Het kan worden aangezien voor een wetenschapsbeursproject dat amok is geworden - een waterdichte koffer in kofferformaat gevuld met slangen, elektronische draden, meters en een LED-display. Voor Whitman Miller is dat het mooie ervan. Alles is gemakkelijk verkrijgbaar, relatief goedkoop en opvallend verfijnd. Hij heeft die combinatie van kwaliteiten nodig. Want om de antwoorden te krijgen waar hij naar op zoek is, zal hij heel veel van deze dozen moeten installeren.
Van dit verhaal
Smithsonian Environmental Research Center Smithsonian Marine Station, Fort Pierce, FloridaMiller is onderzoeker bij het Smithsonian Environmental Research Center en probeert de effecten van stijgende CO2 op waterchemie in kustecosystemen te begrijpen. De afgelopen 150 jaar heeft het verbranden van fossiele brandstoffen en andere industriële productieprocessen enorme hoeveelheden CO2 in de atmosfeer gepompt. Veel ervan is in de oceanen van de aarde terechtgekomen, waar het reageert met zeewater en de pH verlaagt. Als gevolg hiervan worden de wateren van de aarde zuurder, een aandoening die veel shell-organismen van hun calcium kan ontdoen en hele ecosystemen dreigt te verstoren.
Hoewel het meestal oceaanverzuring wordt genoemd, is het effect van stijgende CO2 niet beperkt tot oceaanwater. Het is gewoon gemakkelijker om daar te zien. Het oceaanoppervlak is een redelijk homogene omgeving waar de CO2-concentraties in het water meestal in evenwicht zijn met CO2 in de atmosfeer - momenteel ongeveer 399, 6 delen per miljoen (ppm). Wetenschappers hebben het de afgelopen decennia gestaag zien groeien met een snelheid van 1 ppm per jaar.
Maar het verhaal is niet zo gemakkelijk te lezen in kustecosystemen waar CO2-concentraties met duizenden delen per miljoen op één dag kunnen schommelen. Kustsystemen zijn veel complexer met veel meer bewegende delen. Hier mengt zoet water zich met zout water. Temperatuur en zoutgehalte variëren van locatie tot locatie en kunnen veranderen met de getijden. Zuurstofniveaus stijgen overdag, wanneer grassen en algen fotosynthetiseren, en crashen 's nachts wanneer de fotosynthese stopt. Al deze interacties veroorzaken dramatische schommelingen in CO2-niveaus. Ze variëren ook van locatie tot locatie en op dagelijkse basis. Begrijpen hoe een relatief kleine toename van wereldwijde CO2 een systeem met zoveel natuurlijke fluctuaties zal beïnvloeden, betekent precies leren hoe dat systeem werkt.
De koffer zit vol met luchtdruksensoren, temperatuursensoren, relatieve vochtigheidssensoren en natuurlijk een CO2-sensor. (Kimba Cutlip) "We proberen veel van deze verschillende stuurprogramma's te plagen, " zegt Miller. “Omdat we weten dat het niet alleen lucht-zee-evenwicht is. We weten dat er landzee-interfaces zijn. We weten dat er biologische effecten zijn van fotosynthese en ademhaling, en fysieke effecten van waterinvoer op verschillende plaatsen. Maar om elk van deze stuurprogramma's te plagen, leren we dat we heel veel metingen nodig hebben. We hebben een hoge meetdichtheid nodig vanwege deze speciale vlekkerigheid en vanwege de manier waarop het in de loop van de tijd verandert op dagelijkse, seizoensgebonden en getijdenschalen.
Miller heeft een netwerk van meetstations nodig om dat gegevensniveau te verzamelen, een netwerk dat niet praktisch was toen hij aan dit werk begon. De vereiste monitoringinstrumenten waren het spul van oceaanboeien en grote onderzoeksschepen die tienduizenden dollars per instrument kosten.
