Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Amateurwissenschaftler werden

Ein Leitartikel in einem führenden Wissenschaftsjournal verkündete einst das Ende der Amateurwissenschaft: „Moderne Wissenschaft kann nicht mehr von talentierten Amateuren mit Lupe, Kupferdrähten und alkoholreichen Gläsern gemacht werden.“ Ich grinste, als ich diese Worte las. Damals wie jetzt gibt es eine 10-fach-Lupe in meiner Tasche, Spulen aus Kupferdraht auf meiner Werkbank und ein nahes Gefäß mit Methanol zum Reinigen der UV-Filter in meinen selbstgebauten Sonnen-UV-Spektralradiometern. Ja, die moderne Wissenschaft verwendet wesentlich ausgefeiltere Methoden und Instrumente als in der Vergangenheit. Und wir auch Amateure. Wenn wir uns das neueste wissenschaftliche Instrument nicht leisten können, warten wir mit dem Kauf auf dem Überschussmarkt oder wir bauen unser eigenes Instrument. Manchmal sind die Fähigkeiten unserer hausgemachten Instrumente mit denen ihrer professionellen Kollegen vergleichbar oder übertreffen diese sogar.

So begann ein Essay über Amateurwissenschaften, bei dem ich gebeten wurde, für Science (April 1999, bit.ly/cTuHap), eine der weltweit führenden Wissenschaftszeitschriften, zu schreiben. Ironischerweise stammte das Zitat im ersten Satz aus einem Editorial, das zuvor in Science veröffentlicht worden war.

In den elf Jahren, seit mein Aufsatz in Science erschien, haben Laienwissenschaftler das getan, was sie seit Jahrhunderten getan haben. Sie haben bedeutende Dinosaurierfossilien entdeckt, neue Pflanzenarten entdeckt und viele neue Kometen und Asteroiden identifiziert. Ihre Entdeckungen wurden in wissenschaftlichen Zeitschriften und Büchern veröffentlicht. Tausende von Websites zeigen eine enorme Vielfalt an Amateurtipps, Projekten, Aktivitäten und Entdeckungen. Ralph Coppola hat viele dieser Websites in "Wanderings" aufgeführt, seiner monatlichen Kolumne in The Citizen Scientist (sas.org/tcs).

Heutige Amateurwissenschaftler haben Zugang zu hochentwickelten Komponenten, Instrumenten, Computern und Software, die 1962 noch gar nicht vorstellbar war, als ich meinen ersten Computer baute, ein primitives Analoggerät, das 20 Wörter Russisch mithilfe eines Speichers in Englisch übersetzen konnte bestehend aus 20 Trimmerwiderständen (bit.ly/atF5VL).

Mit Komponenten wie LEDs mit mehreren Wellenlängen und Laserdioden können Spektralradiometer und Instrumente hergestellt werden, die die Durchlässigkeit von Licht durch die Atmosphäre messen. Mit digitalen Video- und Standbildkameras erzeugte Bilder können mit freier Software wie ImageJ analysiert werden, um die natürliche Welt auf eine Weise zu untersuchen, die vor einigen Jahrzehnten nicht einmal vorstellbar war. Amateurastronomen können kostengünstige Digitalkameras an ihren Teleskopen anbringen, die dann den Himmel unter Computersteuerung scannen.

Kameras, Mikroskope, Teleskope und viele andere vormontierte Produkte können modifiziert oder anderweitig gehackt werden, um spezialisierte wissenschaftliche Instrumente bereitzustellen. Digitalkamerasensoren sind beispielsweise sehr empfindlich für Wellenlängen im nahen Infrarotbereich, die über die Grenzen des menschlichen Sehvermögens hinausgehen, von etwa 800nm ​​bis 900nm. Über den Kamerasensoren angeordnete IR-Sperrfilter blockieren das nahe IR, so dass Fotos mit Bildern dargestellt werden, wie sie vom menschlichen Auge gesehen werden. Durch Entfernen des Nahinfrarotfilters kann eine Kamera die unsichtbaren Wellenlängen aufnehmen, die von gesundem Laub so gut reflektiert werden.

Viele der Macher, die ihre Projekte auf den Seiten von MAKE, Nuts und Volts und im Internet veröffentlichen, verfügen über die technischen Fähigkeiten und Ressourcen, um wissenschaftliche Instrumente und Instrumente zu entwickeln, die weit fortgeschrittener sind als alles, was meine Generation von Amateurwissenschaftlern entwickelt hat. Sie haben auch die Möglichkeit, diese Tools zu verwenden, um ihre eigenen wissenschaftlichen Messungen, Studien und Umfragen zu beginnen. Sie haben somit das Potenzial, Pioniere für die nächste Generation ernster Amateurwissenschaftler zu werden.

In früheren Raten dieser Kolumne wurden Ansätze für den Einstieg in die Welt der Amateurwissenschaften behandelt. Weitere Kolumnen werden weitere vorstellen. Ich beende diesen Teil zunächst mit einem kurzen Bericht darüber, wie ich anfing, ernsthafte Amateurwissenschaft zu betreiben, damit Sie sehen können, wie relativ einfache Beobachtungen der Atmosphäre mehr als 20 Jahre gedauert haben und sich mit etwas Glück für ein anderes fortsetzen werden 20 Jahre.

