Potrebbe essere scambiato per un progetto della fiera della scienza impazzito: una scatola impermeabile a forma di valigia piena di tubi, fili elettronici, manometri e display a LED. Per Whitman Miller, questa è la bellezza. Tutto è facilmente disponibile, relativamente economico e straordinariamente sofisticato. Ha bisogno di quella combinazione di qualità. Perché per ottenere le risposte che sta cercando, dovrà installare un sacco di queste scatole.
Da questa storia
Smithsonian Environmental Research Center Smithsonian Marine Station, Fort Pierce, FloridaMiller è ricercatore presso il Smithsonian Environmental Research Center e sta cercando di comprendere gli effetti dell'aumento di CO2 sulla chimica dell'acqua negli ecosistemi costieri. Negli ultimi 150 anni la combustione di combustibili fossili e altri processi di produzione industriale hanno pompato grandi quantità di CO2 nell'atmosfera. Gran parte di esso è finito negli oceani della Terra dove reagisce con l'acqua di mare e abbassa il pH. Di conseguenza, le acque della Terra stanno diventando più acide, una condizione che può spogliare molti organismi sgusciati del loro calcio e minacciare di distruggere interi ecosistemi.
Sebbene il più delle volte definito acidificazione degli oceani, l'effetto dell'aumento della CO2 non è limitato alle acque oceaniche. È solo più facile da vedere lì. La superficie dell'oceano è un ambiente abbastanza omogeneo in cui le concentrazioni di CO2 nell'acqua tendono ad essere in equilibrio con la CO2 nell'atmosfera, attualmente circa 399, 6 parti per milione (ppm). Negli ultimi decenni gli scienziati l'hanno visto crescere costantemente ad una velocità di 1 ppm ogni anno.
Ma la storia non è così facile da leggere negli ecosistemi costieri in cui le concentrazioni di CO2 possono oscillare di migliaia di parti per milione in un solo giorno. I sistemi costieri sono molto più complessi con molte più parti mobili. Qui, l'acqua dolce si mescola con l'acqua salata. La temperatura e la salinità variano da una posizione all'altra e possono cambiare con le maree. I livelli di ossigeno aumentano durante il giorno, quando le erbe e le alghe fotosintetizzano e si schiantano di notte quando la fotosintesi si interrompe. Tutte queste interazioni determinano forti fluttuazioni dei livelli di CO2. Variano anche da una posizione all'altra e su base giornaliera. Comprendere come un aumento relativamente piccolo della CO2 globale influenzerà un sistema con così tanta fluttuazione naturale significa apprendere esattamente come funziona quel sistema.
La valigia è piena di sensori di pressione barometrica, sensori di temperatura, sensori di umidità relativa e, naturalmente, un sensore di CO2. (Kimba Cutlip) "Stiamo cercando di stuzzicare molti di questi driver diversi", afferma Miller. “Perché sappiamo che non è solo equilibrio aria-mare. Sappiamo che esistono interfacce terrestri marittime. Sappiamo che ci sono effetti biologici della fotosintesi e della respirazione e effetti fisici dell'apporto di acqua in luoghi diversi. Ma per stuzzicare ciascuno di questi driver, stiamo imparando che abbiamo bisogno di molte misurazioni. Abbiamo bisogno di un'alta densità di misurazioni a causa di questa speciale irregolarità e del modo in cui cambia nel tempo su scale giornaliere, stagionali e di marea. "
Miller ha bisogno di una rete di stazioni di monitoraggio per raccogliere quel livello di dati, una rete che non era pratica quando ha iniziato questo lavoro. La strumentazione di monitoraggio richiesta era roba da boe oceaniche e grandi navi da ricerca che costavano decine di migliaia di dollari per strumento.
