Na popular história infantil "Horton e o Mundo dos Quem!" o autor Dr. Seuss conta a história de um elefante gentil e protetor que tropeça em uma partícula de poeira que abriga uma comunidade de criaturas microscópicas chamadas Whos, que vivem na igualmente minúscula cidade de Whoville. Ao longo de sua jornada juntos, Horton defende a existência de Whos viajando no ar em uma partícula de poeira, enquanto os que duvidam contestam a descoberta. Em última análise, através da observação, surgem evidências para os organismos, mas independentemente do resultado, essa partícula alterou um mundo maior que o seu.

Embora este conto seja uma obra de ficção, cientistas do clima e da atmosfera consideraram um cenário de Whoville da vida real - partículas biológicas e material inorgânico circulando na atmosfera afetando o clima. Pesquisas anteriores mostraram que alguns aerossóis são muito bons na nucleação de gelo, que podem formar nuvens na troposfera. Mas, devido à química atmosférica complexa e à falta de dados, os cientistas não têm certeza de qual porcentagem dessas partículas ativas do gelo são de natureza biológica e abundantes o suficiente na troposfera para ter um impacto no clima. Além disso, analisar quimicamente o metafórico Whos de sua partícula tem se mostrado difícil - até agora.

Pesquisadores de ciências atmosféricas do Programa em Atmosferas, Oceanos e Clima (PAOC) no Departamento da Terra do MIT, As Ciências Atmosféricas e Planetárias (EAPS) encontraram uma maneira de diferenciar o material biológico na atmosfera (bioaerossóis) de partículas não biológicas com uma precisão maior do que outros métodos, usando aprendizado de máquina. Quando aplicado a amostras atmosféricas e dados coletados anteriormente, suas descobertas apóiam a evidência de que, em média, esses bioaerossóis globalmente constituem menos de 1 por cento das partículas na alta troposfera - onde podem influenciar a formação de nuvens e, por extensão, o clima - e não cerca de 25 a 50 por cento, como sugerem algumas pesquisas anteriores.

O trabalho, liderado pelo professor associado de química atmosférica do MIT Dan Cziczo e pela estudante de graduação Maria Zawadowicz, foi publicado na semana passada no jornal Química Atmosférica e Física .

Bioaerossóis em um sistema climático complexo

Bioaerossóis, um subconjunto de aerossóis atmosféricos, são partículas biológicas ou líquidos suspensos no ar em um determinado momento. Essas emissões consistem em bactérias aerotransportadas inteiras e fragmentadas, esporos de fungos, fermento, vírus, pólens, e outros materiais do meio ambiente. Seu sólido, contrapartes não biológicas, aerossóis inorgânicos, incluem materiais como partículas de poeira mineral, como apatita e monazita, e produtos de combustão industrial como cinzas volantes.

Os cientistas há muito se interessam por bioaerossóis por causa de seu potencial para formar nuvens de gelo cirrus, que têm implicações importantes para o clima - refletindo, absorvente, e transmitir luz solar, bem como radiação infravermelha térmica da Terra. Bactérias como Pseudomonas syringae usam suas propriedades de nucleação para formar cristais de gelo em tomateiros e humanos os usaram para criar neve artificial. Embora a modelagem atmosférica e climática sugira que os bioaerossóis, em média global, não são abundantes e eficientes o suficiente no congelamento para influenciar significativamente a formação de nuvens, os resultados da pesquisa variaram significativamente.

"Tem havido muito debate recentemente - nos últimos cinco a sete anos - sobre a quantidade de material biológico na atmosfera, "Cziczo diz." [As descobertas do estudo] estão espalhadas por todo o mapa, mas há um grupo de estudos que diz que é uma pequena porcentagem do aerossol atmosférico e há alguns estudos que dizem que é muito, 25 por cento ou 50 por cento. E entao, esses são os dois campos que estiveram lá, e você pode imaginar que eles têm efeitos realmente diferentes em nosso sistema climático, na precipitação, na química. "

Até agora, reunir e fazer a identificação positiva de bioaerossóis tem sido difícil. As técnicas de medição específicas do bioaerossol incluem a coleta de filtros acoplada à microscopia eletrônica ou microscopia óptica com coloração fluorescente. Os cientistas também usaram a fluorescência in-situ com um sensor de bioaerossol integrado de banda larga (WIBS), além de medir as formas e tamanhos das partículas. O problema com isso é a interferência - bioaerossóis costumam ter assinaturas químicas semelhantes à fumaça, um aerossol inorgânico. Adicionalmente, pesquisadores tentaram cultivar amostras de cepas microbianas, além de analisar seus dados off-line, no laboratório. Essas técnicas injetam incerteza significativa nas medições e alguns estudos relataram concentrações de bioaerossol maiores do que a medição total de aerossol obtida, o que é impossível.

Caso não seja complicado o suficiente, os aerossóis tornam-se química e fisicamente alterados à medida que entram na troposfera, interagindo com outros compostos atmosféricos, e quanto mais tempo eles ficam lá antes de cair, quanto mais eles envelhecem e se misturam. Finalmente, tudo isso varia por região, temporada, clima, e altitude, o que pode afetar as medições, obscurecendo ainda mais a fronteira entre bioaerossóis e aerossóis inorgânicos, e tornando a quantificação um desafio.

O grupo de pesquisa de Cziczo está interessado na inter-relação de material particulado e formação de nuvens. Sua equipe utiliza estudos de laboratório e de campo para elucidar como pequenas partículas interagem com o vapor de água para formar gotículas e cristais de gelo, que são atores importantes no sistema climático da Terra. Os experimentos incluem o uso de pequenas câmaras de nuvens em laboratório para simular as condições atmosféricas que levam à formação de nuvens e a observação de nuvens in situ de locais remotos no topo de montanhas ou por meio do uso de aeronaves de pesquisa.

