每棵樹(shù)，甚至是常綠喬木，都可以作為空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀。這是猶他大學(xué)的研究人員得出的結(jié)論，他們測(cè)量了U校園常綠喬木針上的顆粒物質(zhì)的磁性。他們發(fā)現(xiàn)，該測(cè)量值與總體空氣質(zhì)量相關(guān)，這表明對(duì)針的分析(一種相對(duì)簡(jiǎn)單且低成本的過(guò)程)可以提供高分辨率的全年空氣質(zhì)量圖像。

“只要有一棵樹(shù)，就擁有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。”地質(zhì)和地球物理學(xué)博士生Grant Rea-Downing說(shuō)。“部署一棵樹(shù)不需要花費(fèi)250美元。我們將能夠以非常低的成本以非常高的分辨率繪制顆粒物分布圖。”

結(jié)果發(fā)表在GeoHealth上。

磁性粒子如何最終留在葉子上

Rea-Downing和他的同事–皮特·利珀特副教授和研究生Courtney Wagner和Brendon Quirk –都是地質(zhì)和地球物理系的地球科學(xué)家，他們的常規(guī)研究與松針的研究規(guī)模大不相同。

利珀特說(shuō)：“我們每天都在利用巖石的磁性來(lái)查明以前各大洲的地理環(huán)境，從而移動(dòng)山脈并封閉海盆。”

在一篇題為“課磁地球，”利珀特介紹雷亞-唐寧，瓦格納和夸克對(duì)論文通過(guò)測(cè)量誰(shuí)英國(guó)的研究人員磁的落葉葉子，以評(píng)估空氣質(zhì)量。利珀特說(shuō)：“我知道學(xué)生會(huì)對(duì)研究表明的東西以及發(fā)現(xiàn)的意義產(chǎn)生的想法感到驚訝。”

空氣中的顆粒物有許多來(lái)源，包括自然的風(fēng)吹塵，剎車(chē)塵以及燃燒固體或化石燃料的副產(chǎn)品。

利珀特說(shuō)：“空氣中充滿(mǎn)了東西，它必須在某個(gè)時(shí)候出來(lái)。”

當(dāng)它從空中掉下來(lái)時(shí)，其中的一些當(dāng)然會(huì)掉落在樹(shù)葉和常綠的針上。利珀特在地質(zhì)工作中使用的高精度磁力計(jì)可以探測(cè)到其中的一些粒子中的鐵。他說(shuō)，空氣中的含鐵顆粒物太小而看不見(jiàn)，但是磁性是一種看不見(jiàn)的方法。

這些文件給Rea-Downing留下了深刻的印象，他看到鹽湖城的空氣質(zhì)量與其本地沿海加州的正常清潔空氣形成鮮明對(duì)比。他可以輕松地在Lippert的研究實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用該方法。

他說(shuō)：“為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而爬的那座山實(shí)際上很平坦。” “我們外面有樹(shù)木，我們的季節(jié)空氣質(zhì)量差，我們有一個(gè)設(shè)備齊全的古磁實(shí)驗(yàn)室，這意味著我實(shí)際上只需要走到外面，從一些樹(shù)上摘下一些葉子，然后將它們粘貼在磁力計(jì)中。”

利珀特說(shuō)：“我們并不是第一個(gè)探索松針的磁性來(lái)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的人，但是沒(méi)有人嘗試過(guò)這種方法來(lái)研究美國(guó)西部盆地的冬季反轉(zhuǎn)。”

在美國(guó)大學(xué)全球變化與可持續(xù)發(fā)展中心的財(cái)政支持下，研究人員開(kāi)始工作。

西爾萬(wàn)哨兵

該小組在U校園中選擇了四棵奧地利松樹(shù)進(jìn)行采樣。其中三棵樹(shù)與北校園大道(North Campus Drive)(一條頻繁使用的校園動(dòng)脈)成一直線，每棵樹(shù)都相距道路較遠(yuǎn)。第四個(gè)在聯(lián)盟大樓附近，交通不便。他們兩次收集了松針：一次是在空氣相對(duì)良好的夏天之后的2017年6月，一次是在那個(gè)冬天空氣質(zhì)量最差的2017年12月。

