De regio rond de stad Galena aan de rivier de Mississippi, Illinois, liep bijna een eeuw aan de lijn.

De stad dankt zijn naam aan de lokale overvloed aan de natuurlijke minerale vorm van lood. Tegen het midden van de 19e eeuw, in het Galena-gebied werd 80 procent van het in de Verenigde Staten geproduceerde lood gedolven en geraffineerd. Galena-lood kwam in alles terecht, van glas-in-loodramen tot kogels.

Het bewijs van Galena's loodproductie is bijna 200 jaar later opgedoken en zo'n 800 mijl verderop in wat misschien een onwaarschijnlijke plaats lijkt:Lake Matoaka op de campus van William &Mary.

Maar het blijkt dat Lake Matoaka een geologisch ideale opslagplaats is van atmosferische deeltjes. Een team van William &Mary-geologen onder leiding van Jim Kaste en Nick Balascio heeft het tijdcapsule-sediment van Lake Matoaka gedolven om bewijs te vinden dat de ontwikkeling van de industriële revolutie en het tijdperk van de auto volgt. Hun gegevens bieden inzichten over klimaatverandering en werpen zelfs licht op enkele lege plekken in het lokale historische record.

Het was vroeger Archer's Hope Swamp

"Matoaka is een soort interessant exemplaar omdat het een heel vroege vormingsdatum heeft, waarvan we denken dat het rond 1700 is, " zei Balascio. De opstuwing was oorspronkelijk bekend als Ludwell's Mill Pond, gecreëerd door de afdamming van een wetlandcomplex dat bekend staat als Archer's Hope Swamp. Balascio, een assistent-professor bij de afdeling Geologie, voegde eraan toe dat naast de leeftijd, de bijzondere geologie van het gebied maakt het Matoaka-meer tot een geoarcheologische goudmijn, figuurlijk spreken.

"Het is ook binnen de kustvlakte, wat betekent gemakkelijk geërodeerd gesteente. Dus de sedimentatiesnelheden in Matoaka zijn echt vrij hoog, "Zei Balascio. "Dat stelt ons in staat om vroegere milieuveranderingen en vervuilingsgeschiedenis met een werkelijk hoge resolutie op te lossen."

Hun Matoaka-boringen hebben veel meer geregistreerd dan de loodsmelterijen van Galena, biedt niet minder dan een sedimentaire reis door het oostelijke Noord-Amerikaanse antropoceen. Ze publiceerden hun geoarcheologische bevindingen in het tijdschrift antropoceen met een all-William &Mary-lijst van co-auteurs:Keck Lab-directeur Randy Chambers, Meredith Meijer, een onderzoeks- en laboratoriumspecialist bij VIMS; en studenten Madison Renshaw '18 en Kassandra Smith '17.

Het Antropoceen-artikel is zeker niet het laatste woord over het onderwerp. De Matoaka-boring is een doorlopend project en heeft een stroom van onderwerpen opgeleverd voor studenten van de afdeling Geologie.

"We hebben studenten centimeter voor centimeter door het sediment laten zoeken, ' zei Kaste.

"We hebben vier of vijf scripties gedaan over het sediment van Lake Matoaka, " voegde Balascio toe. "Elke student heeft naar één individuele meting gekeken en we hebben ze in de loop der jaren min of meer geïntegreerd."

SPC's:een overblijfsel van kolenvuren

Een van die studenten is Kayla Cahoon '18, die een presentatie gaf op een lunchbijeenkomst van docenten en studenten verbonden aan William &Mary's Environmental Science &Policy-programma. Haar individuele meting was kleine stukjes die bekend staan ​​als sferoïdale koolstofhoudende deeltjes, of SPC's.

"Ze komen van het verbranden van steenkool. Als je steenkool verbrandt, gebeuren er twee belangrijke dingen. Er is het spul dat op de bodem van de oven achterblijft dat steenkoolas wordt genoemd, ' legde Cahoon uit. 'En dan zijn er nog de deeltjes die door het rookkanaal de atmosfeer in komen. Dat is wat bekend staat als vliegas."

