Chaque arbre, même un feuillage persistant, peut être un moniteur de qualité de l'air. C'est la conclusion de chercheurs de l'Université de l'Utah qui ont mesuré le magnétisme des particules sur les aiguilles d'arbres à feuilles persistantes sur le campus U. Cette mesure, ils ont trouvé, corrélée à la qualité générale de l'air, suggérant que l'analyse des aiguilles - un processus relativement simple et peu coûteux - pourrait fournir une haute résolution, image toute l'année de la qualité de l'air.

"Partout où vous avez un arbre, vous avez un point de données, " dit Grant Rea-Downing, doctorant en géologie et géophysique. « Un arbre ne coûte pas 250 $ à déployer. Nous serons en mesure de cartographier les distributions de particules à une résolution très élevée pour un coût très faible. »

Les résultats sont publiés dans GéoSanté .

Comment les particules magnétiques se retrouvent sur les feuilles

Rea-Downing et ses collègues – le professeur agrégé Pete Lippert et ses collègues étudiants diplômés Courtney Wagner et Brendon Quirk – sont tous des géoscientifiques du Département de géologie et de géophysique dont les recherches régulières sont à une échelle bien différente de celle des aiguilles de pin.

"Au jour le jour, " Lippert dit, "Nous déplaçons des montagnes et fermons des bassins océaniques en utilisant le magnétisme des roches pour comprendre la géographie des anciens continents."

Dans un cours intitulé "La Terre magnétique, " Lippert a présenté Rea-Downing, Wagner et Quirk aux articles de chercheurs britanniques qui ont mesuré le magnétisme des feuilles caduques pour évaluer la qualité de l'air. "Je savais que les étudiants seraient en quelque sorte époustouflés par ce que l'étude montrait, et quelles étaient les implications des résultats, " dit Lippert.

Les particules dans l'air proviennent de nombreuses sources, y compris la poussière naturelle soufflée par le vent, la poussière de frein et le sous-produit de la combustion de combustibles solides ou fossiles.

"C'est des trucs dans l'air, " Lippert dit, "et ça doit sortir un jour."

Quand il tombe de l'air une partie, bien sûr, tombe sur les feuilles des arbres et les aiguilles à feuilles persistantes. Certaines particules contiennent du fer, avec suffisamment pour être détectable par le type de magnétomètres de haute précision que Lippert utilise dans ses travaux géologiques. Les particules contenant du fer dans l'air peuvent être trop petites pour être vues, mais le magnétisme, il dit, est une façon de voir l'invisible.

Les journaux firent impression sur Rea-Downing, qui a vu la qualité de l'air de Salt Lake City contraster fortement avec l'air normalement pur de sa Californie côtière natale. Il pourrait facilement appliquer la méthode dans le laboratoire de recherche de Lippert.

"Le genre de colline à gravir pour ce faire était en fait assez plat, " dit-il. " Nous avons des arbres dehors, nous avons une mauvaise qualité de l'air saisonnière et nous avons un laboratoire paléomagnétique entièrement équipé, ce qui signifie que j'ai littéralement dû marcher dehors et arracher des feuilles d'arbres et les coller dans un magnétomètre."

"Nous ne sommes pas les premiers à explorer le magnétisme des aiguilles de pin pour surveiller la qualité de l'air, " Lippert dit, "mais personne n'avait essayé cela pour étudier les inversions hivernales dans les bassins de l'Ouest américain."

Avec le soutien financier du Global Change and Sustainability Center de l'U, les chercheurs se sont mis au travail.

Sentinelles sylvestres

L'équipe a sélectionné quatre pins autrichiens sur le campus U à échantillonner. Trois des arbres étaient alignés perpendiculairement à North Campus Drive, une artère du campus très fréquentée, avec chaque arbre successivement plus loin de la chaussée. Le quatrième était près du bâtiment de l'Union, loin de la circulation. Ils ont ramassé des aiguilles de pin à deux reprises :une fois en juin 2017 après un été relativement bon et de nouveau en décembre 2017 pendant l'une des pires qualités de l'air de cet hiver.