瓦格納(Wagner)戴上了顆粒物過(guò)濾防塵口罩，收集了12月的樣品，稱(chēng)其為“冰凍死霧”，這是因?yàn)檎麄€(gè)山谷的溫度反轉(zhuǎn)導(dǎo)致了松針上的濃黃色霧和霜?；氐綄?shí)驗(yàn)室，研究小組使用陶瓷剪刀小心地將針切成短段，以避免任何金屬污染，并將其放入磁力計(jì)中。

他們的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，十二月針的磁化強(qiáng)度是六月針的近三倍。在超低溫下進(jìn)行的另一項(xiàng)磁性實(shí)驗(yàn)表明，在反轉(zhuǎn)過(guò)程中沉積的含鐵顆粒非常小(有些小至人發(fā)寬度的1/5000)，發(fā)現(xiàn)它們由磁鐵礦(一種鐵礦物質(zhì))組成顧名思義，它具有天然磁性。該小組還在電子顯微鏡下檢查了針頭，并確認(rèn)12月的針頭明顯變臟。其他研究已將顆粒的濃度，大小和組成與空氣污染的健康風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系在一起。

他們還研究了顆粒中存在的元素。利珀特說(shuō)，粉塵中的鐵含量與鈦，釩和鋯等其他元素的含量有關(guān)，“還有與剎車(chē)粉塵或化石燃料燃燒有關(guān)的各種其他物質(zhì)”。

他說(shuō)，微粒中的其他元素與催化轉(zhuǎn)化器有關(guān)，催化轉(zhuǎn)化器使用化學(xué)催化劑對(duì)廢氣進(jìn)行解毒。“毫無(wú)疑問(wèn)，這些注意力集中在路邊。”

在距行車(chē)道不同距離處比較樹(shù)木，結(jié)果表明，在50至150英尺的距離內(nèi)，磁性顆粒的濃度下降了。研究人員說(shuō)，這可能是由于與汽車(chē)之間的距離所致，也可能是由于樹(shù)木的橫斷面上升了一點(diǎn)山坡而導(dǎo)致的海拔高度。

人造松

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)與大氣科學(xué)家Gannet Hallar和化學(xué)工程師Kerry Kelly聯(lián)手探索了該研究提出的其他問(wèn)題。他們開(kāi)發(fā)了一種新型的被動(dòng)式空氣監(jiān)測(cè)儀-帶針的3D打印人造松枝，用于捕獲顆粒。人造針與天然針并排安裝，可以用作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以更清楚地了解顆粒如何以及何時(shí)沉降在常綠針上，其結(jié)果可以直接與Hallar和Kelly實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備所測(cè)量的顆粒分布進(jìn)行比較。

Rea-Downing說(shuō)：“如果下大雨，我們可以在下雨前后去收集雨水，看看每次下雨時(shí)這個(gè)信號(hào)是否都被沖走了。” “或者生物針實(shí)際上是在吸收物質(zhì)并實(shí)際上比合成針更長(zhǎng)時(shí)間地保持該信號(hào)?”

隨著每棵樹(shù)作為一個(gè)潛在的數(shù)據(jù)點(diǎn)，松樹(shù)針?lè)治隹梢越o出一個(gè)更全面的洞察什么，什么時(shí)候和在城市地區(qū)的空氣污染，表現(xiàn)出對(duì)幾十英尺的規(guī)模，在空氣質(zhì)量變化的原因。利珀特說(shuō)，這種分析既簡(jiǎn)單又便宜。

利珀特說(shuō)：“景觀上已經(jīng)有很多樹(shù)木了。” “它們的成本非常低。因此，這使我們監(jiān)測(cè)整個(gè)山谷空氣污染的能力民主化了。這很容易出口到任何社區(qū)。它使我們能夠事半功倍，這就是我們的希望。”