Biologia + Ciências Naturais

Modelagem numérica de dutos subterrâneos: o básico

Eu tenho estudado uma coisa ou outra sobre modelagem pois quero trabalhar com isso no meu doutorado. Por hora, tenho uma vaga ideia do que seja. Hoje trago um exemplo disto, um artigo sobre modelagem da deformação de dutos subterrâneos.

Quem trabalha na área de óleo e gás sabe que dutos são a forma mais comum de transporte destes materiais em terra. Os dutos subterrâneos estão fora do alcance dos elementos, exceto um, terra. A subsidência é um fenômeno geológico comum, causado pela movimentação de camadas da litosfera ou do solo e que pode romper os dutos. Subsidência também pode ser causada por estupidez humana, como má engenharia ou mal uso de recursos do solo como água subterrânea. Zhang et al. criaram um modelo bastante simples de como a subsidência afeta tubulações subterrâneas.

subsidence area
Sinalização nos EUA indicando uma área afetada pela subsidência induzida pela exploração de água subterrânea.

Por essência, um modelo é uma simplificação da realidade. Ele transforma um fenômeno complexo em algo mais simples de compreender, explicar e prever. Um belo exemplo disto é a cinemática do ensino médio. Nela uma das primeiras coisas que aprendemos é sobre a velocidade média de um objeto, que é um modelo bem simples de como prever como qualquer coisa se move.

Para criar um modelo, pesquisadores devem definir as variáveis e as premissas para ele. Quanto mais variáveis mais preciso, porém mais complicado se torna o modelo. Quanto melhores as premissas, mais próximo da realidade ele se torna. Premissas ruins tornam o modelo pouco útil. No modelo da velocidade média nos temos apenas duas variáveis: tempo e espaço. No artigo, os autores descrevem profundidade, composição do solo, diâmetro da tubulações, velocidade de subsidência, fricção do solo e pressão interna da tubulação.

Quanto às premissas, no modelo da velocidade média são aquelas coisas tipo “assuma um objeto de massa desprezível”, “desconsidere a resistência do ar”, “assuma um corpo ideal” e etc… No modelo das tubulações os autores usaram algumas práticas de engenharia e padrões industriais para criar suas premissas. Por exemplo, optaram por modelar em um cubo de 60m x 15m x 10m por uma questão de praticidade.

model basic assumptions
Os fundamentos do modelo: tamanho da tubulação, área modelada, posicionamento e etc…

Feitas as simulações computacionais (essa eu ficarei devendo ;) temos os resultados do modelo que nos mostram o quanto cada variável afeta o conjunto como um todo e como elas interagem. Vejamos:

  • Profundidade: quanto mais profundo menor a deformação. Isso é devido à pressão do solo em torno da tubulação, porém, isso aumenta o quanto a tubulação se curva.
  • Subsidência: a deformação é maior na área de subsidência no que na área adjacente. Isso parece óbvio, mas tem implicações importantes. As deformidades são diferentes em cada uma das áreas.
  • Diâmetro/espessura do cano: quanto maior a espessura da tubulação mais resistente ela se torna, mas somente se a espessura das paredes acompanhar.
  • Composição do solo: o que pesa mais areia ou lama? Os sedimentos finos como lamas e siltes acumulam mais água e são mais compactos, causando uma deformação maior.
  • Pressão interna: para quem achou que a pressão dentro do tubo o tornaria mais resistente (eu), a resposta é outra. A pressão interna tem pouca ou nenhuma influência na deformação.
soil effect
Este é um dos meus gráficos favoritos no artigo. Ele é bem simples e mostra como a composição do solo afeta a deformação das tubulações.

Com isso em mente já é possível fazer um planejamento melhor de onde colocar seus oleodutos.

Referência:
Zhang J, Liang Z, Han CJ (2015) Numerical
Modeling of Mechanical Behavior for Buried Steel
Pipelines Crossing Subsidence Strata. PLoS ONE
10(6): e0130459. doi:10.1371/journal.pone.0130459

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A mais completa ave fóssil do Cretáceo do Brasil

ResearchBlogging.org

Fósseis de aves são bastante raros, principalmente de aves com penas preservadas. As penas são frágeis e se perdem pela tafonomia ou são destruídas de algum modo na fossildiagênese. Como resultado disto, pouco se sabe sobre como se deu a evolução das penas e plumagens. Como raras exceções, nos sedimentos finos da China e da Mongólia foram encontrados alguns espécimes com plumagem preservada.

