La regione intorno alla città di Galena, sul fiume Mississippi, Illinois, corse al piombo per la parte migliore di un secolo.

La città ha preso il nome dall'abbondanza locale della forma minerale naturale di piombo. Verso la metà del XIX secolo, l'area di Galena stava estraendo e raffinando l'80% del piombo prodotto negli Stati Uniti. Il piombo di Galena è finito in tutto, dalle vetrate ai proiettili.

Le prove della produzione principale di Galena sono emerse quasi 200 anni dopo e a circa 800 miglia di distanza in quello che potrebbe sembrare un luogo improbabile:il lago Matoaka nel campus di William &Mary.

Ma si scopre che il lago Matoaka è un deposito geologicamente ideale di particolato atmosferico. Un team di geologi William &Mary guidato da Jim Kaste e Nick Balascio ha estratto il sedimento della capsula temporale del lago Matoaka per trovare prove che tracciano lo sviluppo della rivoluzione industriale e l'era dell'automobile. I loro dati offrono approfondimenti sui cambiamenti climatici e gettano persino luce su alcuni spazi vuoti nella documentazione storica locale.

Una volta era la Palude della Speranza di Archer

"Matoaka è una specie di esemplare interessante in quanto ha una data di formazione molto precoce, che pensiamo sia intorno al 1700, " disse Balascio. Il sequestro era originariamente conosciuto come Ludwell's Mill Pond, creato dallo sbarramento di un complesso di zone umide noto come Archer's Hope Swamp. Balascio, professore assistente presso il Dipartimento di Geologia, aggiunse che oltre all'età, la peculiare geologia dell'area rende il lago Matoaka una miniera d'oro geoarcheologica, in senso figurato.

"È anche all'interno della pianura costiera, il che significa substrato roccioso facilmente eroso. Quindi i tassi di sedimentazione a Matoaka sono davvero piuttosto alti, "Ha detto Balascio. "Questo ci permette di risolvere i cambiamenti ambientali passati e la storia dell'inquinamento ad una risoluzione davvero alta".

I loro carotaggi Matoaka hanno registrato molto di più delle fusioni di piombo di Galena, offrendo nientemeno che un viaggio sedimentario attraverso l'antropocene nordamericano orientale. Hanno pubblicato i loro risultati geoarcheologici sulla rivista Antropocene con una lista di coautori tutta William &Mary:il direttore del Keck Lab Randy Chambers, Meredith Meyer, uno specialista di ricerca e di laboratorio presso VIMS; e gli studenti Madison Renshaw '18 e Kassandra Smith '17.

L'articolo sull'Antropocene non è affatto l'ultima parola sull'argomento. Il carotaggio di Matoaka è un progetto in corso e ha fornito un flusso di argomenti per gli studenti del Dipartimento di Geologia.

"Abbiamo chiesto agli studenti di selezionare il sedimento centimetro per centimetro, " disse Kaste.

"Abbiamo fatto quattro o cinque tesi di laurea sui sedimenti del lago Matoaka, " Ha aggiunto Balascio. "Ogni studente ha esaminato una misurazione individuale e le abbiamo integrate nel corso degli anni".

SPC:una reliquia degli incendi di carbone

Uno di quegli studenti è Kayla Cahoon '18, che ha tenuto una presentazione a una riunione pranzo di docenti e studenti associati al programma di scienze e politiche ambientali di William &Mary. La sua misurazione individuale era costituita da minuscoli frammenti noti come particelle carboniose sferoidali, o SPC.

"Provengono dalla combustione del carbone. Quando si brucia il carbone, accadono due cose principali. C'è la roba che è rimasta sul fondo della fornace che si chiama cenere di carbone, " Ha spiegato Cahoon. "E poi ci sono le particelle che salgono attraverso la canna fumaria e nell'atmosfera. Questo è ciò che è noto come cenere volante".