Avec son masque anti-poussière filtrant les particules, Wagner a collecté les échantillons de décembre dans ce qu'elle a décrit comme un « brouillard glacial de la mort, " car une inversion de température dans toute la vallée avait entraîné un épais brouillard jaunâtre et du givre sur les aiguilles de pin. De retour au labo, l'équipe a soigneusement coupé les aiguilles en segments courts à l'aide de ciseaux en céramique pour éviter toute contamination par les métaux et les a placées dans les magnétomètres.

Une de leurs expériences a révélé que l'aimantation des aiguilles de décembre était presque trois fois plus élevée que celle des aiguilles de juin. Une autre expérience magnétique, conduit à des températures très basses, ont suggéré que les particules contenant du fer déposées lors de l'inversion sont extrêmement petites (certaines aussi petites que 1/5000 de la largeur d'un cheveu humain) et ont découvert qu'elles sont composées de magnétite, un minéral de fer qui, comme son nom l'indique, est naturellement magnétique. L'équipe a également examiné les aiguilles au microscope électronique et a confirmé que les aiguilles de décembre étaient nettement plus sales. La concentration, la taille et la composition des particules ont toutes été liées par d'autres études aux risques sanitaires de la pollution de l'air.

Ils ont également examiné les éléments présents dans les particules. Les quantités de fer dans la poussière étaient en corrélation avec les quantités d'autres éléments comme le titane, vanadium et zirconium, "et une variété d'autres choses qui sont associées à la poussière de frein ou à la combustion de combustibles fossiles, " dit Lippert.

D'autres éléments dans les particules étaient associés aux pots catalytiques, il dit, qui utilisent des catalyseurs chimiques pour détoxifier les gaz d'échappement. « Et ces concentrations, pas de surprise, sont les plus élevés près du bord de la route.

La comparaison des arbres à différentes distances de la chaussée a montré une baisse de la concentration de particules magnétiques sur une distance de 50 à 150 pieds. Cela peut être dû à la distance par rapport aux voitures, disent les chercheurs, mais aussi éventuellement à l'élévation, alors que le transect d'arbres montait sur une légère colline.

Pin artificiel

Maintenant, l'équipe s'est associée au scientifique de l'atmosphère Gannet Hallar et à l'ingénieur chimiste Kerry Kelly pour explorer d'autres questions soulevées par l'étude. Ils ont mis au point un nouveau type de moniteur d'air passif—un appareil imprimé en 3D, branche de pin artificielle avec des aiguilles pour attraper les particules. Les aiguilles artificielles sont installées à côté des aiguilles naturelles et peuvent servir de plate-forme expérimentale pour mieux comprendre comment et quand les particules se déposent sur les aiguilles à feuilles persistantes, résultats qu'ils peuvent comparer directement aux mesures des distributions de particules mesurées par l'équipement dans les laboratoires de Hallar et de Kelly.

"Si nous recevons une forte pluie, nous pouvons aller chercher avant et après cette pluie et voir si ce signal est simplement emporté chaque fois que vous avez un événement de pluie, ", dit Rea-Downing. "Ou les aiguilles biologiques absorbent-elles réellement la matière et retiennent-elles ce signal plus longtemps que les aiguilles synthétiques?"

Avec chaque arbre comme point de données potentiel, l'analyse des aiguilles de pin pourrait donner un aperçu plus complet du quoi, quand et pourquoi de la pollution de l'air dans les zones urbaines, montrant la variation de la qualité de l'air sur l'échelle de dizaines de pieds. L'analyse est simple et peu coûteuse, dit Lippert.

"Nous avons déjà beaucoup d'arbres dans le paysage, " Lippert dit. "Ils sont à un prix assez bas. Cela démocratise donc notre capacité à surveiller la pollution de l'air dans la vallée. Ceci est facilement exportable vers n'importe quelle communauté. Cela nous permet de faire plus avec moins, ou c'est notre espoir."