Duas coisas:
Fossildiagênese é o processo de formação de fósseis. Basicamente é alguma parte do corpo, ou o corpo inteiro, que é preservada ou como molde ou como uma réplica na rocha.
Tafonomia são processos que vão da morte até a fossildiagênese e inclui coisas como apodrecimento, carniceiros, ladrões de cova e etc. Enquanto a fossildiagênese explica como as coisas se preservam a tafonomia explica porque somente algumas coisas são preservadas.

Outros lugares com alto potencial de preservação existem fora da China. Por exemplo, o Archeopteryx – debatido até hoje por ser um possível ancestral das primeiras aves – foi encontrado na Alemanha e ele, por acaso, é um exemplo de como as informações sobre as penas são importantes. Boa parte do auê em torno do Archeopteryx se deu justamente por ele ter sua plumagem parcialmente preservada.

O que lhes trago aqui hoje é algo muito especial. É um pequeno esqueleto quase completo de uma ave do tamanho de um beija-flor. Detalhe, material descoberto na região da Bacia do Araripe, Brasil, com penas preservadas. Notem que este é o primeiro caso do tipo no Cretáceo do Brasil e este é considerado o espécime mais completo de Gonduana.

Gonduana? Explico já já.

A região do Crato é uma velha conhecida do paleontólogos do Brasil. Além de fornecer fósseis excelentes para pesquisa e ela é uma área relativamente rica em materiais onde são encontrados fósseis de plantas, animais terrestre e aquáticos do Cretáceo. Isso é no tempo dos dinossauros. E foi durante o Cretáceo também que Gonduana, então um dos últimos supercontinentes, começou a se fragmentar no que mais tarde daria origem à América do Sul, África, Índia e Madagascar.

Pronto. Durante a maior parte do Mesozoico, todos os continentes atuais existiam, mas estavam colados uns nos outros em um supercontinente chamado Pangeia. Durante o Jurássico essa estrutura começou a se partir e dividiu-se em dois supercontinentes: Laurásia continha todos os continentes do norte atuais (Europa, Asia e América do Norte) e Gonduana todos as massas do hemisfério sul (América do Sul, África, Oceania, Índia e Antártica). Mais tarde os dois supercontinentes também se desmancharam formando o mundo como ele é hoje: Eurásia, África, Antártica, Oceania e Américas.

O material encontrado é do grupo Enantiornithes, um grupo semelhante ao dos Confuciusornis (ajudou? não, né?). Ambos são aves extintas do Cretáceo. É impossível saber a espécie com certeza e criar uma espécie nova seria temerário, então ficaremos na dúvida com essa.

Olhem só que pequeno. A barrinha tem 5 mm. Notem também como as penas da cauda são maiores que o bicho inteiro. Olhando com calma à direita, é possível observar detalhes das penas em uma das asas, que está dobrada para cima.
Olhem só como é pequeno. A barrinha tem 5 mm. Notem também como as penas da cauda são maiores que o bicho inteiro. Olhando com calma à direita, é possível observar detalhes das penas em uma das asas, que está dobrada para cima.

As penas podem ser vistas nas fotos do artigo. São essas marquinhas em torno do corpo da ave. É possível ver até mesmo detalhes como filamentos delas e tem mais. Em algumas penas existem pequenas concentrações de grãos ao longo delas. Suspeita-se que isso sejam vestígios da pigmentação original, então seria possível estimar a colocação e alguns padrões da penas quando a ave ainda era viva.

O Prof. Ismar da UFRJ fez um pequeno vídeo de divulgação para o lançamento deste trabalho à impressa.

Outra coisa curiosa deste animal são as penas da cauda. Note que elas são anormalmente alongadas. De fato, elas eram de pouca utilidade para voo, talvez até atrapalhassem. Elas serviam mesmo era para chamar a atenção, de modo parecido com as penas do pavão que servem para ameaçar os rivais e paquerar as pavoas de plantão. Essa é uma característica já conhecida do grupo do Confuciusornis e é razoável supor que o mesmo acontecia com Eunantiornithes. Espécimes com este tipo de plumagem já foram encontrados, mas o do Brasil se ressalta pela ótima preservação que permitiu aos pesquisadores esclarecer alguns detalhes sobre a morfologia delas que causava alguma confusão com as diferentes interpretações que recebiam.