Quindi Miller iniziò a sviluppare un'altra opzione. Sta costruendo le proprie stazioni di monitoraggio portatili ed economiche con componenti elettronici prontamente disponibili e un microcontrollore economico del tipo che gli hobbisti usano per fabbricare robot e rilevatori di movimento. Quello che gli è venuto in mente è la differenza tra una piccola stanza piena di attrezzature che arrivano a $ 100.000 e una scatola delle dimensioni di una valigia al prezzo di una stazione meteorologica domestica di fascia alta.
All'interno di quella scatola, Miller ha confezionato sensori di pressione barometrica, sensori di temperatura, sensori di umidità relativa e, naturalmente, un sensore di CO2. "Questo ragazzo qui costa meno di $ 300", dice, indicando un quadrato di elettronica non più grande di un mazzo di carte. "L'analizzatore di gas a infrarossi: questo è il cuore della stessa misurazione della CO2". Dice che lo strumento corollario su una boa oceanica potrebbe costare fino a $ 20.000.
Con apparecchiature elettroniche prontamente disponibili e scatole impermeabili economiche, Miller e i suoi colleghi possono costruire i dispositivi direttamente nel loro laboratorio. (Kimba Cutlip) Fuori dalla scatola, sul "lato bagnato", l'acqua viene pompata attraverso un tubo e forzata all'equilibrio con un piccolo volume d'aria. L'analizzatore di gas determina la concentrazione di CO2 in quell'aria e un registratore di dati tiene traccia 24/7.
"Questo è un approccio innovativo", afferma Mario Tamburr, "per esaminare un modo semplice ed economico per ottenere queste misurazioni". Tamburri è professore di ricerca presso il Center for Environmental Sciences (UMCES) dell'Università del Maryland. “Il nostro problema più grande ora è riuscire a monitorare questi importanti parametri alla giusta scala temporale e spaziale. Quindi questo tipo di misurazioni ad alta risoluzione temporale e spaziale sono fondamentali per comprendere i problemi di acidificazione, specialmente nelle acque costiere. "
Tamburri è anche direttore esecutivo dell'Alleanza per le tecnologie costiere, una partnership tra organizzazioni di ricerca che funge da specie di laboratorio di prova per attrezzature scientifiche. "Una delle cose che cerchiamo di fare è promuovere lo sviluppo e l'adozione di nuove innovazioni." Gestisce una delle stazioni di monitoraggio di Miller dal molo di UMCES da un anno "per dimostrare le sue capacità e il potenziale in modo che altri utenti possano anche abbi fiducia nell'adottarlo. "
Attualmente ci sono altre tre stazioni di monitoraggio della CO2 in funzione. Uno presso il Smithsonian Environmental Research Center di Edgewater dove lavora Miller, uno presso la Smithsonian Marine Station a Fort Pierce, in Florida, e un altro presso lo Smithsonian Tropical Research Institute di Panama. Miller non è ancora pronto per iniziare a produrre in serie i suoi strumenti. Ha ancora qualche modifica prima di poter iniziare a sviluppare una rete di siti di monitoraggio in tutta la baia di Chesapeake. Sta lavorando alla sostituzione della pompa con una che consuma meno energia, preferibilmente una che funziona a energia solare. E spera di ridurre ulteriormente il prezzo (una stazione costa ora circa $ 7.000). Alla fine spera di arruolare cittadini scienziati, volontari disposti a tenerli nei loro moli privati.
"Il mio gold standard per uno strumento è che si è in grado di consegnarlo a uno scienziato cittadino", dice, "e che loro possano prendersi cura di esso, eseguirlo e sviluppare i dati. Deve essere qualcosa che qualcuno che non ha anni e anni di istruzione con gli strumenti può farlo funzionare. "
Questo è ciò che servirà per ottenere il tipo di misurazioni necessarie per comprendere veramente il ruolo dell'aumento di CO2 in questi sistemi complessi.
Il dispositivo di controllo che Miller definisce il "cuore di tutto" è un piccolo microprocessore sviluppato inizialmente per gli appassionati che desiderano realizzare robot semplici. (Kimba Cutlip)
