Overvågning af luftkvaliteten på Hawaiis Big Island under Kilauea-udbruddet

Mark Zondlos forskerhold har sporet drivhusgasser og luftforurenende stoffer på gaderne i Beijing og New York City, omkring Pennsylvania gasbrønde, og nær dyrefoderpladser i Colorado og Californien.

Disse eksperimenter tager typisk seks måneders planlægning, men i år forberedte laboratoriet sig hurtigt til en tidsfølsom mission:overvågning af luftkvaliteten på Hawaiis store ø under det store udbrud af vulkanen Kilauea. Mellem maj og august, lavastrømme ødelagde omkring 700 hjem. Omkring 2, 500 beboere evakuerede områder tæt på de aktive sprækker, og mange oplevede vejrtrækningsproblemer fra den vulkanske aske og gasser.

"Dette var en mulighed for at gøre noget nyttigt, " sagde Zondlo, en lektor i Princetons Institut for Civil- og Miljøteknik og associeret direktør for eksterne partnerskaber i Andlinger Center for Energi og Miljø. Zondlo blev bedt om at tage målinger under udbruddet i sin egenskab af medlem af NASA Health and Air Quality Applied Sciences Team (HAQAST), som hjælper offentlige sundheds- og luftkvalitetsorganer med at gøre brug af NASA-satellitdata.

Holdets data og analyser vil hjælpe offentlige sundhedsembedsmænd og videnskabsmænd til bedre at forstå, hvordan vulkaner påvirker luftkvaliteten, og hvordan ændringer i luftkvaliteten kan være forbundet med sundhedseffekter.

Blandt vulkanske gasser, svovldioxid udgør den største risiko for folkesundheden; det kan irritere øjnene, hud og åndedrætssystem. Kombineret med andre molekyler i atmosfæren, svovldioxid danner fine partikler, der kan rejse dybt ned i lungerne:"Det får dig på to måder, " sagde Zondlo. Svovldioxid er en nøglekomponent i vog, den vulkanske smog, der ofte reducerer sigtbarheden på Hawaii.

Som en del af et projekt kaldet Princeton Atmospheric Chemistry Experiment (PACE), i 2013 og 2014 udviklede og drev Zondlos gruppe en række gassensorer, der detekterer kuldioxid, metan, ammoniak og andre forurenende stoffer. Sensorerne, monteret oven på biler og drevet af bilbatterier, er mere transportable og bruger mindre energi end de fleste overvågningssystemer. Sensorerne bruger lasere, der udsender lys ved nær-infrarøde og mellem-infrarøde bølgelængder, udviklet på Princetons Center for Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment.

Hver sensor er indstillet til en bestemt bølgelængde af lys baseret på det molekyle, den er designet til at detektere. Hawaii-projektet var første gang, laboratoriet havde brugt en mobil sensor til at måle svovldioxidniveauer. Forud for turen, forskerne modificerede en sensor for ammoniak, et almindeligt forurenende stof fra landbrugsaktivitet, at måle svovldioxid.

Holdet døbte sit Hawaii-projekt Laboratory for Atmospheric Vog Analysis, eller LAVA. Mens du kører rundt og på tværs af de 4, 000 kvadratkilometer ø i tre uger, forskerne registrerede kontinuerlige målinger af syv luftforurenende stoffer, samt meteorologiske data om vindhastighed og retning, temperatur og fugtighed.

Et hovedmål med indsatsen var at komplementere og udfylde huller i data fra satellitbilleder og øens netværk af jordovervågningsstationer. Mange befolkede områder er langt fra jordovervågningsstationer, og mens satellitdata kan give nyttig information på store rumlige skalaer, disse målinger afspejler muligvis ikke den luftkvalitet, som beboerne oplever.

"Vulkanemissioner løftes op i atmosfæren, " sagde Zondlo. I tilfælde af svovldioxid, satellitdata har svært ved at opløse koncentrationer i forskellige højder, "så fanen [af vulkansk gas] kunne løftes et godt stykke over overfladen, og luftkvaliteten kunne være helt fin ved overfladen. Derfor har vi brug for overfladenetværk."