Por fim, o tamanho diminuto sugere que se trata de um animal muito jovem, porém, as penas escandalosas da cauda dizem o contrario. Em aves atuais, (falo do pavão, mais uma vez) este tipo de plumagem surge quando o animal está mais velho e na idade de se reproduzir. Mas no caso destes grupos fósseis isso parecia acontecer muito antes pois já foram relatados casos parecidos entre eles.

Referência

Ismar de Souza Carvalho, Fernando E. Novas, Federico L. Agnolín, Marcelo P. Isasi, Francisco I. Freitas, & José A. Andrade (2015). A Mesozoic bird from Gondwana preserving feathers Nature Communications : 10.1038/ncomms8141

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Crocodilo incógnito

Estou meio offline ultimamente para a finalização (ou inicialização, para ser honesto) da minha dissertação, além de estar de saco cheio de ler sobre estromatólitos. Enquanto procurava artigos sobre comportamento predatório de répteis me deparo com esta curiosidade aqui.

Neste artigo curto é um relato do uso de ferramentas por crocodilos. Trata-se de um comportamento predatório de alguns crocodilos observado em Tamil Nadu (Índia) e St Augustine (EUA). Em resumo, eles posicionam alguns galhos acima da cabeça e permanecem imóveis; quando alguma ave aproxima-se dos galhos – usados na montagem dos ninhos – é imediatamente capturada. O que parecia apenas uma curiosidade, depois de detalhada coleta de dados mostrou-se um comportamento sistemático. Além de usarem os gravetos para atrair pássaros os crocodilos ainda o fazem durante a época de reprodução das aves o que indica um noção muito boa do que acontece a sua volta.

Senhores, não reparem em mim...
Senhores, não reparem em mim…

A publicação é bem curtinha, sugiro uma lida. Os autores levantaram mais questões do que responderam, por exemplo: quando aprenderam isso? Passam o conhecimento adiante ou reaprendem a cada geração? É um comportamento antigo? Para mim, está aberta uma nova temporada de pesquisas.

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Biologia e a raiz de -4: como anda a matemática nas ciências biológicas

ResearchBlogging.org

Quando eu estava no início da graduação os professores e veteranos adoravam perguntar o famoso “porque biologia?” e o que se via que a grande maioria ou era sobra da Medicina/Enfermagem ou simplesmente estava fugindo de disciplinas de cálculo. Ao longo do curso reformas foram feitas na grade curricular e disciplinas como Cálculo I, Estatística I e II foram removidas e substituídas por “Matemática para Ciências Biológicas” (aka “Cálculo I sem Integrais”) e “Introdução a Bioestatística (aka “Leituras Assistidas ao Manual do Biostat”). Enquanto a grade curricular retrocedia em direção ao ensino médio o teor dos artigos e projetos me convenciam de como compreender modelos matemáticos era importante para meu futuro acadêmico; saber estatística tornou-se a diferença entre fazer uma boa monografia ou fazer uma meia monografia. Hoje eu conheço menos matemática do que há 4 anos, talvez porque nunca tenha realmente tocado no assunto, mas tenho perfeita consciência de que equações diferenciais me aguardam no doutorado…

phd-math
A vida em um gráfico de linhas…

Recentemente uma série de artigos e cartas na PNAS me chamaram a atenção. Era uma discussão sobre um certo artigo intitulado de “Uso intensivo de equações impede a comunicação entre biólogos” (uma tradução livre da minha parte). Neste trabalho os autores avaliaram artigos publicados em 1993, em revistas de renome e os classificaram em termos de “densidade de equações” – desta forma esperavam identificar trabalhos teóricos e distingui-los das publicações “empíricas”. O resultado foi algo próximo do que muitos esperariam: artigos com muita matemática – os ditos teóricos – são estatisticamente menos citados enquanto artigos com baixa densidade de fórmulas – os ditos empíricos – que, geralmente possuem pouca fundamentação em trabalhos teóricos.

