elke boom, zelfs een groenblijvende kan een luchtkwaliteitsmonitor zijn. Dat concluderen onderzoekers van de Universiteit van Utah die het magnetisme van fijnstof hebben gemeten aan de naalden van groenblijvende bomen op de U-campus. Die meting, ze vonden, verband met de algemene luchtkwaliteit, wat suggereert dat analyse van de naalden - een relatief eenvoudig en goedkoop proces - een hoge resolutie zou kunnen opleveren, het hele jaar door een beeld van de luchtkwaliteit.

"Overal waar je een boom hebt, heb je een datapunt, " zegt Grant Rea-Downing, een doctoraatsstudent in de geologie en geofysica. "Een boom kost geen $ 250 om in te zetten. We zullen de verdeling van fijnstof in een zeer hoge resolutie in kaart kunnen brengen tegen zeer lage kosten."

De resultaten zijn gepubliceerd in GeoHealth .

Hoe magnetische deeltjes op bladeren terechtkomen

Rea-Downing en zijn collega's - universitair hoofddocent Pete Lippert en medestudenten Courtney Wagner en Brendon Quirk - zijn allemaal geowetenschappers van de afdeling Geologie en Geofysica wiens reguliere onderzoek zich op een heel andere schaal afspeelt dan dennennaalden.

"Dagelijks, "Lippert zegt, "We verplaatsen bergen en sluiten oceaanbekkens door het magnetisme van rotsen te gebruiken om de geografie van voormalige continenten te achterhalen."

In een cursus getiteld "The Magnetic Earth, " Lippert introduceerde Rea-Downing, Wagner en Quirk naar artikelen van Britse onderzoekers die het magnetisme van bladverliezende bladeren hebben gemeten om de luchtkwaliteit te beoordelen. "Ik wist dat de studenten versteld zouden staan ​​van wat de studie liet zien, en wat de implicaties van de bevindingen waren, ' zegt Lippert.

Fijnstof in de lucht is afkomstig van vele bronnen, inclusief natuurlijk verwaaid stof, remstof en het bijproduct van de verbranding van vaste of fossiele brandstoffen.

"Dat is spul in de lucht, "Lippert zegt, "en het moet ooit uitkomen."

Als het wat uit de lucht valt, natuurlijk, valt op boombladeren en groenblijvende naalden. Sommige deeltjes bevatten ijzer, met genoeg om detecteerbaar te zijn door het soort zeer nauwkeurige magnetometers dat Lippert in zijn geologisch werk gebruikt. Het ijzerhoudende fijnstof in de lucht kan te klein zijn om te zien, maar magnetisme, hij zegt, is een manier om het onzichtbare te zien.

De kranten maakten indruk op Rea-Downing, die de luchtkwaliteit van Salt Lake City in schril contrast zag met de normaal schone lucht van zijn geboorteland aan de kust van Californië. Hij kon de methode gemakkelijk toepassen in Lipperts onderzoekslab.

"Het soort heuvel dat je moest beklimmen om dit te doen, was eigenlijk vrij vlak, "zegt hij. "We hebben bomen buiten, we hebben seizoensgebonden slechte luchtkwaliteit en we hebben een volledig uitgerust paleomagnetisch laboratorium, wat betekent dat ik letterlijk gewoon naar buiten moest lopen en wat bladeren van bomen moest trekken en in een magnetometer moest steken."

"We zijn niet de eersten die het magnetisme van dennennaalden onderzoeken om de luchtkwaliteit te controleren, "Lippert zegt, "maar niemand had dit geprobeerd om winterinversies in de stroomgebieden van het Amerikaanse Westen te bestuderen."

Met financiële steun van het U's Global Change and Sustainability Center, gingen de onderzoekers aan de slag.

Sylvan schildwachten

Het team selecteerde vier Oostenrijkse dennenbomen op de U-campus om te proeven. Drie van de bomen stonden in een lijn loodrecht op North Campus Drive, een intensief gebruikte campusader, met elke boom achtereenvolgens verder van de rijbaan. De vierde was in de buurt van het Union-gebouw, weg van het verkeer. Ze verzamelden twee keer dennennaalden:een keer in juni 2017 na een zomer met relatief goede lucht en opnieuw in december 2017 tijdens de slechtste luchtkwaliteit van die winter.

