Toen in mei 2018 rode gesmolten lava uit Kilauea op het eiland Hawaï ("het grote eiland") stroomde, het vernietigen van huizen en eigendommen op zijn pad, wolken van asdeeltjes en giftige gassen van de vulkaan - bekend als vog - vulden de lucht en dreven met de wind over het eiland.

Zelfs vóór deze meest recente fase van de Kilauea-uitbarsting, luchtkwaliteit was een grote zorg voor de burgers over het hele eiland. Onderzoekers van MIT's Department of Civil and Environmental Engineering (CEE) werken al enkele jaren nauw samen met burgers op het eiland Hawaii om de luchtkwaliteit van de vulkaan te controleren met behulp van goedkope sensoren. De onderzoekers waren zelfs van plan om een ​​grootschalig luchtkwaliteitsproject te lanceren, gefinancierd door het Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA), maar de noodtoestanden die Kilauea in de lente van vorig jaar heeft gecreëerd, en de dringende vraag naar luchtvervuilingsgegevens van gemeenschapsgroepen en overheidsfunctionarissen, zette de MIT-onderzoekers ertoe aan om maanden eerder dan gepland in actie te komen.

"We realiseerden ons dat omdat we deze instrumenten hadden gebouwd om gassen en deeltjes relatief snel en goedkoop te meten, we hadden de tools om mensen in Hawaii te helpen de kwaliteit van de lucht die ze inademden te begrijpen, " zegt Jesse Kroll, universitair hoofddocent civiele en milieutechniek en chemische technologie, die samen met Colette Heald de luchtkwaliteitsonderzoeksprojecten over het eiland leidt, een CEE-hoogleraar. "In een periode van ongeveer twee weken, we organiseerden deze inspanning waarbij we een aantal sensorboxen bouwden en kwamen naar hier naar Hawaï om te proberen ze over het hele eiland op te zetten."

Omdat de onderzoekers een paar sensoren bij de hand hadden, en omdat tijd van essentieel belang was, ze stuurden de instrumenten die ze hadden onmiddellijk naar het Hawaii Department of Health (DoH) voordat ze aan de slag gingen met het bouwen van de nieuwe. Deze sensoren werden als eerste ingezet in de getroffen zone, terwijl de DoH wachtte op andere luchtkwaliteitsmonitors van overheidsinstanties. Het noodhulpinitiatief werd volledig ondersteund door CEE, die geld opleverde voor Kroll en Heal, samen met postdoc Ben Crawford en promovendus David Hagan, om benodigdheden te kopen om de luchtkwaliteitssensoren te bouwen en naar Hawaï te reizen om de sensoren in mei op het eiland te plaatsen.

"We werkten al bijna twee jaar met MIT aan de ontwikkeling van een project en het was, wat ons betreft, om MIT te helpen monitoren en sensoren te plaatsen, zodat ze een groep sensoren konden bouwen en testen die informatie over de luchtkwaliteit zouden leveren aan de universiteit en die zouden worden opgezet als een manier om het publiek in het algemeen te informeren, " zegt Betsy Cole, de directeur van strategische projecten bij The Kohala Center, een non-profitorganisatie die de MIT-onderzoekers in contact heeft gebracht met burgers, scholen, en organisaties over het hele eiland. Cole merkt op dat een toename van het aantal verzoeken om informatie haar ertoe aanzette contact op te nemen met Kroll om te zien of MIT iets kon doen om het proces van het verstrekken van sensoren en metingen aan burgers te versnellen om de impact van de uitbarsting - en de blijvende impact - te begrijpen. op hun lucht.

De MIT-sensoren kunnen zwaveldioxide detecteren en meten, die irriterend is en in grote hoeveelheden giftig kan zijn, maar ook fijnstof, inclusief zwavelzuur. "Met deze uitbarsting, er was ook enige bezorgdheid over as die uit de vulkaan kwam. Dus dat kunnen we meten met fijnstofsensoren, te, " zegt Crawford. De sensoren leveren realtime luchtkwaliteitsgegevens, en de informatie wordt gepubliceerd op een website die door de onderzoekers is gemaakt. Momenteel, de website geeft gegevens weer van 16 sensoren over het hele eiland, en naarmate het project vordert, zullen er meer sensoren worden toegevoegd.

Er zijn veel voordelen aan het inzetten van de MIT-sensoren in plaats van grotere, duurdere instrumenten die doorgaans door overheidsinstanties worden gebruikt. Hagan, de ontwikkelaar van de website en een van de oorspronkelijke makers van deze sensoren, verklaart, "[onze sensoren] hebben een veel kleinere voetafdruk, zodat je ze op meer plaatsen kunt plaatsen; ze werken op zonne-energie, zodat je ze echt in afgelegen gebieden kunt zetten, en ze communiceren draadloos via een 3G-netwerk, dus we krijgen al deze gegevens op afstand in realtime met een zeer hoge ruimtelijke en temporele resolutie."

Het ontwerp van de sensoren maakt het voor de onderzoekers haalbaar om ze op veel plekken op het eiland te installeren, maar dit vereiste buy-in van lokale burgers. "Bij het inzetten van een sensornetwerk als dit, waar u metingen wilt laten doen in een regio, het is echt belangrijk om rechtstreeks te communiceren met leden van de gemeenschappen, " legt Kroll uit. Op zijn beurt Het Kohala Center heeft contacten gelegd met scholen en gezondheidscentra ter voorbereiding van het door de EPA gefinancierde onderzoeksproject, en de onderzoekers konden deze verbindingen vroeg benutten als onderdeel van hun noodhulpproject. De locaties zijn strategisch geselecteerd vanwege hun positie als gemeenschapscongregatieruimten, en voor de educatieve mogelijkheden die de gegevens van de sensor bieden, aangezien onderwijs en outreach een centraal facet zijn van het langetermijnonderzoeksproject.