Math-citations
Atentem que artigos mais extensos são mais bem recebidos em todos os casos. Mas em trabalhos curtos as citações de artigos teóricos despencam. Isso talvez aconteça porque artigos menores sejam mais focalizados o que tornaria seus modelos numéricos de uso mais restrito para quem está de fora da área teórica.

Este trabalho evidência algo que todo mundo já desconfiava: existe um abismo separando os biólogos segundo suas habilidades matemáticas. O artigo causou alguma repercussão pois tanto o título quanto as conclusões sugerem que o uso de recursos teóricos prejudicam a compreensão e divulgação da ciência e entre as soluções sugerem remover as equações dos artigos, descrever modelos com cenários-exemplo ou deslocá-las para apêndices das revistas (longe dos olhos dos leitores). As conclusões causaram alguma comoção que instigou réplicas por todos os lados.

Usar uma coisa sem saber como ela funciona, para mim, é Mágica. Acho abominável como hoje em dia a maioria dos pesquisadores usa cegamente aplicativos de estatística e filogenética sem ter a menor ideia de como funcionam os modelos que os fundamentam…

A maioria dos críticos defendeu o uso da matemática como importante ferramenta para descrição concisa de modelos contrariando a ideia de remover as demonstrações para apêndices e ressaltando a importância da compreensão de equações para o avanço da pesquisa nas ciências biológicas. Fernandes praticamente escreveu um artigo-resposta apontando possíveis erros metodológicos, em um deles os resultados do trabalho mudam quando as revistas tipicamente teóricas são separadas das empíricas pois a segmentação do público em cada uma tem forte efeito no método.

Até sugestões orientadas ao webdesign foram colocadas na mesa!

Eu particularmente subscrevo a opinião de Chitnis e Smith que sugeriram mudar o nome do artigo para “Analfabetismo matemático impede o avanço da pesquisa biológica” além de ressaltarem a importância da educação matemática dentro da biologia e para o avanço da mesma em diversas áreas, algo que Fawcett e Higginson mencionaram, mas pouco defenderam. Espero que a pressão por linhas de pesquisa mais multidisciplinares criem a demanda necessária para favorecer currículos onde a biologia e a matemática estejam mais integradas e que a mentalidade reinante do “biólogos não sabem somar” finalmente acabe.

À título de curiosidade, a raiz de -4 é… 2i

Fawcett TW, & Higginson AD (2012). Heavy use of equations impedes communication among biologists. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 109 (29), 11735-9 PMID: 22733777Fawcett TW, & Higginson AD (2012). Heavy use of equations impedes communication among biologists. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 109 (29), 11735-9 PMID: 22733777

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Vida de canhoto

A origem da vida é sempre uma questão complexa pois sempre existem muitos elementos envolvidos nela, um deles é a isomeria. Para quem esqueceu do ensino médio (afinal, é tão pouca coisa para lembrar) isomeria é aquele fenômeno que faz com que algumas substâncias tenham formulas químicas iguais e propriedades diferentes. Existem três tipos de isomeria (existem mais, só usei uma divisão mais prática):

  • Plana
  • Geométrica
  • Ótica

A primeira é responsável pelas várias formas químicas com uma mesma fórmula como o C2H6O. A segunda está associada a moléculas cis-trans (ou zusammen-entgegen) que são geometricamente opostas, mas são ridiculamente parecidas. A última é a que nos interessa, a isomeria ótica ocorre na estrutura de moléculas tridimensionais, como as orgânicas, e também é conhecida como Quiralidade.

Talvez a palavra Talidomida refresque sua memória.

Os isômeros óticos são reconhecidos por sua capacidade de interferir na luz polarizada e são classificados em sinistros (virados para a esquerda) ou destros (virados para a direita). Isso nos interessa pois toda a vida orgânica na terra depende de aminoácidos sinistros; a forma destra dos mesmo é inútil para as células. Entretanto, processos naturais e artificias de produção dos aminoácidos resultam e misturas meio-a-meio de formas sinistras e destras. Como a Terra acabou dominada apenas por um tipo?

Por acaso, destra e sinistra significam direto e esquerdo em italiano. E um ótimo vídeo em inglês bem aqui.