Ha continuato dicendo che gli SCP rappresentano dal cinque al dieci percento di tutte le ceneri volanti provenienti da qualsiasi fonte di carbone ardente. Le ceneri volanti alla deriva - e gli SCP che contiene - possono spostarsi nell'atmosfera da un chilometro a migliaia di chilometri dalla fonte, ha detto Cahoon.

Cahoon ha studiato un nucleo del lago Matoaka che risale al momento in cui la diga fu costruita per la prima volta. Ha preparato il suo campione in una serie di bagni caustici:acido nitrico, perossido di idrogeno, acido fluoridrico e acido cloridrico.

"Volevo divorare tutto lo sporco, il fango e le cose per lasciare solo queste particelle di carbonio, " ha detto. "Poi ho montato quelli su diapositive e ho trascorso ore a contare i punti. Su e giù e su e giù per ogni diapositiva."

Gli SPC sono, in media, di dimensioni comprese tra 20 e 30 micron. Cahoon ha esaminato i suoi vetrini su un microscopio elettronico a scansione nel William &Mary's Integrated Science Center, ma il suo strumento di lavoro era un microscopio a riflessione binoculare.

Confrontando i picchi e i cali con i record storici

Cahoon e i suoi colleghi ricercatori geoarcheologici contano quei frammenti di inquinamento in modo da poter confrontare l'abbondanza relativa del particolato dai nuclei con i documenti storici. Nel caso di Cahoon ha visto un picco negli SCP che corrispondeva all'inizio della guerra civile americana nel 1861. C'era un picco ancora più grande intorno al 1914 nel 1918, corrispondente alla prima guerra mondiale.

"Fu allora che i treni, gli aerei e le automobili si stavano davvero muovendo, e abbiamo visto un aumento davvero enorme dei combustibili fossili, " ha detto. Ha trovato un altro aumento, corrispondente all'inizio della seconda guerra mondiale:più treni, aerei e automobili.

E ci sono state diminuzioni. Cahoon ha affermato che la prima legislazione nazionale sulle emissioni di carbonio è entrata in vigore nel 1973, registrato nel sedimento del lago Matoaka come un calo di SCP. Un altro calo di SCP è stato registrato nel 1993, quando le particelle di carbonio nelle centrali elettriche a carbone hanno iniziato a essere catturate negli impianti di lavaggio delle canne fumarie e depositate nelle discariche.

Tutti quei picchi e valli appaiono in altri studi sui nuclei di sedimenti, ma Cahoon ha detto di aver trovato qualcosa di più vicino a casa. Qualcosa che non aveva visto nella sua ampia revisione della letteratura.

"Ho trovato un picco alla fine del 1700, che è coerente con la guerra rivoluzionaria e anche con la crescita di Williamsburg, " ha detto. "Nessun altro ha avuto questo in letteratura. Nessun altro ha avuto alcun tipo di raccolta di particelle SCP prima del 1830 o giù di lì."

"Ho iniziato a scavare davvero nell'aspetto storico di questo. Ho trovato alcune cose che tutti sappiamo, " Cahoon ha detto. "Nel 1699, Williamsburg divenne la capitale della Virginia e rimase qui fino al 1780.

"Ma non era solo la capitale politica, era anche la capitale industriale, " ha continuato. "C'era una grande quantità di industria accadendo qui a Williamsburg. Il principale era l'armeria di James Anderson".

L'armeria di James Anderson, o una sua versione ricreata, è in funzione a Colonial Williamsburg. Cahoon ha intervistato Ken Schwartz, maestro fabbro presso la struttura, e ha anche prelevato campioni dai loro fuochi e canne fumarie. L'Armeria Anderson dell'inizio del XVIII secolo era un luogo di notevole attività.

"Sappiamo che dal 1765 al 1780, dirigeva otto fucine al giorno per 18 ore al giorno, " ha detto. "Tutto carbone ardente. Quindi quello che ci siamo resi conto è che abbiamo una storia davvero unica sull'uso dei combustibili fossili molto prima dell'inizio della rivoluzione industriale. Prima di tutte le fabbriche. Prima che arrivassero tutti i treni".

