Varje träd, även en vintergrön, kan vara en luftkvalitetsmonitor. Det är slutsatsen av forskare vid University of Utah som mätte magnetismen hos partiklar på barrarna av vintergröna träd på U-campus. Den mätningen, de hittade, korrelerad till allmän luftkvalitet, föreslår att analys av nålarna – en relativt enkel och billig process – skulle kunna ge en hög upplösning, året runt bild av luftkvaliteten.

"Varhelst du har ett träd har du en datapunkt, " säger Grant Rea-Downing, en doktorand i geologi och geofysik. "Ett träd kostar inte 250 $ att installera. Vi kommer att kunna kartlägga partikelfördelningar med en mycket hög upplösning för mycket låg kostnad."

Resultaten publiceras i Geohälsa .

Hur magnetiska partiklar hamnar på löv

Rea-Downing och hans kollegor – docent Pete Lippert och doktorander Courtney Wagner och Brendon Quirk – är alla geovetare vid institutionen för geologi och geofysik vars regelbundna forskning är i en mycket annan skala än tallbarr.

"Dag för dag, " säger Lippert, "vi flyttar berg och stänger havsbassänger genom att använda magnetismen hos stenar för att ta reda på geografin på tidigare kontinenter."

I en kurs med titeln "Den magnetiska jorden, " Lippert introducerade Rea-Downing, Wagner och Quirk till artiklar av brittiska forskare som mätte magnetismen hos lövfällande löv för att bedöma luftkvaliteten. "Jag visste att eleverna skulle få sina sinnen blåsta av vad studien visade, och vilka konsekvenserna av fynden var, säger Lippert.

Partiklar i luften kommer från många källor, inklusive naturligt vindblåst damm, bromsdamm och biprodukten från förbränning av fast eller fossilt bränsle.

"Det är saker i luften, " säger Lippert, "och det måste komma ut någon gång."

När det faller ur luften en del av det, självklart, faller på trädlöv och vintergröna barr. Vissa av partiklarna innehåller järn, med tillräckligt mycket för att kunna upptäckas av den typ av högprecisionsmagnetometrar som Lippert använder i sitt geologiska arbete. Det järnhaltiga partikelmaterialet i luften kan vara för litet för att se, men magnetism, han säger, är ett sätt att se det osynliga.

Tidningarna gjorde intryck på Rea-Downing, som såg Salt Lake Citys luftkvalitet i skarp kontrast till den normalt rena luften i hans hemland kustnära Kalifornien. Han kunde lätt tillämpa metoden i Lipperts forskningslabb.

"Den sorts kulle att bestiga för att göra det här var faktiskt ganska platt, " säger han. "Vi har träd utanför, vi har säsongsmässigt dålig luftkvalitet och vi har ett fullt utrustat paleomagnetiskt labb, vilket betyder att jag bokstavligen bara var tvungen att gå utanför och dra några löv från några träd och sticka in dem i en magnetometer."

"Vi är inte de första som utforskar tallbarrarnas magnetism för att övervaka luftkvaliteten, " säger Lippert, "men ingen hade försökt detta för att studera vinterinversioner i bassängerna i den amerikanska västern."

Med ekonomiskt stöd från U:s Global Change and Sustainability Center, forskarna gick till jobbet.

Sylvan vaktposter

Teamet valde ut fyra österrikiska tallar på U-campus att prova. Tre av träden var i en linje vinkelrät mot North Campus Drive, en mycket använd campusartär, med varje träd successivt längre bort från vägbanan. Den fjärde var nära unionsbyggnaden, bort från trafiken. De samlade tallbarr två gånger:en gång i juni 2017 efter en sommar med relativt bra luft och igen i december 2017 under några av den vinterns sämsta luftkvalitet.

Med sin partikelfiltrerande dammmask på, Wagner samlade decemberproverna i vad hon beskrev som en "frysande dödsdimma, " eftersom en temperaturomvändning i hela dalen hade lett till en tjock gulaktig dimma och frost på barrarna. Tillbaka i labbet, teamet skar försiktigt nålarna i korta segment med hjälp av keramiska saxar för att undvika metallföroreningar och satte dem i magnetometrarna.

Ett av deras experiment visade att magnetiseringen av decembernålarna var nästan tre gånger högre än juninålarna. Ännu ett magnetiskt experiment, utförs vid superlåga temperaturer, föreslog att de järnbärande partiklarna som avsattes under inversionen är extremt små (några så små som 1/5000 av ett människohårs bredd) och fann att de är sammansatta av magnetit, ett järnmineral som, som namnet antyder, är naturligt magnetisk. Teamet undersökte också nålarna under ett elektronmikroskop och bekräftade att decembernålarna var betydligt smutsigare. Koncentrationen, Partiklarnas storlek och sammansättning har alla genom andra studier kopplats till hälsoriskerna med luftföroreningar.

De tittade också på de grundämnen som finns i partiklarna. Mängden järn i dammet korrelerade med mängder av andra grundämnen som titan, vanadin och zirkonium, "och en mängd andra saker som är förknippade med bromsdamm eller förbränning av fossila bränslen, säger Lippert.

Andra element i partiklarna var associerade med katalytiska omvandlare, han säger, som använder kemiska katalysatorer för att avgifta avgaser. "Och de där koncentrationerna, ingen överraskning, är högst nära vägkanten."

Att jämföra träden på olika avstånd från vägbanan visade ett fall i koncentrationen av magnetiska partiklar över ett avstånd på 50 till 150 fot. Det kan bero på avståndet från bilarna, forskarna säger, men möjligen även till höjd, när tvärsnittet av träd gick uppför en liten kulle.

Konstgjord tall

Nu har teamet gått samman med atmosfärsforskaren Gannet Hallar och kemiingenjören Kerry Kelly för att utforska andra frågor som studien väckte. De utvecklade en ny typ av passiv luftmonitor – en 3D-utskriven, konstgjord tallgren med barr för att fånga upp partiklar. De konstgjorda nålarna installeras vid sidan av naturliga nålar och kan fungera som en experimentell plattform för att tydligare förstå hur och när partiklar sätter sig på vintergröna nålar, resultat som de kan jämföra direkt med mätningar av partikelfördelningar uppmätta med utrustning i Hallars och Kellys labb.

"Om vi ​​får ett kraftigt regn kan vi gå och samla före och efter det regnet och se om den här signalen bara tvättas bort varje gång du har en regnhändelse, " säger Rea-Downing. "Eller absorberar de biologiska nålarna faktiskt material och håller faktiskt kvar den signalen längre än de syntetiska nålarna?"

Med varje träd som en potentiell datapunkt, tallbarsanalys skulle kunna ge en mer omfattande inblick i vad, när och varför av luftföroreningar i stadsområden, visar variation i luftkvalitet på en skala av tiotals fot. Analysen är enkel och billig, säger Lippert.

"Vi har redan många träd ute i landskapet, " säger Lippert. "De är en ganska låg kostnad. Så detta demokratiserar vår förmåga att övervaka luftföroreningar över dalen. Detta är lätt att exportera till alla gemenskaper. Det gör att vi kan göra mer med mindre, eller det är vårt hopp."