Uma das teorias sugeria que durante a formação do Sistema Solar ocorreu uma emissão de radiação polarizada de alta intensidade destruindo as moléculas destras neste processo e dando uma chance para as sinistras. Porém, este processo seria insuficiente para explicar a dominância total. Hoje temos dois artigos sobre o tema. Infelizmente só tenho acesso a um deles.

No primeiro artigo, pesquisadores descrevem o material encontrado em meteoritos congelados, longe da contaminação por materiais terrestres. Neles foram encontradas misturas de Ácido Aspártico e Alanina, dois aminoácidos comuns nos organismos terrestres, porém, com grande excesso da forma sinistra do primeiro e nem tanto no segundo. Uma teoria sugere que o Ácido Aspártico tente a formar cristais puros – feitos de moléculas sinistras ou destras – enquanto a Alanina forma cristais mistos – 50% de cada forma. Assim os cristais puros favoreceriam a maior concentração de uma das formas e com o tempo qualquer pequena vantagem seria ampliada.

Enquanto isso, em 2010, a formação de cristais de Ácido Aspártico já foi estudada em detalhes no nosso segundo artigo. Este trabalho mostrou que tanto temperatura quanto o tempo são fatores que influenciam a preferencia dos cristais pela forma pura ou racêmica (misturada) sendo que algumas delas são favorecidas pelas condições da Terra primitiva.

(a) cristal de AA sinistro; (b) cristal racêmico; (c) cristal destro…

E o meu mouse lá no meio da foto, como pode isso?

Fica só uma questão, e os outros aminoácidos?

Lee, Tu (2010). The Origin of Life and the Crystallization of Aspartic Acid in Water Crystal Growth & Design, 1652-1660 DOI: 10.1021/cg901219f

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Desgalvanizando fósseis

Quem trabalha com paleontologia sabe como é metalizar um material. Para quem não conhece é o seguinte: eventualmente precisamos fazer imagens de alta resolução de certos materiais e a técnica mais comum envolve usar o microscópio eletrônico de varredura (MEV). O problema é que o MEV exige que o material a ser fotografado tenha uma certa condutância para que os feixes de elétrons possam foca-lo adequadamente, geralmente somente objetos de metal ficam bem na foto. A solução é revestir o material com uma cobertura metálica – ouro é o mais usado, é praticamente uma galvanização.

Detalhe de micrografia de dente de crocodilomorfo: dados e mais dados…

As fotos ficam lindas, o problema é que depois delas o material fica inútil, ele vira uma pecinha de ouro. Para materiais translúcidos que tenham estruturas internas isso é um baita problema. Alguns microfósseis precisam ser estudados sob o efeito de vários níveis de foco, com a metalização temos imagens ótimas apenas da superfície do material. Dentes pequenos de mamíferos e crocodilos também precisam de metalização para serem fotografados no MEV, mas depois disto ficam péssimos para serem estudados em lupa ou fotografados tradicionalmente.

Eu dei sorte na minha monografia, meu material sofreu uma fossildiagênese que o impregnou com óxido de ferro, os espécimes já eram praticamente pedacinhos de metal e puderam ser fotografados sem nenhum sacrifício.

Pesquisadores da Universidade de Leicester desenvolveram um processo que permite a remoção da camada metálica. O processo consiste de usar uma solução iônica com ponto de fusão baixo para promover a oxidação do metal sem danos ao material. Foram feitos testes com microfósseis carbonáticos e fósseis de vertebrados fosfatados. Nenhum dano foi percebido em materiais montados com adesivos, embora exista uma suspeita de perda da adesividade em alguns microfósseis.

Esse método é uma alternativa aos processos anteriores que demandavam reagentes muito tóxicos. Os subprodutos desta reação podem ser descartados sem muitos problemas, segundo os autores. Embora testes com outros tipos de materiais como fósseis de sílica e outros adesivos ainda devam ser realizados, já temos uma opção para reaver os espécimes que estão metalizados pelas coleções das universidades.