Crawford legt uit dat, als onderdeel van het EPA-project, "we werken samen met de docenten zodat ze de sensoren op verschillende manieren kunnen gebruiken in hun STEM-curriculum, om met de studenten in gesprek te gaan over data-analyse, Milieuwetenschappen, [en] wat programmeervaardigheden, "Hij verhuisde in september naar Hawaï om zowel het netwerk te onderhouden als om leraren professionele ontwikkelingsmogelijkheden te bieden.

Toen Crawford en Hagan kort na de grote uitbarsting in mei op verschillende locaties sensoren installeerden, leraren en beheerders vertelden de onderzoekers over de impact van de uitbarsting op hun studenten, vaak een toename van afwezigheden en in enkele gevallen het verlies van studentenwoningen. Steve Hirakami, de opdrachtgever en oprichter van de Hawaii Academy of Arts and Science (HAAS), geschat dat bijna 40 procent van hun personeel en studenten door de evacuatie was getroffen. "Dit heeft een grote impact op [onze] school, " zei hij in mei, toen de Kilauea nog actief was. Hirakami gebruikte de MIT-sensoren om schoolsluitingen te bepalen en bedankte de onderzoekers voor het verstrekken van de middelen.

In de onmiddellijke nasleep van de scheuren, Wendy Bakker, een geschiedenisleraar bij HAAS, werkte samen met Crawford om een ​​sensor te installeren die de onderzoekers per post hadden gestuurd op het terrein van de school, nog voordat de onderzoekers op het eiland arriveerden. Ze, te, benadrukte de waarde van de sensoren voor de gemoedsrust voor de gemeenschap tijdens de uitbarsting, en ook als leermiddel. "De dag dat we terugkwamen, Ik trok het omhoog [op de projector], en we hebben er elke ochtend naar gekeken, de gegevens bekijken en de luchtkwaliteit controleren, " herinnerde ze zich. Baker legde ook uit dat de sensor nuttig was om de wetenschap achter de luchtkwaliteit te verbinden met wat studenten in hun dagelijks leven ervaren.

Ted Bratström, een middelbare schoolleraar op Ka'u High School, was even enthousiast over het laten plaatsen van een sensor op zijn school.

"De sensoren gaan ons twee voordelen opleveren. Het eerste en belangrijkste voordeel is, door deze gegevens in intervallen van één minuut te hebben, we gaan het weten wanneer we daadwerkelijk een SO hebben ₂ gebeurtenis die zich voordoet, " hij zei.

"Zo kunnen we de kinderen binnen houden, en in een ruimte met airconditioning en een zo gefilterde ruimte als we kunnen, en zeg dan wanneer het veilig is om naar buiten te gaan, " legde hij in mei uit toen de sensor op zijn school aanvankelijk was geïnstalleerd. "Als een wetenschapsnerd voor mezelf en mijn klas, we krijgen nu te zien hoe de atmosfeer loopt, hoe niet alleen de caldera zelf - de vulkaan zelf - werkt en gassen uitblaast, maar ook hoe dat tegen de wind in komt, werken met de topografie van het eiland, en het krijgen van de [vog] hier."

De sensoren zelf zijn geworteld in het onderwijs. Ze werden aanvankelijk ontwikkeld als onderdeel van het CEE-onderwerp 1.091 (Traveling Research Environmental Experiences, of TREX), een jaarlijks niet-gegradueerd veldwerkproject dat studenten naar het eiland Hawaï brengt om onderzoek te doen gedurende de periode van onafhankelijke activiteiten. Door de jaren heen, de studenten ontdekten en werkten door de glitches en problemen met de sensoren, leidend tot de ontwikkeling van de huidige iteratie. It was thus natural for Kroll and Heald to engage with the EPA on a new project to use the sensors for real-time data but to also have a similar educational component with the schools and health centers.

"The ultimate goal is for each school to have one of these air quality monitors, and by doing that the students get information on the air that they're breathing, really connecting these abstract concepts of chemistry and of measurements to something they actually know:the vog in the air they're breathing, " Kroll says of the long-term project. "On top of that, it puts a data set in their hands. We make the data freely available so we can see all these numbers corresponding to concentrations of SO ₂ and particulate matter, and they can learn how to plot the data, how to analyze it, how to think about it in the larger context of environmental science."

Begin augustus, as abruptly as it started, the eruption suddenly ended. Kilauea is currently the quietest it has been in decades. While the immediate threat has dissipated, and the air quality in Hawaii is better than it has been since the beginning of the eruption in 1983, the network continues to collect and publish valuable data on background pollution levels.

Since installing the sensors, the researchers have collected a unique dataset on the air quality across the island. They are currently analyzing their measurements from the eruption to better understand the atmospheric transport and transformation of vog components. The researchers are also hoping to learn how sensor data relates to—and complements—air quality measurements from other platforms such as monitoring stations and satellites.

"Even though the eruption seems to be over, the network is still running. Direct, we're measuring very low levels of pollutants, as expected. This is good not only for the local air quality but also for the science:When researching pollution, it's not often you get to measure what the underlying background levels are, " Kroll says of the ongoing research. "More importantly, we now have the sensor network up, so we'll be ready to measure air quality across the whole island the next time Kilauea erupts."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.