Kilauea-udbrud fremkalder oprettelsen af ​​et luftforureningsnetværk i realtid

Da rød smeltet lava siver ud af Kilauea på øen Hawaii ("den store ø") i maj 2018, ødelægge huse og ejendom på dens vej, skyer af askepartikler og giftige gasser fra vulkanen - kendt som vog - fyldte luften og drev hen over øen med vinden.

Selv før denne seneste fase af Kilauea -udbruddet, luftkvaliteten var et stort problem for borgere på hele øen. Forskere fra MIT's Department of Civil and Environmental Engineering (CEE) har arbejdet tæt sammen med borgere på Hawaii Island i flere år for at overvåge luftkvaliteten fra vulkanen ved hjælp af billige sensorer. Forskerne planlagde endda at lancere et storstilet luftkvalitetsprojekt finansieret af U.S. Environmental Protection Agency (EPA), men de nødforhold, Kilauea skabte fra foråret sidste år, og de hastende krav om luftforureningsdata fra samfundsgrupper og statslige embedsmænd, fik MIT -forskerne til at springe i aktion måneder før planen.

"Vi indså, at fordi vi havde bygget disse instrumenter til måling af gasser og partikler relativt hurtigt og billigt, vi havde værktøjerne til at hjælpe folk på Hawaii med at forstå kvaliteten af ​​den luft, de trak vejret, "siger Jesse Kroll, lektor i civil- og miljøteknik og kemiteknik, der leder forskningsprojekter om luftkvalitet på tværs af øen med Colette Heald, en CEE -professor. "I en periode på cirka to uger, Vi organiserede denne indsats, hvor vi byggede et antal sensorbokse og kom hertil til Hawaii for at prøve at sætte dem op over hele øen. "

Da forskerne havde et par sensorer ved hånden, og fordi tiden var afgørende, de sendte straks de instrumenter, de havde, til Hawaii Department of Health (DoH), inden de gik i gang med at bygge de nye. Disse sensorer var de første, der blev indsat i den berørte zone, da DoH ventede på andre luftkvalitetsmonitorer fra offentlige instanser. Beredskabsinitiativet blev udelukkende støttet af CEE, som gav midler til Kroll og Heald, sammen med postdoc Ben Crawford og kandidatstuderende David Hagan, at købe forsyninger til at bygge luftkvalitetssensorerne og rejse til Hawaii for at indsende sensorerne rundt om øen i maj.

"Vi havde arbejdet med MIT i næsten to år på at udvikle et projekt, og det var, fra vores side, at hjælpe MIT med at placere skærme og sensorer, så de kunne konstruere og teste en gruppe sensorer, der ville levere information om luftkvalitet både tilbage til universitetet og blive oprettet som en måde at informere offentligheden generelt, "siger Betsy Cole, direktør for strategiske projekter på The Kohala Center, en nonprofit organisation, der hjalp med at bringe MIT -forskerne i kontakt med borgerne, skoler, og organisationer på tværs af øen. Cole bemærker, at en stigning i antallet af anmodninger om oplysninger fik hende til at kontakte Kroll for at se, om der var noget, MIT kunne gøre for at fremskynde processen med at levere sensorer og målinger til borgerne for at forstå virkningen af ​​udbruddet - og dets varige indvirkning - på deres luft.

MIT -sensorerne kan detektere og måle svovldioxid, som er irriterende og kan være giftig i store mængder, såvel som partikler, herunder svovlsyre. "Med dette udbrud, der var også en vis bekymring for aske, der kom fra vulkanen. Så vi kan måle det med partikelsensorer, også, "Siger Crawford. Sensorerne leverer data om luftkvalitet i realtid, og oplysningerne offentliggøres på et websted oprettet af forskerne. I øjeblikket, webstedet afspejler data fra 16 sensorer på tværs af øen, og flere sensorer vil blive tilføjet, efterhånden som projektet skrider frem.