Via: ScienceDialy

Artigo:

Non-destructive, safe removal of conductive metal coatings from fossils: a new solution

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Vazamentos de Gás e Energia Alternativa

ResearchBlogging.orgDe volta a ação. Agora com o mestrado, fiquei meio sem tempo de publicar, por outro lado, acredito que a qualidade dos posts será melhor (espero). Além disto, teremos algumas mudanças nos temas, um pouco mais de Geologia e menos de Biologia, mas C’est la Vi!

Já estamos de saco cheio de saber do aquecimento global e mudança climática. Embora eu tenha muito mais dúvidas agora do que antes em vários aspectos, por exemplo, a subida dos níveis dos mares, tão comentada, é produto apenas da mudança climática ou tem fatores como erosão, eustasia e subsidência incluídos? Até que ponto o efeito estufa é natural ou antrópico? Meditarei sobre o assunto, por hora, meu interesse está nas soluções.

Precisamos nos livrar do petróleo como fonte de energia, a indústria petroquímica é importante demais para continuemos queimando sua matéria-prima. Fusão Nuclear? Ainda não. Carros Alcoólatras? Estamos trabalhando nisto. Por hora temos o gás natural, que está em franco crescimento, mas será uma boa ideia? Este artigo interessantíssimo trata do assunto e alerta para alguns riscos desta alternativa.

O Gás Natural emite menos carbono que a Gasolina, Diesel e Carvão na mesma quantidade de energia. Perfeito, menos poluição sem perda de produtividade, porém, isso considera apenas um aspecto da energia. Quando levamos em consideração todo o ciclo de vida do combustível, desde exploração, transporte, armazenagem até venda ao consumidor final, a vida deixa de ser em preto e branco. O principal componente do Gás Natural é o CH4, um agente poderoso de aquecimento global. Mesmo sabendo que ele será convertido em CO2 atmosférico neste ciclo, temos que considerar perdas durante o transporte, e neste caso específico isso implica em liberação direta de CH4 na atmosfera: um grande problema.

Existem poucos dados sobre as perdas em transporte e armazenagem de gás. Um levantamento feito pelos autores mostra que alguns poços são responsáveis por boa parte das emissões. A EPA (agência ambiental dos EUA) sugere que os vazamentos de gás variam em torno de 3 a 3,2% em diversos setores. Sobre o vazamento diretamente nos carros, poucos se sabe.

Para avaliar o impacto de um gás no aquecimento global é usado o índice GWP (potencial de aquecimento do gás) que compara a substância em questão com o  CO2 em função do tempo (tempo de residência na atmosfera). Esse índice tem algumas limitações, ele permite comparações bem pontuais apenas. Uma alternativa é o TWP (potencial de aquecimento da tecnologia) que considera o GWP de um gás em relação a outro em função do tempo o que permite avaliar cenários detalhados.

Com isso é possível comparar uma transição de veículos a gasolina para gás e avaliar quanto tempo seria necessário para colher os benefícios. Por exemplo, toda a conversão da frota de carros dos EUA para gás causaria um grande impacto ambiental pela liberação de CH4. O gás natural só se tornaria benéfico depois de 80 anos da conversão e mesmo assim, só seria viável se os vazamentos fossem reduzidos para 1,6% dos atuais 3%. Para a conversão de uma frota de veículos pesados (diesel) seriam necessários perdas menores que 1% para benefícios nos próximos 300 anos. Para usinas de carvão as vantagens seriam imediatas, desde que as perdas continuem abaixo de 3,2%.

O gráfico acima mostra quanto tempo levaria para que o impacto da conversão para gás natural levaria para se dissipar em relação a gasolina (a), diesel (b) e carvão (c). Note como há vantagens imediatas na conversão do carvão, mas na gasolina e diesel a situação se complica.

Isso me lembrou uma coisa: se produz muito mais comida do que o necessário para alimentar a população mundial. Então porque existe fome? Porque boa parte da produção é perdida em transporte e armazenagem. Se você for em uma zona portuária onde navios graneleiros atracam, sentirá um cheiro repugnante, sabe o que é? Soja estragada. Será que nem do que dá lucro cuidamos direito?

Referências

Alvarez, R., Pacala, S., Winebrake, J., Chameides, W., & Hamburg, S. (2012). Greater focus needed on methane leakage from natural gas infrastructure Proceedings of the National Academy of Sciences, 109 (17), 6435-6440 DOI: 10.1073/pnas.1202407109