Het onderzoeksteam van Mark Zondlo heeft broeikasgassen en luchtverontreinigende stoffen gevolgd in de straten van Peking en New York City, rond de gasbronnen van Pennsylvania, en in de buurt van veevoedergronden in Colorado en Californië.

Deze experimenten vergen doorgaans zes maanden planning, maar dit jaar maakte het lab zich snel op voor een tijdgevoelige missie:het monitoren van de luchtkwaliteit op Hawaii's Big Island tijdens de grote uitbarsting van de Kilauea-vulkaan. Tussen mei en augustus, lavastromen verwoestten ongeveer 700 huizen. ongeveer 2, 500 bewoners evacueerden gebieden in de buurt van de actieve kloven, en velen ondervonden ademhalingsproblemen door de vulkanische as en gassen.

"Dit was een kans om iets nuttigs te doen, " zei Zondlo, een universitair hoofddocent bij de afdeling Civiele en Milieutechniek van Princeton en associate director van externe partnerschappen in het Andlinger Center for Energy and the Environment. Zondlo werd gevraagd om metingen te doen tijdens de uitbarsting in zijn hoedanigheid als lid van het NASA Health and Air Quality Applied Sciences Team (HAQAST), die instanties voor volksgezondheid en luchtkwaliteit helpt gebruik te maken van NASA-satellietgegevens.

De gegevens en analyses van het team zullen volksgezondheidsfunctionarissen en wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe vulkanen de luchtkwaliteit beïnvloeden en hoe veranderingen in de luchtkwaliteit in verband kunnen worden gebracht met gezondheidseffecten.

Onder vulkanische gassen, zwaveldioxide vormt het grootste risico voor de volksgezondheid; het kan de ogen irriteren, huid en luchtwegen. Gecombineerd met andere moleculen in de atmosfeer, zwaveldioxide vormt fijne deeltjes die diep in de longen kunnen reizen:"Het raakt je op twee manieren, " zei Zondlo. Zwaveldioxide is een belangrijk onderdeel van vog, de vulkanische smog die het zicht op Hawaï vaak vermindert.

Als onderdeel van een project genaamd het Princeton Atmospheric Chemistry Experiment (PACE), in 2013 en 2014 ontwikkelde en exploiteerde de groep van Zondlo een reeks gassensoren die kooldioxide detecteren, methaan, ammoniak en andere verontreinigende stoffen. De sensoren, gemonteerd op auto's en aangedreven door autobatterijen, zijn beter transporteerbaar en verbruiken minder energie dan de meeste monitoringsystemen. De sensoren gebruiken lasers die licht uitstralen op nabij-infrarood en midden-infrarood golflengten, ontwikkeld in Princeton's Center for Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment.

Elke sensor is afgestemd op een specifieke golflengte van licht op basis van het molecuul dat hij moet detecteren. Het Hawaii-project was de eerste keer dat het laboratorium een ​​mobiele sensor gebruikte om het zwaveldioxidegehalte te meten. Voorafgaand aan de reis, de onderzoekers wijzigden een sensor voor ammoniak, een veel voorkomende vervuiler van landbouwactiviteiten, zwaveldioxide te meten.

Het team noemde zijn Hawaii-project het Laboratory for Atmospheric Vog Analysis, of LAVA. Tijdens het rijden rond en over de 4, 000 vierkante mijl eiland voor drie weken, de onderzoekers registreerden continue metingen van zeven luchtverontreinigende stoffen, evenals meteorologische gegevens over windsnelheid en -richting, temperatuur en vochtigheid.

Een belangrijk doel van de inspanning was het aanvullen en opvullen van hiaten in de gegevens van satellietbeelden en de netwerken van grondmeetstations van het eiland. Veel bevolkte gebieden zijn ver verwijderd van meetstations op de grond, en hoewel satellietgegevens nuttige informatie kunnen opleveren op grote ruimtelijke schalen, deze metingen geven mogelijk niet de luchtkwaliteit weer die bewoners ervaren.

"De uitstoot van vulkanen wordt in de atmosfeer verheven, " zei Zondlo. In het geval van zwaveldioxide, satellietgegevens hebben moeite met het oplossen van concentraties op verschillende hoogtes, "zodat de pluim [van vulkanisch gas] ver boven het oppervlak kan worden verheven, en de luchtkwaliteit kan aan de oppervlakte prima zijn. Daarom hebben we oppervlaktenetwerken nodig."

In juli en augustus, elk lid van Zondlo's lab reisde naar Hawaï om deel te nemen aan het project, waaronder vijf afgestudeerde studenten, twee medewerkers, een zomeronderzoeker en een middelbare schoolleraar die al enkele jaren met het lab werkt. Het team werkte in drie overlappende diensten terwijl ze in een huurhuis in de buurt van Pāhoa aan de oostkant van het eiland verbleven, ongeveer 20 mijl ten zuiden van de stad Hilo en 10 mijl van de meest actief uitbarstende spleet van de vulkaan.

"Het was onaangenaam geweldig, "zei Zondlo. "Vanuit het huis, je kon de luiheid [lavanevel] zien van de lava die de oceaan raakt. 's Nachts, je zou deze enorme oranje pluim in de lucht zien van alle lava die weerkaatste op de wolken en de rook."