Dus begon Miller een andere optie te ontwikkelen. Hij bouwt zijn eigen draagbare, goedkope meetstations met direct beschikbare elektronische componenten en een goedkope microcontroller zoals hobbyisten die gebruiken om robots en bewegingsmelders te maken. Wat hij bedacht is het verschil tussen een kleine kamer vol met apparatuur die binnenkomt voor $ 100.000, en een koffer ter grootte van een koffer voor de prijs van een weerstation voor thuis.
In die doos heeft Miller luchtdruksensoren, temperatuursensoren, relatieve vochtigheidssensoren en natuurlijk een CO2-sensor verpakt. "Deze man hier kost minder dan $ 300, " zegt hij, wijzend op een vierkant van elektronica niet groter dan een stapel kaarten. "De infrarood gasanalysator - dit is het hart van de CO2-meting zelf." Hij zegt dat het bijbehorende instrument op een oceaanboei maar liefst $ 20.000 kan kosten.
Met direct beschikbare elektronische apparatuur en goedkope waterdichte dozen kunnen Miller en zijn collega's de apparaten in hun laboratorium bouwen. (Kimba Cutlip) Buiten de doos, aan de 'natte kant', wordt water door een buis gepompt en met een klein volume lucht in evenwicht gebracht. De gasanalysator bepaalt de concentratie CO2 in die lucht en een datalogger houdt 24/7 bij.
"Dit is een innovatieve aanpak, " zegt Mario Tamburr, "om te kijken naar een eenvoudige, goedkope manier om deze metingen te krijgen." Tamburri is een onderzoeksprofessor aan het University of Maryland Center for Environmental Sciences (UMCES). “Ons grootste probleem is nu om deze belangrijke parameters op de juiste tijdelijke en ruimtelijke schaal te kunnen monitoren. Dus dit soort hoge temporele en ruimtelijke resolutiemetingen zijn de sleutel tot het begrijpen van de problemen van verzuring, vooral in kustwateren. ”
Tamburri is ook de uitvoerend directeur van de Alliance for Coastal Technologies, een samenwerkingsverband tussen onderzoeksorganisaties dat dient als een soort testlaboratorium voor wetenschappelijke apparatuur. "Een van de dingen die we proberen te doen, is de ontwikkeling en acceptatie van nieuwe innovaties bevorderen." Hij heeft een jaar lang een van Miller's monitoringstations vanaf de pier bij UMCES "om zijn mogelijkheden en potentieel aan te tonen, zodat andere gebruikers dan ook heb er vertrouwen in het aan te nemen. "
Momenteel zijn er nog drie andere CO2-meetstations in gebruik. Een op het Smithsonian Environmental Research Center in Edgewater waar Miller werkt, een op het Smithsonian Marine Station in Fort Pierce, Florida, en een andere op het Smithsonian Tropical Research Institute in Panama. Miller is nog niet klaar om massaal zijn instrumenten te produceren. Hij heeft nog een paar aanpassingen voordat hij kan beginnen met het ontwikkelen van een netwerk van bewakingssites in de Chesapeake Bay. Hij werkt aan het vervangen van de pomp door een pomp die minder stroom verbruikt, bij voorkeur een pomp die op zonne-energie werkt. En hij hoopt de prijs nog verder te verlagen (één station kost nu ongeveer $ 7.000). Uiteindelijk hoopt hij burgerwetenschappers in te schakelen, vrijwilligers die hen op hun eigen steigers willen houden.
“Mijn gouden standaard voor een instrument is dat je het aan een burgerwetenschapper kunt overdragen, ” zegt hij, “en dat ze ervoor kunnen zorgen, het kunnen uitvoeren en de gegevens kunnen ontwikkelen. Het moet iets zijn dat iemand zonder jaren en jaren opleiding met instrumenten kan laten functioneren. "
Dat is wat er nodig is om het soort metingen te krijgen dat nodig is om de rol van stijgende CO2 in deze complexe systemen echt te begrijpen.
Het besturingsapparaat dat Miller het "hart van alles" noemt, is een kleine microprocessor die voor het eerst is ontwikkeld voor hobbyisten die eenvoudige robots willen maken. (Kimba Cutlip)
