Citizen Science: Probieren Sie das zu Hause aus

Im November 2015 versammelten sich mehrere Hundert Menschen zu einem Treffen in Ben Avon, einem Stadtteil mit rund 2.000 Einwohnern, der nordwestlich von Pittsburgh am Ohio River liegt. Wie bei früheren Versammlungen dieser Art waren die Bewohner gekommen, um die neuesten Informationen über einen unerwünschten Nachbarn zu erhalten.

Dieser Nachbar war die Shenango Coke Works, eine Kohleverarbeitungsanlage, die sich an einem Ende einer Insel direkt gegenüber von Ben Avon befand. Die Bewohner hatten lange vermutet, dass die Emissionen der Anlage die Luft regelmäßig so stark belasten, dass das Leben dort eine Gefahr darstellt. Sie machten die schlechte Luft für Asthma, Übelkeit, Kopfschmerzen und unzählige andere Krankheiten verantwortlich, die sie und ihre Familien erlitten hatten. In der Vergangenheit fehlten ihnen jedoch eindeutige Beweise außerhalb ihrer eigenen Erfahrungen.

Also haben sie welche gefunden.

Kurz nach Beginn des Treffens stand der Informatiker der Carnegie Mellon University, Randy Sargent, mit einem Vertreter der US-Umweltschutzbehörde in der ersten Reihe auf und begann, Zeitraffervideos von Kameras durchzugehen, mit denen er der Nachbarschaft geholfen hatte, in Richtung Shenango zu zeigen. Die Kameras nahmen alle 5 Sekunden rund um die Uhr Bilder auf und machten es einfacher, das zu tun, was die Community im Laufe der Jahre versucht hatte: den Rauch zu beobachten.

Das Unterscheiden giftiger Wolken von reinem Dampf ist eine heikle Angelegenheit. Daher wandte sich die Community an Sargent, der im CREATE Lab (Community Robotics, Education and Technology Empowerment) der CMU arbeitet. Er und sein Kollege Yen-Chia Hsu entwickelten einen Computer-Vision-Algorithmus, um in jedem Bild schlechte Raucharten zu erkennen.

Das resultierende Video, das aus Hunderten von Einzelbildern zusammengesetzt war, zeigte eine Schleife aus schwarzen, braunen, blauen und orangefarbenen Wolken aus einem einzigen Monat. Zusammen mit den Sensordaten von Bund, Ländern und Gemeinden, die aus den entsprechenden Tagen stammten, schien Ben Avons Verdacht endlich eine gewisse Grundlage zu haben: Shenango setzte fünf von sieben Tagen genehmigungspflichtige Mengen giftiger Substanzen in die Luft frei.

Der Shenango-Kanal

Einen Monat später kündigte DTE Energy die Schließung seines Werks in Shenango an und verwies auf einen schwachen Stahlmarkt und einen Mangel an Kunden. Bis Januar hatte die Anlage ihre letzte Partie Kohle gebacken und soll nun abgerissen werden.

"Sie sagten, es handele sich um wirtschaftliche Probleme, aber ich frage mich, ob sich der Zeitplan aufgrund des Drucks der Community geändert hat", sagte Bea Dias, Projektdirektorin bei CREATE Lab. "Der Algorithmus war ein Werkzeug, das ihren Stimmen mehr Gewicht verlieh, ein zusätzliches Bein, um einen Fall zu schaffen. Aber die Technik hätte nicht funktioniert, wenn es keine aktive Community gegeben hätte, die Leute, die es vor die Bühne stellten." Entscheidungsträger ständig."

Die Dias-Gruppe hat den Auftrag, direkt mit den Communities zusammenzuarbeiten, um ihnen Hardware, Software und andere Lösungen zur Verfügung zu stellen, mit denen sie ihre Probleme angehen können. Der Computer-Vision-Algorithmus erwies sich als besonders leistungsfähige Umsetzung dieses Mandats. Dies ist jedoch nur ein Beispiel in einem Bereich, der in den letzten Jahren ein erstaunliches Wachstum verzeichnete: Hightech-Tools für die Citizen Science.