I løbet af juli og august, hvert medlem af Zondlos laboratorium rejste til Hawaii for at deltage i projektet, inklusive fem kandidatstuderende, to medarbejdere, en sommerforskerstuderende og en gymnasielærer, der har arbejdet med laboratoriet i flere år. Holdet arbejdede i tre overlappende skift, mens de boede i et lejehus nær Pāhoa på den østlige ende af øen, omkring 20 miles syd for byen Hilo og 10 miles fra vulkanens mest aktivt udbrudte sprække.

"Det var ubehageligt fantastisk, sagde Zondlo. Fra huset, du kunne se laze [lava haze] fra lavaen rammer havet. Om natten, du ville se denne enorme orange fane på himlen fra al lavaen, der reflekterede fra skyerne og røgen."

Hver aften, holdet planlagde næste dags prøveudtagningsrute ved at konsultere University of Hawaiis vog-model, som kombinerer estimater af vulkanudslip med vindprognoser for at forudsige, hvilke regioner der sandsynligvis vil have de højeste koncentrationer af svovldioxid og fine partikler. De gennemgik også indledende observationer fra holdet, der netop havde afsluttet feltprøvetagningen samme dag.

Med hjælp fra Princetons indkøbsservicekontor, Zondlo fik adgang til en helelektrisk Chevrolet Bolt - den samme type køretøj, som hans team bruger til mobile overvågningsstudier i Princeton og New York City. Det er nyttigt at have en elbil, fordi udstødningen fra en benzindrevet bil ville forstyrre sensorernes målinger.

I grupper af tre, forskerne brugte hele otte timer om dagen på at køre rundt på øen, dækker store kyststrækninger såvel som Saddle Road, der krydser øen og klatrer til en højde på mere end 6, 000 fod, da den ligger langs skråningen af ​​den sovende vulkan Mauna Kea. De holdt pauser for at genoplade bilens batteri, og nogle gange måtte holde op med at køre på grund af de kraftige regnskyl, der er almindelige på Big Island, sagde Da Pan og Levi Golston, to kandidatstuderende i Zondlos laboratorium.

uventet, udbruddet af Kilauea stoppede dramatisk få dage efter, at gruppen begyndte at tage prøver. "Vores idé om at måle høje koncentrationer nede mod kilden, et par kilometer væk, gik lidt ud af vinduet, " sagde Golston.

Holdets arbejde blev også afbrudt af orkanen Lane, som forårsagede alvorlige oversvømmelser på Big Island i slutningen af ​​august. Selvom timingen var noget skuffende, sagde Zondlo, "videnskabeligt er det nok meget mere interessant, end hvis vi bare havde målt en masse vog kontinuerligt i 22 dage."

"Luftkvaliteten blev ikke øjeblikkeligt bedre, da den ældre lava strømmede til havet og der stadig forekom nogle emissioner, " bemærkede han. "Så, det var lidt rart, at vi rent faktisk målte den overgang."

Fordi passatvinde fejer mod vest eller sydvest over Hawaii, vestkysten og den sydlige spids af øen - områder så meget som 100 miles væk fra vulkanen - har tendens til at opleve dårlig luftkvalitet under et aktivt udbrud, et fænomen, Zondlos gruppe søgte at dokumentere i detaljer. Bemærkelsesværdigt, i midten af ​​august nød den vestlige side af øen noget af sin reneste luft i et årti, give en baseline til at informere laboratoriets analyse, sagde Zondlo.

Nu, holdet arbejder på at integrere sine mobile samplingsdata med information fra jordstationer og satellitbilleder. De planlægger at lave et kort over luftkvalitetsgradienter under hver vindtilstand for bedre at forstå forureningsniveauer baseret på de tilgængelige data under udbruddet i maj, juni og juli.

"Hvert datasæt har sine unikke udfordringer og fordele, og hvis du kan tage det bedste af dem alle, får du et meget mere komplet og præcist billede, " sagde Zondlo.

Gennem sin forbindelse med NASA's Applied Science Program, Zondlo will present his lab's findings to air quality and public health agencies. 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.

Ultimativt, 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, han sagde, 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, " han sagde.