När röd smält lava strömmade ut från Kilauea på ön Hawaii ("The Big Island") i maj 2018, förstöra hus och egendom på sin väg, moln av askpartiklar och giftiga gaser från vulkanen - känd som vog - fyllde luften och drev över ön med vinden.

Redan före denna senaste fas av Kilauea -utbrottet, luftkvaliteten var ett stort bekymmer för medborgare över hela ön. Forskare från MIT:s Department of Civil and Environmental Engineering (CEE) har arbetat nära med medborgare på Hawaii Island i flera år för att övervaka luftkvaliteten från vulkanen med hjälp av billiga sensorer. Forskarna planerade till och med att starta ett storskaligt luftkvalitetsprojekt finansierat av U.S. Environmental Protection Agency (EPA), men de nödförhållanden som Kilauea skapade från och med våren förra året, och de brådskande kraven på luftföroreningar från samhällsgrupper och statliga myndigheter, uppmanade MIT -forskarna att gå in i handling månader före schemat.

"Vi insåg att eftersom vi hade byggt dessa instrument för att mäta gaser och partiklar relativt snabbt och billigt, vi hade verktygen för att hjälpa människor på Hawaii att förstå kvaliteten på luften de andades, "säger Jesse Kroll, docent i civil- och miljöteknik och kemiteknik, som leder forskningsprojekt om luftkvalitet över hela ön med Colette Heald, en CEE -professor. "Under bara två veckor Vi organiserade denna insats där vi byggde ett antal sensorboxar och kom hit till Hawaii för att försöka sätta upp dem över hela ön. "

Eftersom forskarna hade några sensorer till hands, och eftersom tiden var avgörande, de skickade omedelbart de instrument de hade till Hawaii Department of Health (DoH) innan de började arbeta med att bygga de nya. Dessa sensorer var de första som användes i den drabbade zonen, som DoH väntade andra luftkvalitetsmonitorer från statliga myndigheter. Initiativet för nödsituationer fick helt stöd av CEE, som gav medel för Kroll och Heald, tillsammans med postdoc Ben Crawford och doktoranden David Hagan, att köpa tillbehör för att bygga luftkvalitetssensorerna och resa till Hawaii för att distribuera sensorerna runt ön i maj.

"Vi hade arbetat med MIT i nästan två år för att utveckla ett projekt och det var, från vår sida, att hjälpa MIT att placera bildskärmar och sensorer så att de kan konstruera och testa en grupp sensorer som skulle ge information om luftkvalitet både tillbaka till universitetet och inrättas som ett sätt att informera allmänheten i allmänhet, "säger Betsy Cole, chef för strategiska projekt på The Kohala Center, en ideell organisation som hjälpte till att sätta MIT -forskarna i kontakt med medborgarna, skolor, och organisationer över hela ön. Cole noterar att en ökning av antalet begäranden om information fick henne att kontakta Kroll för att se om det finns något MIT kan göra för att påskynda processen med att tillhandahålla sensorer och mätningar för medborgarna för att förstå effekterna av utbrottet - och dess varaktiga inverkan - på deras luft.

MIT -sensorerna kan detektera och mäta svaveldioxid, som är irriterande och kan vara giftigt i stora mängder, liksom partiklar, inklusive svavelsyra. "Med detta utbrott, det fanns en viss oro över att aska kommer från vulkanen också. Så vi kan mäta det med partikelsensorer, för, "Säger Crawford. Sensorerna tillhandahåller data i realtid om luftkvalitet, och informationen publiceras på en webbplats skapad av forskarna. För närvarande, webbplatsen återspeglar data från 16 sensorer över hela ön, och fler sensorer kommer att läggas till när projektet fortskrider.

