Stedsegrønne nåle fungerer som luftkvalitetsmonitorer

Hvert træ, selv en stedsegrøn, kan være en luftkvalitetsmonitor. Det er konklusionen fra forskere ved University of Utah, der målte magnetismen af ​​partikler på nålene af stedsegrønne træer på U-campus. Den måling, de fandt, relateret til den generelle luftkvalitet, antyder, at analyse af nålene - en relativt enkel og billig proces - kunne give en høj opløsning, helårsbillede af luftkvaliteten.

"Hvor end du har et træ, har du et datapunkt, " siger Grant Rea-Downing, en doktorand i geologi og geofysik. "Et træ koster ikke 250 $ at implementere. Vi vil være i stand til at kortlægge partikelfordelinger i en meget høj opløsning til meget små omkostninger."

Resultaterne offentliggøres i GeoSundhed .

Hvordan magnetiske partikler ender på blade

Rea-Downing og hans kolleger - lektor Pete Lippert og medstuderende Courtney Wagner og Brendon Quirk - er alle geovidenskabsmænd i Institut for Geologi og Geofysik, hvis regelmæssige forskning er på en meget anden skala end fyrrenåle.

"Dag til dag, Lippert siger, "vi flytter bjerge og lukker havbassiner ved at bruge klippernes magnetisme til at finde ud af geografien på tidligere kontinenter."

I et kursus med titlen "The Magnetic Earth, " Lippert introducerede Rea-Downing, Wagner og Quirk til artikler fra britiske forskere, der målte magnetismen af ​​løvfældende blade for at vurdere luftkvaliteten. "Jeg vidste, at de studerende på en måde ville få deres sind blæst af, hvad undersøgelsen viste, og hvad konsekvenserne af resultaterne var, siger Lippert.

Partikler i luften kommer fra mange kilder, inklusive naturligt vindblæst støv, bremsestøv og biproduktet af afbrænding af fast eller fossilt brændstof.

"Det er ting i luften, Lippert siger, "og det skal ud engang."

Når noget af det falder ud af luften, selvfølgelig, falder på træblade og stedsegrønne nåle. Nogle af partiklerne indeholder jern, med nok til at kunne spores af den slags højpræcisionsmagnetometre, som Lippert bruger i sit geologiske arbejde. De jernholdige partikler i luften kan være for små til at se, men magnetisme, han siger, er en måde at se det usete på.

Aviserne gjorde indtryk på Rea-Downing, som så Salt Lake Citys luftkvalitet i skarp kontrast til den normalt rene luft i hans hjemlige kystnære Californien. Han kunne sagtens anvende metoden i Lipperts forskningslaboratorium.

"Den slags bakke at bestige for at gøre dette var faktisk ret flad, " siger han. "Vi har træer udenfor, vi har sæsonmæssigt dårlig luftkvalitet, og vi har et fuldt udstyret palæomagnetisk laboratorium, hvilket betyder, at jeg bogstaveligt talt bare skulle gå udenfor og trække nogle blade af nogle træer og stikke dem i et magnetometer."

"Vi er ikke de første til at udforske grannålenes magnetisme for at overvåge luftkvaliteten, Lippert siger, "men ingen havde prøvet dette for at studere vinterinversioner i bassinerne i det amerikanske vest."

Med økonomisk støtte fra U's Global Change and Sustainability Center, forskerne gik på arbejde.

Sylvan vagtposter

Holdet udvalgte fire østrigske fyrretræer på U-campus til at prøve. Tre af træerne var i en linje vinkelret på North Campus Drive, en meget brugt campusarterie, med hvert træ successivt længere væk fra kørebanen. Den fjerde var nær Unionsbygningen, væk fra trafikken. De samlede fyrrenåle to gange:én gang i juni 2017 efter en sommer med relativt god luft og igen i december 2017 under noget af vinterens dårligste luftkvalitet.

Med sin partikel-stof-filtrerende støvmaske på, Wagner indsamlede decemberprøverne i, hvad hun beskrev som en "frysende dødståge, ", da en temperaturomvending i hele dalen havde ført til en tyk gullig tåge og frost på fyrrenålene. Tilbage i laboratoriet, holdet skar forsigtigt nålene i korte segmenter ved hjælp af keramiske sakse for at undgå metalforurening og satte dem i magnetometrene.

Et af deres eksperimenter viste, at magnetiseringen af ​​decembernålene var næsten tre gange højere end juninålene. Endnu et magnetisk eksperiment, udføres ved superlave temperaturer, foreslog, at de jernholdige partikler, der blev aflejret under inversionen, er ekstremt små (nogle så små som 1/5000 af bredden af ​​et menneskehår) og fandt ud af, at de er sammensat af magnetit, et jernmineral, der som navnet antyder, er naturligt magnetisk. Holdet undersøgte også nålene under et elektronmikroskop og bekræftede, at decembernålene var betydeligt mere snavsede. Koncentrationen, størrelsen og sammensætningen af ​​partiklerne er i andre undersøgelser blevet forbundet med sundhedsrisici ved luftforurening.

De så også på de elementer, der var til stede i partiklerne. Mængden af ​​jern i støvet korrelerede med mængden af ​​andre grundstoffer som titanium, vanadium og zirconium, "og en række andre ting, der er forbundet med bremsestøv eller forbrænding af fossile brændstoffer, siger Lippert.

Andre elementer i partiklerne var forbundet med katalysatorer, han siger, som bruger kemiske katalysatorer til at afgifte udstødningen. "Og de koncentrationer, ingen overraskelse, er højest nær vejkanten."

Sammenligning af træerne i forskellige afstande fra vejbanen viste et fald i koncentrationen af ​​magnetiske partikler over en afstand på 50 til 150 fod. Det kan skyldes afstand fra bilerne, siger forskerne, men muligvis også til højde, da transekten af ​​træer gik op ad en lille bakke.

Kunstigt fyrretræ

Nu er holdet gået sammen med atmosfærisk videnskabsmand Gannet Hallar og kemiingeniør Kerry Kelly for at udforske andre spørgsmål, som undersøgelsen rejste. De udviklede en ny slags passiv luftmonitor - en 3-D printet, kunstig fyrregren med nåle til at fange partikler. De kunstige nåle er installeret sammen med naturlige nåle og kan tjene som en eksperimentel platform til mere klart at forstå, hvordan og hvornår partikler sætter sig på stedsegrønne nåle, resultater, de kan sammenligne direkte med målinger af partikelfordelinger målt med udstyr i Hallars og Kellys laboratorier.

"Hvis vi får en kraftig regn, kan vi gå og samle før og efter den regn og se, om dette signal bare bliver skyllet væk, hver gang du har en regnbegivenhed, " siger Rea-Downing. "Eller absorberer de biologiske nåle faktisk materiale og holder faktisk på det signal i længere tid end de syntetiske nåle?"

Med hvert træ som et potentielt datapunkt, fyrrenålsanalyse kunne give et mere omfattende indblik i hvad, hvornår og hvorfor af luftforurening i byområder, viser variation i luftkvaliteten på skalaen over snese af fod. Analysen er ligetil og billig, siger Lippert.

"Vi har allerede mange træer ude i landskabet, " siger Lippert. "De er ret lave omkostninger. Så dette demokratiserer vores evne til at overvåge luftforurening på tværs af dalen. Dette kan nemt eksporteres til ethvert fællesskab. Det giver os mulighed for at gøre mere med mindre, eller det er vores håb."