Fallstudie: 20 Jahre Überwachung der Ozonschicht

Im Mai 1988 las ich, dass die US-Regierung geplant hatte, ein Programm zur Überwachung der ultravioletten B-Strahlenstrahlung aufgrund von Problemen mit den Instrumenten zu beenden. Innerhalb weniger Monate begann ich die tägliche UVB-Überwachung mit einem selbstgebauten Radiometer. Das Radiometer verwendete eine kostengünstige integrierte Operationsverstärkerschaltung, um den von einer UV-empfindlichen Fotodiode erzeugten Strom zu verstärken.Ein Interferenzfilter passierte nur die UVB-Wellenlängen von etwa 300nm bis 310nm und blockierte die sichtbaren Wellenlängen.

Ich habe im August 1990 in Scientific American beschrieben, wie man zwei Versionen des UVB-Radiometers in der Spalte „The Amateur Scientist“ anfertigt. In diesem Artikel wurde auch beschrieben, wie das Radiometer eine signifikante Verringerung des UVB-Werts der Sonne feststellte, als im September 1988 dicker Waldbrand im Yellowstone National Park über meinen Platz in Südtexas driftete.

Ozon absorbiert stark UV, und die Menge an Ozon in einer Säule durch die gesamte Atmosphärenschicht kann durch Vergleich der UV-Menge bei zwei eng beabstandeten UV-Wellenlängen bestimmt werden. Dies ist möglich, weil kürzere Wellenlängen mehr als längere Wellenlängen absorbieren.

Dies bedeutete, dass mein einfaches UVB-Radiometer die Hälfte eines Ozonmonitors bildete. Also baute ich zwei Radiometer in einem Gehäuse, das etwa halb so groß war wie ein Taschenbuch. Die Fotodiode eines Radiometers war mit einem Filter ausgestattet, mit dem UVB bei 300 nm gemessen wurde, und der zweite wurde mit einem 305 nm-Filter ausgestattet. Ich nannte das Instrument "TOPS" für das tragbare Total-Ozon-Spektrometer. (Die vollständigen Details finden Sie unter bit.ly/9JOth9.)

TOPS wurde mit den vom Nimbus-7-Satelliten der NASA überwachten Ozonwerten kalibriert. Dies stellte einen empirischen Algorithmus bereit, der es TOPS ermöglichte, die Ozonschicht auf etwa 1% der vom Satelliten gemessenen Menge zu messen. Im Jahr 1990 stimmten die Ozonmessungen von TOPS und Nimbus-7 eng überein. 1992 begannen die beiden Datensätze jedoch voneinander abzuweichen, so dass der TOPS einige Prozent mehr Ozon als der Satellit zeigte.

Als ich die Ozonwissenschaftler im Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA über die Diskrepanz informierte, erinnerten sie mich höflich daran, dass das Satelliteninstrument Teil eines großen wissenschaftlichen Programms und kein selbstgebasteltes Instrument war. Ich antwortete, dass ich einen zweiten TOPS gebaut hatte und beide einen ähnlichen Unterschied zeigten, aber das überzeugte sie nicht.

Im August 1992 besuchte ich zum ersten Mal das Mauna Loa-Observatorium in Hawaii, um meine Instrumente an dieser unberührten Stelle 11.200 Meter über dem Pazifischen Ozean zu kalibrieren. Dort wurde auch das Weltstandard-Ozon-Instrument kalibriert, und es zeigte sich ein Unterschied in den von Nimbus-7 vorgenommenen Ozonmessungen, der dem, was ich beobachtet hatte, ähnelte.

Schließlich gab die NASA bekannt, dass sich die Kalibrierung ihres Ozon-Satelliteninstruments tatsächlich verändert hat. Ein Artikel, über den ich darüber geschrieben habe, hat meine Karriere als ernsthafter Amateurwissenschaftler ausgelöst, als er in Nature veröffentlicht wurde, einem anderen führenden Wissenschaftsmagazin ("Satellite Ozone Monitoring Error", Seite 505, 11. Februar 1993). Später lud mich die GSFC zu einem Seminar über meine atmosphärischen Messungen ein, die sie mit dem Titel "Erforschung der Erdkunde für ein billiges Budget" betreute. Dieser Vortrag führte zu zwei von der GSFC gesponserten Reisen, um die rauchige Atmosphäre in Brasilien während der jährlichen Brenndauer dieses Landes und mehrere zu studieren Reisen zu großen Waldbränden in den westlichen US-Bundesstaaten.

Weitergehen

Die regelmäßigen Ozonmessungen, die ich am 4. Februar 1990 begann, sind bis heute fortgesetzt worden, zusammen mit Messungen, die mit verschiedenen selbstgemachten Instrumenten der Wasserdampfschicht, Trübung, UVB und anderen Parametern gemacht wurden. In zukünftigen Kolumnen werden wir untersuchen, wie Sie solche Messungen auch durchführen können - und möglicherweise eigene Entdeckungen machen.

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