All-Access-Pass

Selbst wenn Sie keine Fabrik haben, die schlechte Luft in Ihrem Hinterhof abpumpt, möchten Sie sich vielleicht dennoch auf eine Art Citizen Science einlassen - eine Forschung, die von begeisterten Amateuren entweder allein oder in Zusammenarbeit mit professionellen Wissenschaftlern durchgeführt wird. Zum Glück ist für jeden etwas dabei.

Möchten Sie bei der Suche nach Exoplaneten und Quasaren durch Terabytes von Weltraumteleskopdaten helfen? Fahr rüber zum Zooniverse. Vielleicht haben Sie ein Laborprojekt im Sinn, aber Sie können sich die Ausrüstung nicht leisten. Kein Problem; Drucken Sie die Teile aus einer Blaupause im Open-Source-Labor von Appropedia aus.

Wie wäre es mit ein bisschen DIY-Biologie? Lokale Biospaces wie BioCurious in Santa Clara, Kalifornien, oder das Baltimore Underground Science Space in Maryland können Projekte beraten und unterstützen, die von der DNA-Extraktion bis zum Drucken von Zellkulturen reichen.

Das Basteln mit Projekten und Crowd-Sourcing-Daten ist eine der Hauptbeschäftigungen der Citizen Science, und ein wichtiger Impuls dafür ist Empowerment.

"Diese jüngste Ära der Deregulierung des Bundes wirft ein Schlaglicht auf die Unzulänglichkeiten und Lücken in der Aufsicht, und wenn wir uns nicht auf staatliche Eingriffe verlassen können, müssen wir uns auf uns selbst verlassen", sagte Gretchen Gehrke, Daten- und Interessenvertreterin bei Public Lab. Der Zugang zu den dafür erforderlichen Werkzeugen könne jedoch eine Herausforderung sein, fügte sie hinzu.

"Access" bedeutet oft einfach "Dinge billiger machen". Dank der ständig steigenden Kosten für Sensoren und Mikrocontroller, des Zugangs zu Satellitendaten und der Bereitschaft anderer, technisches Fachwissen auszutauschen, sind hochentwickelte Tools, die einst nur institutionellen Forschern zur Verfügung standen, jetzt in den Händen von jedem, der sie möchte.

(Foto: Andrew Thaler)

Betrachten Sie die Raspberry Pi-basierten Spektrometer-Designs, die auf den Community-Seiten von Public Lab bereitgestellt werden. Spektrometer werden verwendet, um Informationen über ein Objekt oder Substanzen durch die Analyse ihrer Lichteigenschaften zu bestimmen. Eine kommerzielle Handheld-Version kostet ungefähr 1.500 US-Dollar. ein sperriges Labor-Arbeitstier ist fünfmal so groß. Oder mit ein wenig Anleitung können Sie sich eine für ca. 70 US-Dollar bauen.

Ein weiterer bürgerwissenschaftlicher Pionier ist Andrew Thaler (Bild unten), ein Tiefseeforscher und Berater für Meeresökologie, der die Ozeanographie für jedermann aufgrund von Zugangsbeschränkungen ins Leben gerufen hat. Das erklärte Ziel der Organisation lautet: "Unterstützung von Forschern, Pädagogen und Bürgern durch kostengünstige Open-Source-Hardware."

Das Hauptwerkzeug, an dem Thaler arbeitete, war eine CTD, die in der Ozeanographie zur Messung von Leitfähigkeit (Salzgehalt), Temperatur und Druck verwendet wurde. Es ist ein unverzichtbares Hilfsmittel, um eine aquatische Umgebung zu studieren und zu verstehen. Wenn Sie jedoch eine haben möchten, sollten Sie sich darauf vorbereiten, mindestens 6.000 US-Dollar bis zu Zehntausenden auszugeben.