Repartição de aerossol

"Uma das coisas que suspeitamos foi que as formas anteriores de determinar o material biológico provavelmente superestimaram [sua abundância] porque estavam procurando e caracterizando outras coisas como sendo biológicas que realmente não eram, "Cziczo diz.

Zawadowicz acrescenta:"Tudo na atmosfera é altamente processado. É o que confunde muitas dessas medições".

Então, em um esforço para conter a incerteza em torno dos bioaerossóis na atmosfera e restringir sua influência nos processos de formação de nuvens, Cziczo e Zawadowicz, junto com colaboradores da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica, desenvolveu uma técnica que acopla uma técnica chamada análise de partículas por espectrometria de massa a laser (PALMS) com aprendizado de máquina. Aqui, espectrometria de massa de partícula única é usada para remover e ionizar aerossóis um de cada vez, quebrando-os em fragmentos de íons e clusters, que são então detectados pelo instrumento. Cada aerossol analisado desta forma produz um espectro com características identificáveis ​​de sua composição, como uma impressão digital química.

O grupo aproveitou a presença de fósforo no espectro de massa para treinar o algoritmo de aprendizado de máquina de classificação em amostras conhecidas e, em seguida, preparado, aplicou-o aos dados de campo adquiridos do Laboratório de Storm Peak do Desert Research Institute em Steamboat Springs, Colorado, e do Estudo de Aerossóis Carbonáceos e Efeitos Radiativos com base na cidade de Cool, Califórnia.

"Então, o que Maria fez foi agarrar uma série de partículas diferentes, focando nos biológicos, bactérias, tanto em um estado vivo quanto morto, esporos de fungos, pólen, fermento, praticamente qualquer coisa que você possa imaginar que possa se transformar em um particulado atmosférico, "Cziczo diz." E ela encontrou maneiras de dispersar esses materiais e, em seguida, trazê-los para o instrumento para que pudéssemos ver sua composição. "

Algumas partículas foram quimicamente envelhecidas para imitar as interações atmosféricas, outros, quebrados fisicamente para que fossem pequenos o suficiente para serem analisados ​​e nebulizados.

Sabendo que as principais emissões atmosféricas de fósforo são provenientes de poeira mineral, produtos de combustão, e partículas biológicas, eles exploraram a presença de íons fosfato e nitrogênio orgânico e suas proporções características em amostras conhecidas para classificar as partículas. Em bioaerossóis, o fósforo ocorre principalmente em bicamadas de fosfolipídios e ácidos nucléicos, enquanto que em pó mineral como apatita e monazita, é encontrado na forma de fosfato de cálcio. Mas a divisão não é cortada e seca; compostos como poeira do solo podem incluir misturas internas de componentes biológicos e inorgânicos.

Uma vez analisado, outros picos e marcadores espectrais foram usados ​​para fornecer evidências adicionais para a classificação como biológica ou não biológica e aumentar a confiança no algoritmo e seus resultados.

"Descobrimos que, se fizermos algumas proporções de certos componentes no espectro de massa, existem certos aglomerados que se formam, e empregamos algumas técnicas estatísticas avançadas para separar os clusters e ver quais assinaturas são biológicas e quais não são, "Zawadowicz diz. A nova técnica foi capaz de classificar com precisão 97 por cento dos espectros, e quando aplicado a espectros de dados de campo, descobriram que menos de 1 por cento era biológico para a média global. Os inventários de emissões de fósforo ajudaram a confirmar isso.

A improbabilidade de um Whoville da vida real

Embora a lista de bioaerossóis testados e os conjuntos de dados usados ​​- que não incluem locais e horários de alta e baixa concentração de bioaerossol - não sejam exaustivos, o grupo encontrou evidências convincentes de que, quando se tratava de formação de nuvem cirrus, bioaerossóis eram um culpado improvável. Pesquisas anteriores presumiram que a maior parte do fósforo encontrado na atmosfera era biológico, mas Cziczo aponta que isso está em conflito com os inventários de emissões de fósforo, implicando que os compostos inorgânicos eram freqüentemente confundidos com os biológicos. Para Cziczo, essa descoberta de que os bioaerossóis representavam menos de 1% em média foi a prova do fogo.

"Não é suficiente dizer que uma partícula é boa na nucleação de gelo, também deve haver uma abundância que faça com que a formação de nuvens aconteça. E parece muito menos certo agora que temos o suficiente desses biológicos para criar o efeito que algumas pessoas sugeriram na literatura, "Cziczo diz." Em vez disso, é muito mais provável que haja outras coisas que estão causando a nucleação do gelo, como as partículas de poeira mineral. "

Mesmo que a pesquisa de Cziczo e Zawadowicz tenha lançado mais sombra sobre a existência de um "Whoville, "dizem que o trabalho está apenas começando.

"Então, agora que temos uma compreensão de como é [a presença do bioaerossol na atmosfera], e temos alguns dados de campo para dizer o quão abundante é em diferentes estações do ano em locais diferentes, a questão é:os modelos estão acertando isso? ", diz Cziczo, que tem planos de colaborar com o cientista pesquisador sênior da EAPS, Chien Wang, e a professora associada Colette Heald no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT com uma nomeação conjunta na EAPS, ambos também investigam e modelam os impactos do aerossol e do clima. Diz Cziczo, "Vamos trabalhar com eles no futuro e ver se podemos combinar todos esses dados - os dados de laboratório, os dados de campo, e os modelos juntos. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.