Met haar fijnstoffilterende stofmasker op, Wagner verzamelde de decembermonsters in wat ze beschreef als een "ijskoude doodsmist, " omdat een temperatuuromkering in de hele vallei had geleid tot een dikke gelige mist en rijp op de dennennaalden. Terug in het lab, het team sneed de naalden zorgvuldig in korte segmenten met behulp van een keramische schaar om metaalverontreiniging te voorkomen en stopte ze in de magnetometers.

Een van hun experimenten onthulde dat de magnetisatie van de naalden van december bijna drie keer hoger was dan die van juni. Nog een magnetisch experiment, uitgevoerd bij superlage temperaturen, suggereerde dat de ijzerhoudende deeltjes die tijdens de inversie zijn afgezet extreem klein zijn (sommige zo klein als 1/5000 van de breedte van een mensenhaar) en ontdekten dat ze zijn samengesteld uit magnetiet, een ijzermineraal dat zoals de naam doet vermoeden, is van nature magnetisch. Het team onderzocht de naalden ook onder een elektronenmicroscoop en bevestigde dat de naalden van december aanzienlijk vuiler waren. De concentratie, grootte en samenstelling van de deeltjes zijn allemaal door andere onderzoeken in verband gebracht met de gezondheidsrisico's van luchtverontreiniging.

Ook keken ze naar de elementen die in het fijnstof aanwezig zijn. De hoeveelheden ijzer in het stof correleerden met hoeveelheden andere elementen zoals titanium, vanadium en zirkonium, "en een verscheidenheid aan andere dingen die verband houden met remstof of verbranding van fossiele brandstoffen, ' zegt Lippert.

Andere elementen in de deeltjes werden geassocieerd met katalysatoren, hij zegt, die chemische katalysatoren gebruiken om uitlaatgassen te ontgiften. "En die concentraties, geen verrassing, zijn het hoogst in de buurt van de weg."

Vergelijking van de bomen op verschillende afstanden van de rijbaan toonde een afname van de concentratie magnetische deeltjes over een afstand van 50 tot 50 voet. Dat kan te maken hebben met de afstand tot de auto's, zeggen de onderzoekers, maar mogelijk ook naar hoogte, terwijl de dwarsdoorsnede van bomen een kleine heuvel opging.

kunstmatige grenen

Nu heeft het team de krachten gebundeld met atmosferische wetenschapper Gannet Hallar en chemisch ingenieur Kerry Kelly om andere vragen te onderzoeken die de studie opriep. Ze ontwikkelden een nieuw soort passieve luchtmonitor:een 3D-geprint, kunstmatige dennentak met naalden om fijnstof op te vangen. De kunstmatige naalden worden naast natuurlijke naalden geïnstalleerd en kunnen dienen als een experimenteel platform om beter te begrijpen hoe en wanneer deeltjes zich nestelen op groenblijvende naalden, resultaten die ze direct kunnen vergelijken met metingen van deeltjesverdelingen gemeten door apparatuur in de laboratoria van Hallar en Kelly.

"Als we een sterke regenbui krijgen, kunnen we voor en na die regen gaan verzamelen en kijken of dit signaal gewoon wordt weggespoeld elke keer dat je een regengebeurtenis hebt, "zegt Rea-Downing. "Of absorberen de biologische naalden eigenlijk materiaal en houden ze dat signaal eigenlijk langer vast dan de synthetische naalden?"

Met elke boom als potentieel datapunt, dennennaaldanalyse zou een uitgebreider inzicht kunnen geven in de wat, wanneer en waarom van luchtvervuiling in stedelijke gebieden, met variatie in luchtkwaliteit op de schaal van tientallen voet. De analyse is eenvoudig en goedkoop, zegt Lippert.

"We hebben al veel bomen in het landschap, ' zegt Lippert. 'Ze zijn vrij laag geprijsd. Dit democratiseert dus ons vermogen om luchtvervuiling in de vallei te monitoren. Dit is gemakkelijk te exporteren naar elke community. Het stelt ons in staat meer te doen met minder, of dat is onze hoop."