Это может быть ошибочно принято за научный ярмарочный проект, ставший безумным: водонепроницаемая коробка размером с чемодан, наполненная трубками, электронными проводами, датчиками и светодиодным дисплеем. Для Уитмена Миллера в этом вся прелесть. Все легко доступно, относительно недорого и удивительно сложно. Ему нужно это сочетание качеств. Потому что, чтобы получить ответы, которые он ищет, ему нужно будет установить множество таких коробок.
Из этой истории
Смитсоновский центр экологических исследований Смитсоновская морская станция, Форт Пирс, ФлоридаМиллер - исследователь в Смитсоновском центре экологических исследований, и он пытается понять влияние роста CO2 на химический состав воды в прибрежных экосистемах. За последние 150 лет сжигание ископаемого топлива и другие процессы промышленного производства закачивали огромное количество CO2 в атмосферу. Многое из этого попало в океаны Земли, где реагирует с морской водой и снижает рН. В результате воды Земли становятся более кислыми, и это состояние может лишить многие очищенные от шлаков организмы их кальция и угрожать разрушению целых экосистем.
Хотя чаще всего упоминается подкисление океана, эффект повышения CO2 не ограничивается водами океана. Там просто легче увидеть. Поверхность океана представляет собой довольно однородную среду, где концентрации CO2 в воде, как правило, находятся в равновесии с CO2 в атмосфере - в настоящее время около 399, 6 частей на миллион (ppm). В течение последних нескольких десятилетий ученые наблюдали за тем, как оно постоянно растет со скоростью 1 промилле в год.
Но историю не так легко прочитать в прибрежных экосистемах, где концентрации CO2 могут колебаться на тысячи частей на миллион в один день. Прибрежные системы намного сложнее, с большим количеством движущихся частей. Здесь пресная вода смешивается с соленой водой. Температура и соленость изменяются от одного местоположения до другого и могут измениться с приливами. Уровень кислорода повышается в течение дня, когда фотосинтез трав и водорослей, и падает ночью, когда прекращается фотосинтез. Все эти взаимодействия приводят к резким колебаниям уровня CO2. Они также варьируются от одного места к другому и ежедневно. Понимание того, как сравнительно небольшое увеличение глобального CO2 будет влиять на систему с таким большим количеством естественных колебаний, означает, что нужно точно знать, как эта система работает.
Чемодан упакован датчиками барометрического давления, датчиками температуры, датчиками относительной влажности и, конечно, датчиком CO2. (Кимба Катлип) «Мы пытаемся выявить многие из этих разных драйверов», - говорит Миллер. «Потому что мы знаем, что это не просто воздушно-морское равновесие. Мы знаем, что есть наземные морские интерфейсы. Мы знаем, что существуют биологические эффекты фотосинтеза и дыхания, а также физические последствия попадания воды в разных местах. Но чтобы выявить каждый из этих драйверов, мы узнаем, что нам нужно много и много измерений. Нам нужна высокая плотность измерений из-за этой особой пятнистости и из-за того, как она изменяется во времени в ежедневных, сезонных и приливных масштабах ».
Миллеру нужна сеть станций мониторинга для сбора данных такого уровня, сеть, которая была непрактичной, когда он начал эту работу. Необходимыми контрольно-измерительными приборами были океанические буи и крупные исследовательские суда стоимостью в десятки тысяч долларов за прибор.
Поэтому Миллер начал разрабатывать другой вариант. Он строит свои собственные портативные, недорогие станции мониторинга с легкодоступными электронными компонентами и недорогим микроконтроллером того типа, который любители используют для создания роботов и детекторов движения. Он придумал разницу между маленькой комнатой, полной оборудования, стоимостью 100 000 долларов, и коробкой размером с чемодан по цене домашней метеостанции высокого класса.
В этой коробке Миллер упаковал датчики барометрического давления, датчики температуры, датчики относительной влажности и, конечно, датчик CO2. «Этот парень здесь стоит менее 300 долларов», - говорит он, указывая на квадрат электроники, не превышающий колоду карт. «Инфракрасный газоанализатор - это сердце самого измерения CO2». Он говорит, что сопутствующий инструмент на океаническом буе может стоить до 20 000 долларов.
Имея легкодоступное электронное оборудование и недорогие водонепроницаемые коробки, Миллер и его коллеги могут создавать устройства прямо в своей лаборатории. (Кимба Катлип) Снаружи, на «мокрой стороне», вода прокачивается через трубку и приводится в равновесие с небольшим объемом воздуха. Газоанализатор определяет концентрацию CO2 в этом воздухе, а регистратор данных отслеживает 24/7.
«Это инновационный подход, - говорит Марио Тамбурр, - чтобы взглянуть на простой недорогой способ получения этих измерений». Тамбурри - профессор исследований в Центре наук об окружающей среде Университета Мэриленда (UMCES). «Нашей самой большой проблемой сейчас является возможность контролировать эти важные параметры в правильном временном и пространственном масштабе. Таким образом, эти виды измерений с высоким временным и пространственным разрешением являются ключевыми для понимания проблем подкисления, особенно в прибрежных водах ».
Тамбурри также является исполнительным директором Альянса за прибрежные технологии, партнерства между исследовательскими организациями, которые служат своего рода лабораторией для тестирования научного оборудования. «Одна из вещей, которые мы пытаемся сделать, - способствовать разработке и внедрению новых инноваций». Он уже год управляет одной из станций мониторинга Миллера с пристани в UMCES, «чтобы продемонстрировать свои возможности и потенциал, чтобы другие пользователи могли затем иметь некоторую уверенность в принятии его. ”
В настоящее время действуют три другие станции мониторинга CO2. Один в Смитсоновском центре экологических исследований в Эджуотере, где работает Миллер, один на Смитсоновской морской станции в Форт-Пирсе, штат Флорида, и другой в Смитсоновском институте тропических исследований в Панаме. Миллер еще не готов начать массовое производство своих инструментов. У него есть еще несколько настроек, прежде чем он сможет приступить к разработке сети сайтов мониторинга по всему Чесапикскому заливу. Он работает над заменой насоса на тот, который потребляет меньше энергии, предпочтительно тот, который работает на солнечной энергии. И он надеется снизить цену еще больше (одна станция сейчас стоит около 7000 долларов). В конце концов он надеется привлечь гражданских ученых, добровольцев, желающих держать их на своих частных пирсах.
«Мой золотой стандарт для инструмента заключается в том, что вы можете передать его гражданскому ученому, - говорит он, - и чтобы они могли заботиться о нем, управлять им и разрабатывать данные. Это должно быть то, что кто-то, кто не имеет многолетнего образования, используя инструменты, может заставить его работать ».
Это то, что нужно для того, чтобы получить результаты измерений, необходимые для истинного понимания роли роста CO2 в этих сложных системах.
Устройство управления, которое Миллер называет «сердцем всего этого», представляет собой небольшой микропроцессор, впервые разработанный для любителей, желающих создавать простых роботов. (Кимба Катлип)