(Foto: Andrew Thaler)

Mit viel Geduld und Zusammenarbeit mit Freunden und Kollegen entwickelte Thaler einen CDT für 300 US-Dollar. Die teuerste Komponente ist der Sensor selbst, der fast 200 US-Dollar kostet. Getestet mit einem Gerät, das das 200-fache kostete, lieferte die CTD von Thaler Daten innerhalb einer 2-prozentigen Fehlerquote des teureren Geräts.

"Es wird immer wichtiger, Wissenschaftler daran zu erinnern, dass sie auch Bürger sind", sagte Thaler. "Sicher, Sie haben möglicherweise Zugang zu einem massiven Forschungsstipendium und können eine kommerzielle Einheit im Wert von 60.000 US-Dollar kaufen. Aber das ist eine enorme Eintrittsbarriere für Gemeindegruppen, die ihre eigenen Wasserstraßen überwachen möchten. Wenn Sie auch Programme unterstützen, die das gleiche Stück machen." von Ausrüstung billiger, wird viel mehr Wissenschaft getan."

Durch den Zugang zu Überwachungs- und Robotertools konnte mindestens eine Meeresgemeinschaft ein wichtiges Ziel erreichen. In Mexiko verwendeten mehrere Fischerdörfer Open ROV, dieselbe Open-Source-Roboterplattform, die Thaler in seinen Schulungsprogrammen verwendet, um Erhebungen über die Ansammlung von Zackenbarschen in Nassau durchzuführen. Der Zackenbarsch ist ein wichtiger Rifffisch sowie eine lebenswichtige kommerzielle Art, und die Gemeinde richtete ein Meeresschutzgebiet ein, um ihn vor der Ausrottung durch Wilderer zu schützen.

(Foto: Michelle Z. Donahue)

Probleme vorhersagen

In Pittsburgh hörte CREATE Lab nicht bei Shenango auf. Ein weiterer Schwerpunkt seiner Mission ist es, den Gemeinden zu helfen, auf dem Wissen und den Instrumenten aufzubauen, die sie durch die Zusammenarbeit mit CMU-Wissenschaftlern gewinnen. Und da Pittsburgh das ist, was es ist, ist Shenango nicht das Einzige, was einen Gestank verursacht.

Betreten Sie Smell Pittsburgh, eine App, die aus der Shenango-Arbeit von CREATE Lab hervorgegangen ist. Die App befindet sich noch in der Entwicklung und kann in jeder Stadt des Landes eingesetzt werden. Sie ermöglicht es den Bewohnern, beleidigende Umweltgerüche zu kennzeichnen, die in der App protokolliert und dem örtlichen Gesundheitsamt gemeldet werden. Nach der Protokollierung zeigt die App eine Karte an, auf der alle anderen Geruchsberichte vom selben Tag und von derselben Uhrzeit angezeigt werden.

Mark Dixon, ein in Pittsburgh ansässiger Dokumentar- und Wirtschaftsingenieur, beschrieb die App als eine Möglichkeit, Menschen zu motivieren, sich mit etwas zu beschäftigen, das sie an ihrer Umgebung ändern möchten.

"Es gibt dieses" Tal des Unwohlseins ", das auftritt, wenn Sie Probleme melden und nichts passiert", sagte Dixon. "Diese App beschleunigt Menschen durch dieses Tal - und das erste, was sie sehen, ist, dass sie nicht allein sind. Außerdem können sie das Ausmaß des Problems wirklich erkennen."

Dixon arbeitet daran, die Benutzerfreundlichkeit der App zu verbessern. Ein Projekt umfasste die Entwicklung eines Algorithmus, der Geruchsberichte aus Pittsburgh und Daten des National Weather Service kombiniert, um zu versuchen, die nächsten #Stinkburgh-Tage vorherzusagen, die auf Twitter markiert sind. Nachdem Dixon in einem zehntägigen Testzeitraum eine Erfolgsquote von rund 75 Prozent erzielt hatte, teilte er seine Informationen einer Gruppe von lokalen Datenexperten mit, darunter einem Entwickler von Smell Pittsburgh. Infolgedessen wird es in zukünftigen Versionen der App möglicherweise möglich sein, Schlechtlufttage zuverlässiger vorherzusagen.