Der er mange fordele ved at implementere MIT -sensorerne i stedet for større, dyrere instrumenter, der typisk bruges af offentlige instanser. Hagan, udvikleren af ​​webstedet og en af ​​de originale skabere af disse disse sensorer, forklarer, "[vores sensorer] har et meget mindre fodaftryk, så du kan sætte dem flere steder; de er soldrevne, så du virkelig kan placere dem i fjerntliggende områder, og de kommunikerer trådløst over et 3G -netværk, så vi får alle disse data eksternt i realtid ved meget høj rumlig og tidsmæssig opløsning. "

Designet af sensorerne gør det muligt for forskerne at installere dem mange steder på hele øen, men dette krævede opkøb fra lokale borgere. "Når du implementerer et sensornetværk som dette, hvor du ønsker at få foretaget målinger i hele en region, det er virkelig vigtigt at interagere direkte med medlemmer af samfundene, "Forklarer Kroll. Til gengæld Kohala Center etablerede forbindelser med skoler og sundhedscentre som forberedelse til det EPA-finansierede forskningsprojekt, og forskerne var i stand til at udnytte disse forbindelser tidligt som en del af deres beredskabsprojekt. Stederne blev strategisk udvalgt til deres positioner som lokalsamfund, og for de uddannelsesmuligheder, som sensorens data giver, da uddannelse og opsøgende arbejde er en central facet af det langsigtede forskningsprojekt.

Crawford forklarer, at som en del af ØPA -projektet, "vi arbejder med lærerne, så de kan bruge sensorerne på forskellige måder i deres STEM -pensum, at interagere med eleverne om dataanalyse, Miljøvidenskab, [og] nogle programmeringsevner, "Han flyttede til Hawaii i september for både at vedligeholde netværket og give faglige udviklingsmuligheder for lærere.

Da Crawford og Hagan installerede sensorer forskellige steder kort efter det store udbrud i maj, lærere og administratorer fortalte forskerne om virkningen af ​​udbruddet på deres elever, rapporterer ofte om en stigning i fravær og i få tilfælde tab af studerendes hjem. Steve Hirakami, rektor og grundlægger af Hawaii Academy of Arts and Science (HAAS), vurderede, at næsten 40 procent af deres personale og studerende var blevet påvirket af evakueringen. "Dette har en stor indvirkning på [vores] skole, "sagde han i maj, da Kilauea stadig var aktiv. Hirakami brugte MIT -sensorerne til at bestemme skolelukninger og udtrykte taknemmelighed over for forskerne for at have givet ham ressourcen.

I umiddelbar kølvandet på sprækkerne, Wendy Baker, historielærer på HAAS, arbejdede sammen med Crawford for at installere en sensor, som forskerne havde sendt via posten på skolens ejendom, selv før forskerne ankom til øen. Hun, også, fremhævede sensorernes værdi for ro i samfundet under udbruddet, og også som et undervisningsværktøj. "Den dag vi kom tilbage, Jeg trak den op [på projektoren], og vi har set på det hver morgen, ser på dataene og kontrollerer luftkvaliteten, "huskede hun. Baker forklarede også, at sensoren var nyttig til at forbinde videnskaben bag luftkvaliteten med det, eleverne oplevede i deres hverdag.

Ted Brattström, en gymnasielærer på Ka'u High School, var ligeledes begejstret for at få installeret en sensor på sin skole.

"Sensorerne vil give os to fordele. Den første og fremmeste fordel er, ved at have disse data i intervaller på et minut, vi får at vide, hvornår vi faktisk har en SO ₂ begivenhed opstår, " han sagde.

”Det lader os holde børnene inde, og som et område med aircondition og et filtreret område som vi kan, og sig derefter, når det er sikkert at gå udenfor, "forklarede han i maj, da sensoren på hans skole oprindeligt blev installeret." Som en videnskabsnør for mig selv og min klasse, vi får nu at se, hvordan atmosfæren kører, hvordan ikke kun calderaen - selve vulkanen - fungerer og slukker gasser, men også hvordan det kommer ned af vinden, arbejder med topografien på øen, og få [vog] her. "

Sensorerne selv er forankret i uddannelse. De blev oprindeligt udviklet som en del af CEE -emnet 1.091 (Traveling Research Environmental Experiences, eller TREX), et årligt bachelorarbejde i feltarbejde, der tager studerende til Hawaii Island for at udføre forskning i uafhængige aktivitetsperioder. I årenes løb, eleverne opdagede og arbejdede igennem fejl og problemer med sensorerne, fører til udviklingen af ​​den nuværende iteration. 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."

I begyndelsen af ​​august, 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. Lige nu, 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."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.