Ze ging verder met te zeggen dat SCP's vijf tot tien procent vertegenwoordigen van al het vliegas van elke brandende steenkoolbron. Drijvend vliegas - en de SCP's die het bevat - kan overal in de atmosfeer drijven van één kilometer tot duizenden kilometers van de bron, zei Cahoon.

Cahoon bestudeerde een kern van het Matoaka-meer die teruggaat tot de tijd dat de dam voor het eerst werd gebouwd. Ze bereidde haar kernmonster voor in een reeks bijtende baden:salpeterzuur, waterstof peroxide, fluorwaterstofzuur en zoutzuur.

"Ik wilde al het vuil en modder en dat soort dingen opeten om alleen deze koolstofdeeltjes achter te laten, ' zei ze. 'Toen monteerde ik die op dia's en besteedde uren aan het tellen van punten. Op en neer en op en neer voor elke dia."

SPC's zijn, gemiddeld, tussen de 20 en 30 micron groot. Cahoon onderzocht haar dia's op een scanning elektronenmicroscoop in William &Mary's Integrated Science Center, maar haar werkpaardinstrument was een binoculaire reflectiemicroscoop.

De pieken en dalen vergelijken met historische gegevens

Cahoon en haar collega-geoarcheologische onderzoekers tellen die stukjes vervuiling, zodat ze de relatieve hoeveelheid deeltjes uit de kernen kunnen vergelijken met historische gegevens. In het geval van Cahoon zag ze een piek in de SCP's die overeenkwam met het begin van de Amerikaanse Burgeroorlog in 1861. Er was een nog grotere piek vanaf ongeveer 1914 in 1918, overeenkomend met de Eerste Wereldoorlog.

"Toen kwamen treinen, vliegtuigen en auto's echt op gang, en we zagen een enorme toename van fossiele brandstoffen, "zei ze. Ze vond nog een verhoging, overeenkomend met het begin van de Tweede Wereldoorlog - meer treinen en vliegtuigen en auto's.

En er waren dalingen. Cahoon zei dat de eerste nationale koolstofemissiewetgeving in 1973 van kracht werd, geregistreerd in het sediment van Lake Matoaka als een daling in SCP's. In 1993 werd opnieuw een daling van het SCP opgetekend, toen de koolstofdeeltjes bij kolengestookte elektriciteitscentrales werden opgevangen in rookgaswassers en op stortplaatsen terechtkwamen.

Al die pieken en dalen komen naar voren in andere studies van sedimentkernen, maar Cahoon zei dat ze iets dichter bij huis had gevonden. Iets wat ze in haar uitgebreide literatuuroverzicht niet had gezien.

"Ik vond een piek aan het eind van de 18e eeuw, die consistent is met de Revolutionaire Oorlog en ook met de groei van Williamsburg, ' zei ze. 'Niemand anders had dit in de literatuur. Niemand anders had enige vorm van SCP-deeltjesverzameling vóór 1830 of daaromtrent."

"Ik begon me echt te verdiepen in het historische aspect hiervan. Ik vond een aantal dingen die we allemaal weten, " zei Cahoon. "In 1699, Williamsburg werd de hoofdstad van Virginia en het was hier tot 1780.

"Maar het was niet alleen de politieke hoofdstad, het was ook de industriële hoofdstad, " vervolgde ze. "Er gebeurde een grote hoeveelheid industrie hier in Williamsburg. De primaire was de James Anderson Armory."

Het James Anderson-arsenaal, of een nagebouwde versie ervan, is in bedrijf in Colonial Williamsburg. Cahoon interviewde Ken Schwartz, meester smid in de faciliteit, en namen ook monsters van hun smederijvuren en rookkanalen. De Anderson Armory van het begin van de 18e eeuw was een plaats van aanzienlijke activiteit.

"We weten dat van 1765 tot 1780, hij runde acht smederijen per dag, 18 uur per dag, ' zei ze. 'Allemaal brandende kolen. Dus wat we ons realiseerden, is dat we een echt uniek verhaal hebben over het gebruik van fossiele brandstoffen, ruim voor het begin van de industriële revolutie. Voor alle fabrieken. Voordat alle treinen arriveerden."

