I den populära barnberättelsen "Horton Hears a Who!" författaren Dr Seuss berättar om en mild och skyddande elefant som stöter på en dammfläck som har en gemenskap av mikroskopiska varelser som kallas Whos som lever i den lika lilla staden Whoville. Under deras resa tillsammans, Horton argumenterar för förekomsten av de som reser runt i luften på en dammfläck, medan tvivlare bestrider fyndet. I sista hand, genom observation, bevis för organismerna dyker upp, men oavsett resultatet, denna fläck förändrade en värld större än sin egen.

Även om denna berättelse är ett skönlitterärt verk, klimat- och atmosfärsforskare har övervägt ett verkligt Whoville-scenario-biologiska partiklar och oorganiskt material som rider runt i atmosfären och påverkar klimatet. Tidigare forskning har visat att vissa aerosoler är mycket bra på kärnbildning av is, som kan bilda moln i troposfären. Men på grund av komplexa atmosfäriska kemier och brist på data, forskare är inte säkra på hur stor andel av dessa isaktiva partiklar som är biologiska till sin natur och tillräckligt många i troposfären för att påverka klimatet. Vidare, att kemiskt analysera de metaforiska Whos från deras fläckar har visat sig svårt - tills nu.

Atmosfärvetenskapliga forskare i programmet i atmosfärer, Hav och klimat (PAOC) i MIT:s Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap (EAPS) har hittat ett sätt att skilja biologiskt material i atmosfären (bioaerosoler) från icke-biologiska partiklar med högre noggrannhet än andra metoder, använder maskininlärning. När det tillämpas på tidigare insamlade atmosfäriska prover och data, deras fynd stöder bevis på att dessa bioaerosoler i genomsnitt utgör mindre än 1 procent av partiklarna i den övre troposfären - där de kan påverka molnbildning och i förlängningen, klimatet - och inte runt 25 till 50 procent som en del tidigare forskning antyder.

Arbetet, ledd av MIT -docent i atmosfärskemi Dan Cziczo och doktorand Maria Zawadowicz, publicerades förra veckan i tidningen Atmosfärisk kemi och fysik .

Bioaerosoler i ett komplext klimatsystem

Bioaerosoler, en delmängd av atmosfäriska aerosoler, är biologiska partiklar eller vätskor som suspenderas i luften vid varje given tidpunkt. Dessa utsläpp består av hela och fragmenterade luftburna bakterier, svampsporer, jäst, virus, pollen, och andra material från miljön. Deras solida, icke-biologiska motsvarigheter, oorganiska aerosoler, inkludera material som mineraliska dammpartiklar såsom apatit och monazit, och industriella förbränningsprodukter som flygaska.

Forskare har länge varit intresserade av bioaerosoler på grund av deras potential att bilda cirrusismoln, som har stora konsekvenser för klimatet - reflekterande, absorberande, och överföring av solljus samt termisk infraröd strålning från jorden. Bakterier som Pseudomonas syringae använder sina kärnbildande egenskaper för att bilda iskristaller på tomatplantor och människor använde dem för att skapa konstsnö. Medan atmosfärisk och klimatmodellering föreslår att bioaerosoler, i genomsnitt globalt, inte är tillräckligt rikliga och effektiva vid frysning för att väsentligt påverka molnbildning, forskningsresultat har varierat betydligt.

"Det har varit mycket debatt den senaste tiden - de senaste fem till sju åren - om hur mycket biologiskt material som finns i atmosfären, "Cziczo säger." [Studieresultaten] finns över hela kartan, men det finns en grupp studier som säger att det är några procent av den atmosfäriska aerosolen och det finns några studier som säger att det är mycket, 25 procent eller 50 procent. Och så, det är typ av de två lägren som har varit där ute, och du kan föreställa dig att dessa har riktigt olika effekter på vårt klimatsystem, vid nederbörd, om kemi. "

Tills nu, att samla in och göra en positiv identifiering av bioaerosoler har varit svårt. Mättekniker som är specifika för bioaerosol inkluderar filterinsamling i kombination med elektronmikroskopi eller optisk mikroskopi med fluorescerande färgning. Forskare har också använt fluorescens in situ med en bredbandsintegrerad bioaerosolsensor (WIBS), förutom att mäta partiklarnas former och storlekar. Problemet med detta är störningar - bioaerosoler visar sig ofta ha kemiska signaturer som liknar rök, en oorganisk aerosol. Dessutom, forskare har försökt odla prover för mikrobiella stammar, samt analysera deras data offline, i labbet. Dessa tekniker injicerar betydande osäkerhet i mätningarna och vissa studier rapporterade bioaerosolkoncentrationer som var större än den totala aerosolmätningen som erhölls, vilket är omöjligt.

Om det inte var tillräckligt komplicerat, aerosoler förändras kemiskt och fysiskt när de kommer in i troposfären, interagerar med andra atmosfäriska föreningar, och ju längre de är där innan de faller ut, ju mer de åldras och blandas. Till sist, allt detta varierar beroende på region, säsong, klimat, och höjd, som kan påverka mätningar, ytterligare suddig ut gränsen mellan bioaerosoler och oorganiska aerosoler, och gör kvantifieringen utmanande.

Cziczos forskargrupp är intresserad av sambandet mellan partiklar och molnbildning. Hans team använder laboratorie- och fältstudier för att belysa hur små partiklar interagerar med vattenånga för att bilda droppar och iskristaller, som är viktiga aktörer i jordens klimatsystem. Experiment inkluderar att använda små molnkammare i laboratoriet för att efterlikna atmosfäriska förhållanden som leder till molnbildning och observera moln in situ från avlägsna bergstoppsplatser eller genom användning av forskningsflygplan.