Inquinamento di ieri =punti dati di oggi

Gli inquinanti del passato sono i dati del presente. Il sedimento archivistico del lago Matoaka ha registrato più di SCP. Kaste è professore associato nel dipartimento di geologia e attualmente è direttore del programma di scienze e politiche ambientali di William &Mary. Ha spiegato che piombo e mercurio sono ulteriori sottoprodotti della combustione del carbone.

"Quindi, dove hai SCP, puoi aspettarti di avere quei contaminanti da metalli pesanti:è incredibile quanto questi dati corrispondano ai dati SCP, " Egli ha detto.

Ma, il mercurio entra nell'ambiente da fonti diverse dalla combustione del carbone. Un progetto studentesco ha esaminato il mercurio e Kaste ha detto di aver trovato un picco di mercurio poco prima del 1900. Era una reliquia della moneta dell'epoca.

"C'erano molte miniere d'argento negli Stati Uniti dal 1880 al 1890, Egli ha detto. "Quando estrai argento o piombo, tu mio per il mercurio accidentalmente, perché sono associati allo stesso tipo di roccia. Quindi, quando fai estrazione d'argento, finisci per emettere molto mercurio nell'atmosfera."

La leggendaria firma chimica del piombo

come mercurio, il piombo entra nell'ambiente da una serie di fonti oltre agli incendi di carbone. Il particolato di piombo è prodotto anche dalla fusione del piombo, Certo. Kaste ha detto che le carote di sedimento hanno rivelato un aumento consistente della concentrazione di piombo dal 1700 al 1750, coerente con la crescita industriale di Williamsburg in epoca coloniale.

"La cosa interessante è che vedi un calo subito dopo la rivoluzione americana, " ha detto. "Questo è coerente con i documenti storici che suggeriscono che Williamsburg sia caduto dopo che la capitale è stata trasferita a Richmond".

Un altro picco si presentò intorno al 1860, coerente con l'apice dell'industria del piombo Galena. Kaste ha spiegato che possono distinguere tra piombo da una fonderia e piombo da un fuoco di carbone o altre fonti. (Mercurio ha firme chimiche diagnostiche simili.)

"Il piombo ha diverse firme isotopiche, " ha detto. "C'è piombo 206, 207, 208. Carbone, Per esempio, è arricchito in piombo 207, mentre l'erosione dei sedimenti si arricchisce di un altro isotopo."

La loro sofisticata analisi chimica può anche rivelare la fonte del minerale di piombo fuso Kaste ha affermato che il minerale di piombo della regione di Galena ha una firma chimica molto particolare. Il giacimento minerario del Midwest superiore che alimentava le fonderie di Galena fu infine estratto, e Caste, Balascio ei loro studenti sono stati in grado di tracciare il declino del piombo Galena nei loro carotaggi Matoaka. Ma il piombo è tornato.

"Vediamo la seconda guerra mondiale, un grande salto proprio intorno al 1942, "Ha detto Kaste. "Questo proverrà dall'estrazione di piombo associata alla produzione di tutti i proiettili per lo sforzo bellico. L'estrazione mineraria era per lo più in Idaho."

Dopo la guerra Kaste disse che c'era stato un leggero calo, e poi l'America entrò in un'era che chiamò "peak lead".

"Negli anni Sessanta, usiamo il piombo nella benzina. Ogni volta che hai riempito il tuo serbatoio, hai messo piombo tetraetile nel serbatoio del gas, " disse Kaste. "E poi quando hai premuto sull'acceleratore e hai bruciato il gas, the lead went out your tailpipe and it went up and moved around a couple hundred miles and then came back down whenever it rained."

And the 1977 enacting of clean air legislation and the advent of unleaded gasoline were duly noted by a rather sudden disappearance of certain lead isotopes in Lake Matoaka sediment.

"When I teach introductory environmental science and policy, I like to use this as an example of legislation that worked, " Kaste said. "You can see this in ice cores, you can see this in lake sediments. Once we made the lead illegal to put in gasoline, the atmosphere got cleaned up pretty quickly."