Geld sparen ist großartig, aber das Speichern der Chesapeake Bay wird noch besser

Es könnte verwechselt werden mit einem Science-Fair-Projekt, das vom Aussterben bedroht ist - einer koffergroßen wasserdichten Box, die mit Schläuchen, elektronischen Kabeln, Messgeräten und einem LED-Display gefüllt ist. Für Whitman Miller ist das das Schöne daran. Alles ist leicht verfügbar, relativ günstig und bemerkenswert raffiniert. Er braucht diese Kombination von Eigenschaften. Denn um die Antworten zu bekommen, die er sucht, muss er viele, viele dieser Boxen installieren.

Aus dieser Geschichte

Smithsonian-Umweltforschungszentrum Smithsonian Marine Station, Fort Pierce, Florida

Miller ist Forscher am Smithsonian Environmental Research Center und versucht, die Auswirkungen des CO2-Anstiegs auf die Wasserchemie in Küstenökosystemen zu verstehen. In den letzten 150 Jahren hat die Verbrennung fossiler Brennstoffe und anderer industrieller Herstellungsprozesse große Mengen an CO2 in die Atmosphäre gepumpt. Ein Großteil davon ist in den Ozeanen der Erde gelandet, wo es mit Meerwasser reagiert und den pH-Wert senkt. Infolgedessen werden die Gewässer der Erde saurer. Dies kann dazu führen, dass viele geschälte Organismen von ihrem Kalzium befreit werden und das gesamte Ökosystem zu zerstören droht.

Obwohl am häufigsten als Ozeanversauerung bezeichnet, ist die Auswirkung des CO2-Anstiegs nicht auf Meeresgewässer beschränkt. Es ist dort nur einfacher zu sehen. Die Meeresoberfläche ist eine ziemlich homogene Umgebung, in der die CO2-Konzentrationen im Wasser im Allgemeinen im Gleichgewicht mit dem CO2 in der Atmosphäre sind - derzeit etwa 399, 6 ppm (parts per million). Wissenschaftler beobachten, wie es in den letzten Jahrzehnten mit einer Rate von 1 ppm pro Jahr stetig ansteigt.

Aber die Geschichte ist in Küstenökosystemen, in denen die CO2-Konzentrationen an einem einzigen Tag um Tausende von Teilen pro Million schwanken können, nicht so einfach zu lesen. Küstensysteme sind viel komplexer mit viel mehr beweglichen Teilen. Hier mischt sich Süßwasser mit Salzwasser. Temperatur und Salzgehalt variieren von Ort zu Ort und können sich mit den Gezeiten ändern. Der Sauerstoffgehalt steigt tagsüber an, wenn Gräser und Algen photosynthetisieren, und stürzt nachts ab, wenn die Photosynthese stoppt. All diese Wechselwirkungen führen zu dramatischen CO2-Schwankungen. Sie variieren auch von Ort zu Ort und täglich. Zu verstehen, wie sich ein vergleichsweise geringer Anstieg des globalen CO2 auf ein System mit so vielen natürlichen Schwankungen auswirkt, bedeutet, genau zu lernen, wie dieses System funktioniert.

Der Koffer ist mit Luftdrucksensoren, Temperatursensoren, Sensoren für relative Luftfeuchtigkeit und natürlich einem CO2-Sensor ausgestattet. (Kimba Cutlip)

"Wir versuchen, viele dieser verschiedenen Fahrer herauszufiltern", sagt Miller. „Weil wir wissen, dass es nicht nur ein Luft-Meer-Gleichgewicht gibt. Wir wissen, dass es Land-See-Schnittstellen gibt. Wir wissen, dass es biologische Auswirkungen der Photosynthese und Atmung sowie physikalische Auswirkungen des Wassereintrags an verschiedenen Orten gibt. Um jeden dieser Treiber herauszufiltern, müssen wir jedoch feststellen, dass wir sehr viele Messungen benötigen. Aufgrund dieser besonderen Uneinheitlichkeit und der zeitlichen Veränderung auf Tages-, Saison- und Gezeiten-Skalen benötigen wir eine hohe Messdichte. “

Miller benötigt ein Netzwerk von Überwachungsstationen, um diese Datenmenge zu erfassen, ein Netzwerk, das zu Beginn dieser Arbeit nicht praktikabel war. Die erforderlichen Überwachungsinstrumente bestanden aus Meeresbojen und großen Forschungsschiffen, die Zehntausende Dollar pro Instrument kosteten.