De vervuiling van gisteren =de datapunten van vandaag

De verontreinigende stoffen van het verleden zijn de datapunten van het heden. Het archiefsediment van Lake Matoaka heeft meer dan SCP's geregistreerd. Kaste is universitair hoofddocent op de afdeling geologie en is momenteel directeur van William &Mary's Environmental Science &Policy Program. Hij legde uit dat lood en kwik extra bijproducten zijn van de verbranding van kolen.

"Dus waar je SCP's hebt, je kunt verwachten dat je die zware metalen verontreinigingen hebt - het is verbazingwekkend hoe nauw die gegevens overeenkomen met SCP-gegevens, " hij zei.

Maar, kwik komt uit andere bronnen dan het verbranden van steenkool in het milieu. Een studentenproject keek naar kwik en Kaste zei dat ze vlak voor 1900 een kwikpiek hadden gevonden. Het was een overblijfsel van de munten uit die tijd.

"Er was veel zilverwinning in de Verenigde Staten van 1880 tot 1890, hij zei. "Als je mijnen voor zilver of lood, je de mijne voor kwik per ongeluk, omdat ze geassocieerd zijn met hetzelfde gesteentetype. Dus als je aan zilvermijnbouw doet, uiteindelijk stoot je veel kwik de atmosfeer in."

De verhalende chemische handtekening van lood

zoals kwik, lood komt het milieu binnen vanuit een aantal bronnen buiten kolenvuren. Looddeeltjes worden ook geproduceerd door het smelten van lood, natuurlijk. Kaste zei dat de sedimentkernen een consistente stijging van de loodconcentratie lieten zien van 1700 tot 1750, consistent met de industriële groei van Williamsburg in het koloniale tijdperk.

"Wat interessant is, is dat je een drop-off ziet direct na de Amerikaanse Revolutie, "zei hij. "Dit komt overeen met historische gegevens die suggereren dat Williamsburg een beetje afviel nadat de hoofdstad naar Richmond was verplaatst."

Een andere piek verscheen rond 1860, consistent met de top van de Galena-loodindustrie. Kaste legde uit dat ze het verschil kunnen zien tussen lood van een smelterij en lood van een kolenvuur of andere bronnen. (Mercury heeft vergelijkbare diagnostische chemische kenmerken.)

"Lood heeft verschillende isotopensignaturen, "zei hij. "Er is lood 206, 207, 208. Steenkool, bijvoorbeeld, is verrijkt met lood 207, terwijl de verwering van sedimenten is verrijkt met een andere isotoop."

Hun geavanceerde chemische analyse kan ook de bron van gesmolten looderts onthullen Kaste zei dat het looderts uit de Galena-regio een zeer onderscheidende chemische handtekening heeft. Het ertslichaam in het hogere Midwesten dat de Galena-smelterijen voedde, werd uiteindelijk uitgegraven. en Kaste, Balascio en hun studenten waren in staat om de achteruitgang van Galena-lood in hun Matoaka-boringen te traceren. Maar lood kwam terug.

"We zien de Tweede Wereldoorlog - een grote sprong rond 1942, "Zei Kaste. "Dat komt van de loodmijnbouw die verband houdt met het maken van alle kogels voor de oorlogsinspanning. De mijnbouw was daar vooral in Idaho."

Na de oorlog zei Kaste dat er een lichte dip was, en toen ging Amerika een tijdperk in dat hij 'pieklood' noemde.

"In de jaren 1960, wij gebruiken lood in benzine. Elke keer dat je je tank hebt gevuld, je stopt tetraethyllood in je benzinetank, "Zei Kaste. "En toen je op het gaspedaal drukte en gas verbrandde, het lood ging uit je uitlaat en het ging omhoog en bewoog een paar honderd mijl en kwam toen weer naar beneden als het regende."

En de vaststelling van de wetgeving voor schone lucht in 1977 en de komst van loodvrije benzine werden naar behoren opgemerkt door een nogal plotselinge verdwijning van bepaalde loodisotopen in het sediment van het Matoaka-meer.

"Als ik inleidende milieuwetenschap en -beleid doceer, Ik gebruik dit graag als voorbeeld van wetgeving die werkte, " Kaste said. "You can see this in ice cores, you can see this in lake sediments. Once we made the lead illegal to put in gasoline, the atmosphere got cleaned up pretty quickly."