Каждое дерево, даже вечнозеленое, может выступать монитором качества воздуха. К такому выводу пришли исследователи из Университета Юты, которые измерили магнетизм твердых частиц на иглах вечнозеленых деревьев в университетском городке. Они обнаружили, что это измерение коррелирует с общим качеством воздуха. Соответственно, анализ игл, относительно простой и недорогой процесс, может обеспечить круглогодичную картину качества воздуха с высоким разрешением.
«Если у вас есть дерево, то есть и точка с данными», – рассказывает Грант Реа-Даунинг, аспирант кафедры геологии и геофизики. «Развертывание дерева не стоит 250 долларов. Мы сможем отображать распределение твердых частиц с очень высоким разрешением за небольшую плату».
Результаты опубликованы в журнале GeoHealth.
Как магнитные частицы попадают на листья
Реа-Даунинг и его коллеги: доцент Пит Липперт, а также аспиранты Кортни Вагнер и Брендон Куирк, ученые с факультета геологии и геофизики, которые регулярно исследуют сосновую хвою.
«Изо дня в день мы перемещаем горы и закрываем океанические впадины, используя магнетизм горных пород для определения географии бывших континентов», – рассказывает Липперт.
Липперт познакомил своих коллег с работой британских ученых, которые измерили магнетизм листьев деревьев, чтобы оценить качество воздуха.
«Я знал, что студенты будут в восторге от того, что показало исследование, и каковы были последствия полученных результатов», – рассказывает Липперт.
Твердые частицы в воздух поступают из многих источников, включая естественную пыль, переносимую ветром, тормозную пыль и побочные продукты сжигания твердого или ископаемого топлива.
«Это то, что витало в воздухе, кто-то должен был обратить внимание», – рассказывает Липперт.
Когда частицы падают вниз, они остаются и на листьях деревьях и на вечнозеленой хвое. Некоторые из частиц содержат железо, которого достаточно, чтобы их можно было обнаружить с помощью высокоточных магнитометров, которые Липперт использует в своих геологических работах. Железосодержащие твердые частицы в воздухе могут быть слишком маленькими, чтобы увидеть их, но, по его словам, магнетизм – это способ увидеть невидимое.
Работа британских ученых произвела впечатление на Реа-Даунинга, который увидел, что качество воздуха в Солт-Лейк-Сити резко контрастирует с обычно чистым воздухом в его родной прибрежной Калифорнии. Он мог легко применить этот метод в исследовательской лаборатории Липперта.
«Все было у нас под носом. На улицах растут деревья, у нас плохое качество воздуха в зависимости от сезона, и у нас есть полностью оборудованная палеомагнитная лаборатория, а это означает, что мне буквально пришлось просто выйти на улицу, сорвать листья с некоторых деревьев и вставить их в магнитометр», – рассказывает он.
«Мы не первые, кто исследовал магнетизм хвои для контроля качества воздуха», – отмечает Липперт. «Но никто не пробовал это делать для изучения зимних инверсий в бассейнах американского Запада».
При финансовой поддержке Центра глобальных изменений и устойчивого развития Университета штата Юты исследователи приступили к работе.
Лесные стражи
Команда выбрала четыре австрийских сосны в университетском городке для проб. Деревья располагались перпендикулярно основной дороге, активно используемой жителями. Каждое дерево последовательно удалялось от проезжей части. Четвертое дерево находился возле здания Союза, вдали от транспорта. Они собирали хвою дважды: один раз в июне 2017 года после лета с относительно хорошим воздухом и снова в декабре 2017 года во время одного из худших зимних периодов.
Надев пылезащитную маску, фильтрующую твердые частицы, Вагнер собрала декабрьские пробы в «ледяном смертельном тумане», поскольку температурная инверсия по всей долине привела к густому желтоватому туману и инею на сосновых иглах. Вернувшись в лабораторию, команда осторожно разрезала иглы на короткие сегменты с помощью керамических ножниц, чтобы избежать загрязнения металлами, и поместила их в магнитометры.
Один из их экспериментов показал, что намагниченность декабрьских игл почти в три раза выше, чем июньских. Другой магнитный эксперимент, проведенный при сверхнизких температурах, показал, что железосодержащие частицы, осажденные во время инверсии, чрезвычайно малы (некоторые размером до 1/5000 ширины человеческого волоса), и обнаружил, что они состоят из магнетита, минерала железа. Команда также исследовала иглы под электронным микроскопом и подтвердила, что декабрьские были значительно грязнее. Концентрация, размер и состав частиц были связаны другими исследованиями с опасностью загрязнения воздуха для здоровья.
Они также изучили элементы, присутствующие в твердых частицах. Количество железа в пыли коррелирует с количеством других элементов, таких как титан, ванадий и цирконий, «и множеством других вещей, которые связаны с тормозной пылью или сжиганием ископаемого топлива», – говорит Липперт.
По его словам, другие элементы в твердых частицах связаны с каталитическими нейтрализаторами, которые используют химические катализаторы для детоксикации выхлопных газов. «И эта концентрация, что неудивительно, самая высокая у обочины дороги».
Сравнение деревьев на разном расстоянии от проезжей части показало падение концентрации магнитных частиц на расстоянии от 15 до 45 метров. Исследователи говорят, что это может быть связано с расстоянием до автомобилей, но, возможно, и с высотой, поскольку деревья поднимались по холму.
Искусственная сосна
После этого команда объединила усилия с Ганнетом Халларом, изучающим атмосферу, и инженером-химиком Керри Келли, чтобы изучить другие вопросы, поднятые исследованием. Они разработали новый вид пассивного монитора воздуха – искусственную ветку сосны, напечатанную на 3D-принтере с иглами для улавливания твердых частиц. Искусственные иглы устанавливаются рядом с естественными и могут служить экспериментальной платформой для более четкого понимания того, как и когда частицы оседают на вечнозеленые растения. Полученные результаты, могут напрямую сравниваться с измерениями распределения частиц с помощью оборудования в лабораториях Халлара и Келли.
«Если у нас будет сильный дождь, мы можем пойти и собрать образцы до и после дождя и посмотреть, не смывается ли сигнал», – рассказывает Реа-Даунинг. «Интересно также проверить насколько дольше настоящие иглы удерживают сигнал по сравнению с синтетическими».
Каждое дерево – потенциальная точка для анализа данных, дающая более полное представление о том, что, когда и почему происходит загрязнение воздуха в городских районах, показывающая различия в качестве воздуха в масштабе десятков метров. По словам Липперта, анализ прост и недорог.
«У нас уже есть много деревьев на ландшафте, анализы довольно дешевы. Так что это демократизирует нашу способность контролировать загрязнение воздуха в долине. Экспорт в любое сообщество также прост. Это помогает сокращать затраты», – отмечает он.