Det finns många fördelar med att använda MIT -sensorerna istället för större, dyrare instrument som vanligtvis används av myndigheter. Hagan, utvecklaren av webbplatsen och en av de ursprungliga skaparna av dessa dessa sensorer, förklarar, "[våra sensorer] har ett mycket mindre fotavtryck, så att du kan lägga dem på fler ställen; de är soldrivna, så att du verkligen kan placera dem i avlägsna områden, och de kommunicerar trådlöst över ett 3G -nätverk, så vi får all denna data på distans i realtid med mycket hög rumslig och tidsupplösning. "

Utformningen av sensorerna gör det möjligt för forskarna att installera dem på många områden över hela ön, men detta krävde inköp från lokala medborgare. "När du distribuerar ett sensornätverk så här, där du vill få mätningar i en region, det är verkligen viktigt att interagera direkt med medlemmar i samhällen, "Förklarar Kroll. I sin tur Kohala Center etablerade kontakter med skolor och vårdcentraler som förberedelse för det EPA-finansierade forskningsprojektet, och forskarna kunde utnyttja dessa förbindelser tidigt som en del av deras nödberedskapsprojekt. Platserna valdes strategiskt ut för sina positioner som gemenskapsförsamlingsutrymmen, och för de utbildningsmöjligheter som givarens data ger, eftersom utbildning och uppsökande verksamhet är en central aspekt av det långsiktiga forskningsprojektet.

Crawford förklarar att som en del av EPA -projektet, "vi arbetar med lärarna så att de kan använda sensorerna på olika sätt i sin STEM -läroplan, att engagera sig med eleverna om dataanalys, miljövetenskap, [och] några programmeringskunskaper, "Han flyttade till Hawaii i september för att både upprätthålla nätverket och för att ge professionella utvecklingsmöjligheter för lärare.

När Crawford och Hagan installerade sensorer på olika platser kort efter det stora utbrottet i maj, lärare och administratörer berättade för forskarna om utbrottets inverkan på sina elever, rapporterar ofta om en ökning av frånvaron och i några fall förlusten av studenters hem. Steve Hirakami, rektor och grundare av Hawaii Academy of Arts and Science (HAAS), uppskattade att nästan 40 procent av deras personal och studenter hade påverkats av evakueringen. "Detta har stor inverkan på [vår] skola, "sa han i maj när Kilauea fortfarande var aktiv. Hirakami använde MIT -sensorerna för att bestämma nedläggning av skolan och uttryckte tacksamhet till forskarna för att de gav honom resursen.

I spårens omedelbara spår, Wendy Baker, en historielärare på HAAS, arbetade med Crawford för att installera en sensor som forskarna hade skickat via posten på skolans egendom, redan innan forskarna anlände till ön. Hon, för, framhöll sensorernas värde för gemenskapens sinnesro under utbrottet, och även som ett undervisningsverktyg. "Dagen då vi kom tillbaka, Jag drog upp den [på projektorn], och vi har tittat på det varje morgon, titta på data och kontrollera luftkvaliteten, "minns hon. Baker förklarade också att sensorn var till hjälp för att koppla vetenskapen bakom luftkvaliteten med vad eleverna upplevde i deras vardag.

Ted Brattström, en gymnasielärare på Ka'u High School, var på samma sätt entusiastisk över att få en sensor installerad på sin skola.

"Sensorerna kommer att ge oss två fördelar. Den första och främsta fördelen är, genom att ha dessa data i intervaller på en minut, vi kommer att veta när vi faktiskt har en SO ₂ händelse inträffar, " han sa.

"Det låter oss hålla barnen inne, och i som ett luftkonditionerat område och så filtrerat ett område som vi kan, och säg sedan när det är säkert att gå ut, "förklarade han i maj när sensorn på hans skola ursprungligen installerades." Som en vetenskapsnörd för mig själv och min klass, vi får nu se hur stämningen går, hur inte bara själva kalderan - själva vulkanen - fungerar och släpper ut gaser, men också hur det kommer ner i vinden, arbetar med öns topografi, och få [vog] hit. "

Sensorerna själva är förankrade i utbildning. De utvecklades ursprungligen som en del av CEE -ämnet 1.091 (Traveling Research Environmental Experiences, eller TREX), ett årligt grundutbildningsprojekt som tar studenter till Hawaii Island för att bedriva forskning under perioden Oberoende aktiviteter. Över åren, eleverna upptäckte och arbetade med glitches och problem med sensorerna, vilket leder till utvecklingen av den nuvarande iterationen. Det var därför naturligt för Kroll och Heald att samarbeta med EPA om ett nytt projekt för att använda sensorerna för realtidsdata men också att ha en liknande utbildningskomponent med skolorna och vårdcentralerna.

"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 början av augusti, 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. Just 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."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.