Aerosolnedbrytning

"En av de saker som vi misstänkte var att de tidigare sätten att bestämma biologiskt material förmodligen överräknade [deras överflöd] för att de såg och karakteriserade andra saker som biologiska som verkligen inte var det, "Säger Cziczo.

Zawadowicz tillägger:"Allt i atmosfären är mycket starkt bearbetat. Det är det som förvirrar många av dessa mätningar".

Så, i ett försök att tygla osäkerheten kring bioaerosoler i atmosfären och begränsa deras inflytande på molnbildningsprocesser, Cziczo och Zawadowicz, tillsammans med medarbetare vid National Oceanic and Atmospheric Administration, utvecklat en teknik som kopplar en teknik som kallas partikelanalys med lasermasspektrometri (PALMS) med maskininlärning. Här, enkelpartikelmasspektrometri används för att ablera och jonisera aerosoler en i taget, bryta ner dem i jonfragment och kluster, som sedan detekteras av instrumentet. Varje aerosol som analyseras på detta sätt producerar ett spektrum med identifierbara funktioner i dess sammansättning, som ett kemiskt fingeravtryck.

Gruppen utnyttjade närvaron av fosfor i masspektra för att träna klassificeringsmaskininlärningsalgoritmen på kända prover och sedan, grundat, tillämpade den på fältdata som förvärvades från Desert Research Institute's Storm Peak Laboratory i Steamboat Springs, Colorado, och från Carbonaceous Aerosol and Radiative Effects Study baserad i staden Cool, Kalifornien.

"Så, vad Maria gjorde var att hon tog tag i en mängd olika partiklar, med fokus på biologiska, bakterie, både i ett levande och död tillstånd, svampsporer, pollen, jäst, nästan allt du kan tänka dig som kan förvandlas till en atmosfärisk partikelformig, "Cziczo säger." Och hon hittade sätt att sprida dessa material och sedan föra in dem i instrumentet så att vi kunde se deras sammansättning. "

Vissa partiklar åldrades kemiskt för att efterlikna atmosfäriska interaktioner, andra, fysiskt nedbrutna så att de var tillräckligt små för att analyseras och nebuliseras.

Att veta att de främsta atmosfäriska utsläppen av fosfor är från mineraldamm, förbränningsprodukter, och biologiska partiklar, de utnyttjade närvaron av fosfat- och organiska kvävejoner och deras karakteristiska förhållanden i kända prover för att klassificera partiklarna. I bioaerosoler, fosfor förekommer mestadels i fosfolipid -skikt och nukleinsyror, medan i mineraldamm som apatit och monazit, det finns som i form av kalciumfosfat. Men divisionen är inte skuren och torkad; föreningar som jorddamm kan innehålla inre blandningar av biologiska och oorganiska komponenter.

Efter analys, andra spektraltoppar och markörer användes för att tillhandahålla ytterligare bevis för klassificeringen som biologisk eller icke-biologisk och öka förtroendet för algoritmen och dess resultat.

"Vi fann att om vi gör några förhållanden mellan vissa komponenter i masspektrumet så finns det vissa kluster som bildas, och vi använde några avancerade statistiska tekniker för att ta bort klustren och se vilka signaturer som är biologiska och vilka som inte är, "Säger Zawadowicz. Den nya tekniken kunde exakt klassificera 97 procent av spektren, och när de tillämpas på spektra från fältdata, fann att mindre än 1 procent var biologiskt för det globala genomsnittet. Fosforutsläppsinventeringar hjälpte till att bekräfta detta.

Det osannolika i en verklig Whoville

Även om listan över bioaerosoler som testats och datauppsättningar använts - som inte inkluderade platser och tider med hög och låg bioaerosolkoncentration - inte var uttömmande, gruppen fann övertygande bevis för att, när det gällde cirrus molnbildning, bioaerosoler var en osannolik synd. Tidigare forskning antog att det mesta av fosforn i atmosfären var biologisk, men Cziczo påpekar att detta strider mot fosforutsläppsinventeringar, vilket innebär att oorganiska föreningar ofta misstogs som biologiska. För Cziczo var denna upptäckt att bioaerosoler stod för mindre än 1 procent i genomsnitt rökpistolen.

"Det räcker inte med att säga att en partikel är bra på kärnbildning av is, det måste också ha ett överflöd som gör att molnbildning sker. Och det ser mycket mindre säkert ut nu att vi har tillräckligt med dessa biologiska för att skapa den effekt som vissa människor har föreslagit i litteraturen, "Säger Cziczo." Istället Det är mycket mer troligt att det finns andra saker som orsakar iskärnbildningen som mineralstoftpartiklarna. "

Även om Cziczo och Zawadowicz forskning har kastat mer skugga över förekomsten av en "Whoville, "De säger att deras arbete bara har börjat.

"Så nu när vi har en förståelse för hur det [närvaro av bioaerosol i atmosfären] ser ut, och vi har några fältdata för att säga hur rikligt det är under olika årstider på olika platser, frågan är:Blir modellerna så korrekta? "säger Cziczo, som har planer på att samarbeta med EAPS Senior Research Scientist Chien Wang och Colette Heald docent vid MIT -institutionen för civil- och miljöteknik med ett gemensamt utnämning i EAPS, båda undersöker och modellerar aerosol- och klimatpåverkan. Säger Cziczo, "Vi kommer att titta på att arbeta med dem i framtiden och se om vi kan kombinera alla dessa data - laboratoriedata, fältdata, och modellerna tillsammans. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.