Vorhersage ist auch ein Ziel einer anderen Art von App, dem Mosquito Habitat Mapper. Die App wurde im Juni 2017 vom Institut für globale Umweltstrategien (IGES) in Zusammenarbeit mit der NASA ins Leben gerufen und soll gefährliche Lebensräume für Mücken identifizieren und beseitigen.

Die App wurde bereits in Barbuda, Peru und Chile getestet und trainiert Menschen darin, die von ihnen gefundenen Mückenlarven zu identifizieren, ein Bild aufzunehmen und stehendes Wasser zu eliminieren sowie Zeit, Ort, Datum und lokale Umgebungsbedingungen in die Datenbank der App aufzunehmen. Bisher hat das Projekt rund 1.500 Datenpunkte gesammelt - noch nicht genug, um aussagekräftige Vorhersagen zu treffen. Die Hoffnung ist jedoch, dass eine Anhäufung besserer Bodendaten an Orten, an denen durch Mücken übertragene Krankheiten ein ernstes Problem für die öffentliche Gesundheit darstellen, langfristig dazu beitragen kann, Vorhersagemodelle zu verfeinern, die derzeit auf von Satelliten erfassten Wetter- und Klimadaten basieren.

"Wir wissen nicht, wie Mücken auf Mikroklima reagieren", sagte Rusty Low, leitender Wissenschaftler bei IGES, der die Entwicklung der App anführte. "Wir suchen nach subregionalen, subseasonalen Instrumenten, mit denen Beschäftigte im öffentlichen Gesundheitswesen und Gemeinden ihr Krankheitsrisiko besser verstehen können."

In Baltimore könnten die Weather Cubes der Johns Hopkins-Doktorandin Anna Scott den Stadtplanern mehr Möglichkeiten bieten, um gesunde Städte in einer wärmeren Zukunft zu planen. Scotts Würfel, die als Ergebnis ihrer Untersuchungen zur städtischen Wärme entstanden sind, sind mit Sensoren auf Arduino-Basis ausgestattet, mit denen Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Ozon, Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff gemessen werden können. An 25 Standorten in der Stadt sind 50 Würfel im Einsatz, und Scott hofft, diesen Sommer weitere davon herausbringen zu können.

(Foto: Anna Scott)

Frühe Beobachtungsdaten ergaben, dass eine größere Anzahl kleiner Grünflächen, wie z. B. Pocket Parks, die Temperaturen in der Stadt besser senken kann als mehrere große Parks, so Kristin Baja, eine frühere Planerin für Klimaresilienz in Baltimore. Diese Informationen könnten die Wahrnehmung der 16.000 freien Grundstücke der Stadt von schlecht zu günstig verändern.

Larry Bannerman beherbergt im Viertel Turner Station in Baltimore zwei von Scotts Würfeln. Seine überwiegend afroamerikanische Gemeinschaft hat Erfahrung im Kampf gegen lokale Umweltverschmutzer und im Kampf um Schutz. Er sagte, er sei froh, eine zusätzliche Karte in seinem Deck zu haben, sollte er sie brauchen.

"Wir werden ein kristallklares Bild davon haben, was in unserer Luft ist", sagte er. "Dieses Wissen in unserer Tasche wird unser größtes Kapital sein, wenn wir Änderungen vornehmen müssen."

Ein Blick aus dem All

Nach Ansicht von John Amos werden Bürgerbeteiligte der Schlüssel sein, um ein Problem anzugehen, das ihn häufig beschäftigt: die Nutzung von riesigen Mengen visueller Daten.