Elke avond, het team plande de bemonsteringsroute van de volgende dag door het vog-model van de Universiteit van Hawaï te raadplegen, die schattingen van vulkaanemissies combineert met windvoorspellingen om te voorspellen welke regio's waarschijnlijk de hoogste concentraties zwaveldioxide en fijne deeltjes hebben. Ze beoordeelden ook de eerste observaties van het team dat diezelfde dag net klaar was met de veldbemonstering.

Met hulp van het Procurement Services-kantoor van Princeton, Zondlo kreeg toegang tot een volledig elektrische Chevrolet Bolt, hetzelfde type voertuig dat zijn team gebruikt voor mobiele monitoringstudies in Princeton en New York City. Het hebben van een elektrische auto is handig omdat de uitlaatgassen van een benzineauto de metingen van de sensoren zouden verstoren.

In groepjes van drie, de onderzoekers brachten maar liefst acht uur per dag door met rondrijden op het eiland, die grote stukken kustlijn bestrijkt, evenals de Saddle Road die het eiland doorkruist en klimt tot een hoogte van meer dan 6, 000 voet terwijl het langs de helling van de slapende vulkaan Mauna Kea loopt. Ze namen pauzes om de accu van de auto op te laden, en moest soms stoppen met rijden vanwege de zware stortbuien die gebruikelijk waren op het Big Island, zeiden Da Pan en Levi Golston, twee afgestudeerde studenten in Zondlo's lab.

Onverwacht, de uitbarsting van Kilauea stopte dramatisch binnen enkele dagen nadat de groep begon met bemonsteren. "Ons idee om hoge concentraties benedenwinds van de bron te meten, een paar kilometer verderop, ging een soort van uit het raam, ' zei Golston.

Het werk van het team werd ook afgebroken door Hurricane Lane, die eind augustus zware overstromingen veroorzaakte op het Big Island. Hoewel de timing enigszins teleurstellend was, zei Zondlo, "wetenschappelijk gezien is het waarschijnlijk veel interessanter dan wanneer we 22 dagen lang continu een hoop vog hadden gemeten."

"De luchtkwaliteit werd niet onmiddellijk beter toen de oudere lava naar de oceaan stroomde en er nog steeds wat uitstoot plaatsvond, ' merkte hij op. 'Dus, het was best leuk dat we die overgang ook daadwerkelijk hebben gemeten."

Omdat passaatwinden west of zuidwest over Hawaï waaien, de westkust en de zuidpunt van het eiland - gebieden die wel 160 kilometer verwijderd zijn van de vulkaan - hebben de neiging om tijdens een actieve uitbarsting een slechte luchtkwaliteit te ervaren, een fenomeen dat Zondlo's groep in detail wilde documenteren. Opmerkelijk, half augustus genoot de westkant van het eiland van de schoonste lucht in tien jaar, het verstrekken van een basislijn om de analyse van het laboratorium te informeren, zei Zondlo.

Nutsvoorzieningen, het team werkt eraan om zijn mobiele bemonsteringsgegevens te integreren met informatie van grondstations en satellietbeelden. Ze zijn van plan een kaart te maken van de luchtkwaliteitsgradiënten onder elke windconditie om de vervuilingsniveaus beter te begrijpen op basis van de gegevens die beschikbaar zijn tijdens de uitbarsting in mei, Juni en juli.

"Elke dataset heeft zijn unieke uitdagingen en voordelen, en als je er het beste van kunt maken, krijg je een veel completer en nauwkeuriger beeld, ’ zei Zondlo.

Door zijn connectie met NASA's Applied Science Program, Zondlo zal de bevindingen van zijn laboratorium presenteren aan instanties voor luchtkwaliteit en volksgezondheid. With high-resolution maps of air quality, epidemiologists may be able to examine associations between pollution levels and hospital admissions for respiratory and cardiovascular problems. Previous studies have shown that elevated levels of fine particles, which often occurred on the Big Island during the eruption, negatively impact health, said Zondlo.

"The State of Hawaii Clean Air Branch has a fairly small air quality program relative to more populous states, " explained Tom Moore, Air Quality Program Manager for the Western Regional Air Partnership, a consortium of 15 Western states that includes Hawaii. "The ability of experts like Mark and others to go out and make ground measurements, and then connect satellite and ground data—that very activity is important. It provides a kind of calibration point, " added Moore, who helped facilitate project efforts through NASA's HAQAST program.

uiteindelijk, Zondlo hopes the conclusions from this project can help researchers and public officials use satellite data to better understand air quality during any volcanic eruption. He noted that at the same time as Kilauea was wreaking havoc on Hawaii, in early June a violent eruption of Guatemala's Fuego volcano killed at least 75 people and compromised air quality for thousands.

"Can this be expanded more generally to other volcanoes across the world?" asked Zondlo. While Hawaii's air quality monitoring network may be less than ideal, hij zei, it is better than networks in many parts of the globe. "We want to use satellites to help understand where and when people should be concerned during a volcanic eruption, " he said.