Varje sommar sprider väderprognos nyheter om afrikanska dammplymer som korsar södra USA. Och för de flesta är det bara damm, men för forskare vid Texas A&M University är det mycket mer.

Forskare har utvecklat en ny metod som kallas isotopupplöst kemisk massbalans för att identifiera dammpartiklar med hjälp av isotopmätningar. Deras nya forskning bygger på tidigare studier där de identifierade och kvantifierade dammet genom att bestämma grundämnessammansättningen.

Studien publicerades nyligen i Environmental Science &Technology .

För att göra detta arbete, samarbetade teamet – specifikt Sourav Das, forskningsassistent och doktorand vid Zachry Department of Civil and Environmental Engineering – med Brent Miller, professor i geologi och geofysik vid Texas A&M, och forskare vid University of Miami.

"Vi är en av väldigt få grupper som studerar hur detta afrikanska damm eller någon form av globala eller regionala dammkällor påverkar lokala luftföroreningar genom att blandas med aerosoler från olika proximala källor", säger Dr. Shankar Chellam, professor i civil- och miljöteknik. och A.P. och Florence Wiley Professor III. "Sourav var tvungen att först utveckla en helt ny instrumentell metod för att mäta damms isotopiska och elementära sammansättning och sedan utföra modellering med dessa mätningar."

Tidigare har Chellams elever undersökt och fastställt elementaranalysen av afrikanskt stoft, men denna nya metod kvantifierar isotopsammansättningen av tre olika metaller som fungerar som unika spårämnen. Ett grundämne skulle helt enkelt kunna märkas som strontium (en jordalkalimetall), men geokemister skulle noggrant märka det som strontium 86 eller 87, beroende på till exempel atommassan. För damm analyserade de den sällsynta jordartsmetallen neodym tillsammans med strontium och hafnium.

Chellam föreslog att man skulle tänka på elementaranalysen som att identifiera ett fullständigt fingeravtryck. Men den här nya metoden är som att identifiera varje kurva och spår i fingeravtrycket. Das tillade att analogin är att kemiskt likartade källor är som tvillingar med samma ansikte, men vars fingeravtryck skulle vara unika, vilket kan kvantifieras med hjälp av isotoper.

"Hur förbättrar vi noggrannheten i att inte bara identifiera afrikanskt stoft utan också kvantifiera dess bidrag (i luften) på låga nivåer före ankomsten av huvudplymen och efter dess avgång?" frågade Chellam. "Att göra det är en herkulisk uppgift. Om det var svårt förut är det nu tio gånger svårare att fortsätta med låga koncentrationer."

Att noggrant och kvantitativt spåra saharas damm över hela världen är avgörande för att förklara dess effekter på jordens klimat, vatten och näringskretslopp och människors hälsa. I tidigare studier samlades luftprover från Barbados och Houston vid olika tidpunkter, men denna studie är distinkt eftersom de spårade samma dammplymer från Afrika till Houston med hjälp av NASA-satellitbilder och storskaliga modeller.

"Ingen har någonsin bestämt dessa tre isotoper i afrikanskt damm med relevans för luftföroreningar i städer, så det finns ingen modell för det," sa Chellam. "Sourav var tvungen att förbättra den befintliga modellen för att lägga till förmågan att statistiskt modellera de isotopiska fingeravtrycken utöver elementardata."

När man tittar på jorden från Afrika eller Houston är elementarsammansättningen i huvudsak densamma. Men när de går djupare in i isotopvärlden har forskare kvantifierat hur olika återsuspenderat skorpmaterial från de två kontinenterna är, särskilt efter att ha korsat Atlanten.

"Vi fann att när du exakt kvantifierar afrikanskt damm i Houston, mäter vi också andra källor korrekt," sa Das. "Det är mer en universell metod. Om du har två eller tre källor som ser likadana ut på grund av deras sammansättning (t.ex. damm från Nordafrika och resuspenderat damm i Houston), kan vi särskilja dem mer exakt. Denna metod att använda isotoper är inte bara tillämplig på ett visst geografiskt eller ämnesområde, men är mer tillämpligt på vilken plats som helst och många områden av luftföroreningar."

Luftföroreningar kan orsakas av petroleumraffinering i industriområden, fordon och naturliga faktorer som damm och rök från bränder, vilket påverkar luftkvaliteten. Enligt forskare finns det ett tydligt behov av en bättre förståelse av luftens kemiska och fysikaliska egenskaper för att bedöma potentiella hälsoeffekter av dammet. Denna isotopmetod kan tillämpas och implementeras i alla storstadsområden eller avlägsna områden i Nordamerika, Europa och Asien som påverkas av ökenaerosoler.

"Det finns många andra möjligheter där vi kan tillämpa denna isotopbaserade metod för att kvantifiera antropogena och naturliga aerosoler som förorenar stadsluften," sa Das. + Utforska vidare

Antropogena luftföroreningar påverkar hälsa och klimat i Mellanöstern