Die von ihm gegründete gemeinnützige Organisation SkyTruth verwendete Satellitenbildanalysen, um zu zeigen, dass die Ölpest von Deepwater Horizon im Jahr 2010 größer war als die von BP veröffentlichten Schätzungen. Obwohl die Gruppe weiterhin menschliche Augen verwendet, um Satellitenbilder auf Umwelteinflüsse durch Verschütten, Tagebau und andere industrielle Aktivitäten zu überwachen, arbeitet SkyTruth derzeit daran, künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und Big Data in die Mischung aufzunehmen.

SkyTruth Alerts ist ein Dienst, für den sich Benutzer anmelden können, um über bestimmte Umweltveränderungen in einem bestimmten Gebiet informiert zu werden, z. B. über eine neue Gasbohrgenehmigung, einen Verstoß gegen eine Genehmigung oder den Hinweis auf eine ausgelaufene Chemikalie oder ein Erdgasleck. Ursprünglich als firmeninternes Tool entwickelt, werden die Warnmeldungen derzeit von den Berichterstattungsstellen der Küstenwache und der staatlichen Umweltbehörde abgefangen. Derzeit nutzen rund 3.000 Benutzer dieses Tools.

Die Weiterentwicklung des Dienstes zielt darauf ab, immer mehr Datenquellen und Tools einzubeziehen und mithilfe von KI- und Maschinenlernsystemen neue Satellitenbilder mit historischen Bildern zu vergleichen. Mit solchen Referenzen kann die Analyse Änderungen erkennen, noch bevor sie über offizielle Kanäle gemeldet werden.

Das Allerheiligste ist, dass Benutzer ihre eigenen Beobachtungen und Warnungen austauschen können, wodurch eine Reihe von Communities mit gemeinsamen Anliegen entstehen.

Tatsächlich führten Crowd-Sourcing-Daten, die von SkyTruth-Nutzern für ein separates Projekt, FrackFinder, bereitgestellt wurden, 2017 zu mehreren Studien, die Maryland dazu veranlassten, das Fracking zu verbieten Asthma und Frühgeburtenraten. Obwohl er sich für die Studien auf viele Datenquellen stützte, gebe es "keine Alternativen" zu der Art von Daten, die die Nutzer von SkyTruth beigesteuert hätten.

"Wir haben uns mehrmals mit gewählten Vertretern des Staates getroffen, unsere Ergebnisse vorgestellt und alle ihre Fragen beantwortet", sagte Schwartz. "Es wurde berichtet, dass einige von ihnen in Zeitungsberichten und anderswo sagten, die 'Johns Hopkins-Gesundheitsstudien' hätten sie schließlich überredet, für das Verbot zu stimmen. Das sind unsere Studien."

Die Fähigkeit der lokalen Beobachtung vor Ort durch den Menschen in Verbindung mit den datenverarbeitenden Fähigkeiten des Cloud-Computing ermögliche es, potenzielle Probleme in Echtzeit zu erkennen, so Amos.

"Es geht nicht nur um Dinge, die bereits geschehen sind, sondern auch um Dinge, die in der Umwelt geschehen, bevor wir etwas darüber wissen. Wir müssen uns darüber im Klaren sein, dass etwas passiert, auf das wir achten sollten", sagte Amos. "Für mich ist das eine technologiegetriebene, grundlegende Wiederbelebung des Umweltschutzes."

Und das Interesse daran, aufstrebende Technologien zu nutzen, um einfach nur neugierig zu sein, wird nur von hier aus wachsen, fügte CREATE Labs Dias hinzu.

"Solche Technologien sollten nicht nur in Labors oder höher gelegenen Räumen eingesetzt werden", sagte sie. "Sie sollten alltäglichen Menschen zugänglich sein, um etwas zu erschaffen und nicht nur zu konsumieren. Und die Idee ist, dass die Menschen, sobald sie die Technologie beherrschen, alltägliche Dinge aus dem Regal nehmen und gemeinsam etwas hacken können, das für sie funktioniert."