bioaerosoler i atmosfæren og begrænse deres indflydelse på skydannelsesprocesser, Cziczo og Zawadowicz, sammen med samarbejdspartnere ved National Oceanic and Atmospheric Administration, udviklet en teknik, der kobler en teknik kaldet partikelanalyse ved lasermassespektrometri (PALMS) med maskinlæring. Her, enkeltpartikelmassespektrometri bruges til at fjerne og ionisere aerosoler én ad gangen, nedbryde dem i ionfragmenter og klynger, som derefter detekteres af instrumentet. Hver aerosol, der analyseres på denne måde, producerer et spektrum med identificerbare træk ved dets sammensætning, som et kemisk fingeraftryk.

Gruppen udnyttede tilstedeværelsen af ​​fosfor i massespektrene til at træne klassificeringsmaskinlæringsalgoritmen på kendte prøver og derefter, primet, anvendte det på feltdata erhvervet fra Desert Research Institutes Storm Peak Laboratory i Steamboat Springs, Colorado, og fra undersøgelsen af ​​kulstofholdige aerosol- og strålingseffekter baseret i byen Cool, Californien.

"Så, hvad Maria gjorde var, at hun greb en hel række forskellige partikler, med fokus på biologiske, bakterie, både i levende og død tilstand, svampesporer, pollen, gær, næsten alt hvad du kan forestille dig, der kan blive til et atmosfærisk partikelformigt, " siger Cziczo. "Og hun fandt måder at sprede disse materialer og derefter bringe dem ind i instrumentet, så vi kunne se deres sammensætning."

Nogle partikler blev kemisk ældet for at efterligne atmosfæriske interaktioner, andre, fysisk nedbrudt, så de var små nok til at blive analyseret og forstøvet.

Velvidende, at de vigtigste atmosfæriske emissioner af fosfor kommer fra mineralstøv, forbrændingsprodukter, og biologiske partikler, de udnyttede tilstedeværelsen af ​​fosfat og organiske nitrogenioner og deres karakteristiske forhold i kendte prøver til at klassificere partiklerne. I bioaerosoler, fosfor forekommer for det meste i fosfolipid -dobbeltlag og nukleinsyrer, der henviser til, at i mineralsk støv som apatit og monazit, det findes som i form af calciumphosphat. Men delingen er ikke skåret og tørret; forbindelser som jordstøv kan omfatte interne blandinger af biologiske og uorganiske komponenter.

Når først de er analyseret, andre spektrale toppe og markører blev brugt til at give yderligere bevis for klassificeringen som biologisk eller ikke-biologisk og øge tilliden til algoritmen og dens resultater.

"Vi fandt ud af, at hvis vi laver nogle forhold mellem visse komponenter i massespektret, er der visse klynger, der danner, og vi brugte nogle avancerede statistiske teknikker til at skille klyngerne ad og se hvilke signaturer der er biologiske og hvilke der ikke er, " siger Zawadowicz. Den nye teknik var i stand til præcist at klassificere 97 procent af spektrene, og når det anvendes på spektre fra feltdata, fandt ud af, at mindre end 1 procent var biologisk for det globale gennemsnit. Opgørelser over fosforemissioner var med til at bekræfte dette.

Det usandsynlige i en ægte Whoville

Mens listen over testede bioaerosoler og anvendte datasæt – som ikke omfattede steder og tidspunkter med høj og lav bioaerosolkoncentration – ikke var udtømmende, gruppen fandt overbevisende beviser på, at når det kom til cirrusskydannelse, bioaerosoler var en usandsynlig synder. Tidligere forskning antog, at det meste af det fosfor, der findes i atmosfæren, var biologisk, men Cziczo påpeger, at dette er i konflikt med opgørelser af fosforemissioner, antyder, at uorganiske forbindelser ofte blev forvekslet med biologiske. For Cziczo var denne konstatering af, at bioaerosoler i gennemsnit tegnede sig for under 1 procent, den rygende pistol.

"Det er ikke nok at sige, at en partikel er god til at atomere is, det skal også have en overflod, der får den skydannelse til at ske. Og det ser meget mindre sikkert ud nu, hvor vi har nok af disse biologiske stoffer til at skabe den effekt, som nogle mennesker har foreslået i litteraturen, " siger Cziczo. "I stedet, det er meget mere sandsynligt, at der er andre ting, der forårsager iskernedannelsen, såsom mineralstøvpartiklerne."

Selvom Cziczo og Zawadowicz' forskning har kastet mere skygge over eksistensen af ​​en "Whoville, " de siger, at deres arbejde lige er begyndt.

"Så nu, hvor vi har en forståelse af, hvordan det [bioaerosol tilstedeværelse i atmosfæren] ser ud, og vi har nogle feltdata for at sige, hvor rigeligt det er på forskellige årstider på forskellige steder, spørgsmålet er:Får modellerne det rigtige? "siger Cziczo, der har planer om at samarbejde med EAPS Senior Research Scientist Chien Wang og Colette Heald lektor i MIT Department of Civil and Environmental Engineering med en fælles ansættelse i EAPS, som begge også undersøger og modellerer aerosol- og klimapåvirkninger. Siger Cziczo, "Vi vil se på at arbejde med dem i fremtiden og se, om vi kan samle alle disse data - laboratoriedataene, feltdata, og modellerne sammen."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.