Also begann Miller, eine andere Option zu entwickeln. Er hat seine eigenen tragbaren, kostengünstigen Überwachungsstationen mit leicht verfügbaren elektronischen Bauteilen und einem kostengünstigen Mikrocontroller gebaut, wie ihn Bastler zur Herstellung von Robotern und Bewegungsmeldern verwenden. Was er sich ausgedacht hat, ist der Unterschied zwischen einem kleinen Raum voller Geräte für 100.000 US-Dollar und einer koffergroßen Box zum Preis einer High-End-Wetterstation für zu Hause.

In diesem Karton hat Miller Luftdrucksensoren, Temperatursensoren, Sensoren für relative Luftfeuchtigkeit und natürlich einen CO2-Sensor verpackt. "Dieser Typ hier kostet weniger als 300 Dollar", sagt er und zeigt auf ein Elektronikfeld, das nicht größer ist als ein Kartenspiel. „Der Infrarot-Gasanalysator - dies ist das Herzstück der eigentlichen CO2-Messung.“ Das Korollarinstrument an einer Ozeanboje könnte bis zu 20.000 US-Dollar kosten.

Mit leicht verfügbaren elektronischen Geräten und kostengünstigen wasserdichten Gehäusen können Miller und seine Kollegen die Geräte direkt in ihrem Labor bauen. (Kimba Cutlip)

Außerhalb der Box wird auf der "nassen Seite" Wasser durch ein Rohr gepumpt und mit einem kleinen Luftvolumen ins Gleichgewicht gebracht. Der Gasanalysator bestimmt die CO2-Konzentration in dieser Luft, und ein Datenlogger verfolgt die Daten rund um die Uhr.

"Dies ist ein innovativer Ansatz", sagt Mario Tamburr, "um einen einfachen, kostengünstigen Weg zu finden, um diese Messungen zu erhalten." Tamburri ist Forschungsprofessor am Zentrum für Umweltwissenschaften der Universität von Maryland (UMCES). „Unser größtes Problem ist es jetzt, diese wichtigen Parameter im richtigen zeitlichen und räumlichen Maßstab zu überwachen. Daher sind Messungen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung der Schlüssel zum Verständnis der Probleme der Versauerung, insbesondere in Küstengewässern. “

Tamburri ist außerdem Geschäftsführer der Allianz für Küstentechnologien, einer Partnerschaft zwischen Forschungseinrichtungen, die als eine Art Testlabor für wissenschaftliche Geräte dient. „Wir versuchen unter anderem, die Entwicklung und Einführung neuer Innovationen zu fördern.“ Seit einem Jahr betreibt er eine von Millers Überwachungsstationen am Pier von UMCES, „um die Fähigkeiten und das Potenzial zu demonstrieren, die andere Benutzer dann auch nutzen können Vertrauen in die Übernahme. “

Derzeit sind drei weitere CO2-Messstationen in Betrieb. Eine am Smithsonian Environmental Research Center in Edgewater, wo Miller arbeitet, eine an der Smithsonian Marine Station in Fort Pierce, Florida, und eine am Smithsonian Tropical Research Institute in Panama. Miller ist noch nicht bereit, mit der Massenproduktion seiner Instrumente zu beginnen. Er muss noch einige Verbesserungen vornehmen, bevor er ein Netzwerk von Überwachungsstandorten in der gesamten Chesapeake Bay aufbauen kann. Er arbeitet daran, die Pumpe durch eine zu ersetzen, die weniger Strom verbraucht, vorzugsweise eine, die mit Solarenergie betrieben wird. Und er hofft, den Preis noch weiter senken zu können (eine Station kostet jetzt etwa 7.000 US-Dollar). Schließlich hofft er, Bürgerwissenschaftler zu gewinnen, Freiwillige, die bereit sind, sie an ihren privaten Anlegestellen zu behalten.

„Mein Goldstandard für ein Instrument ist, dass Sie es einem Bürgerwissenschaftler übergeben können“, sagt er, „und dass er es pflegen und betreiben und die Daten entwickeln kann. Es muss etwas sein, das jemand, der nicht jahrelang mit Instrumenten unterrichtet ist, zum Funktionieren bringen kann. “

Genau das ist erforderlich, um die Art von Messungen zu erhalten, die erforderlich sind, um die Rolle des CO2-Anstiegs in diesen komplexen Systemen wirklich zu verstehen.

Das Steuergerät, das Miller als "Herzstück" bezeichnet, ist ein kleiner Mikroprozessor, der zuerst für Bastler entwickelt wurde, die einfache Roboter bauen möchten. (Kimba Cutlip)