Mark Zondlos forskargrupp har spårat växthusgaser och luftföroreningar på gatorna i Beijing och New York City, runt Pennsylvania gasbrunnar, och nära djurfoder i Colorado och Kalifornien.

Dessa experiment tar vanligtvis sex månaders planering, men i år rustade labbet snabbt för ett tidskänsligt uppdrag:att övervaka luftkvaliteten på Hawaiis Big Island under det stora utbrottet av vulkanen Kilauea. Mellan maj och augusti, lavaströmmar förstörde omkring 700 hem. Cirka 2, 500 invånare evakuerade områden nära de aktiva sprickorna, och många upplevde andningsproblem från den vulkaniska askan och gaserna.

"Det här var en möjlighet att göra något användbart, sa Zondlo, en docent vid Princetons avdelning för civil- och miljöteknik och biträdande chef för externa partnerskap i Andlinger Center for Energy and the Environment. Zondlo ombads att göra mätningar under utbrottet i sin egenskap av medlem i NASA Health and Air Quality Applied Sciences Team (HAQAST), som hjälper folkhälso- och luftkvalitetsbyråer att använda NASAs satellitdata.

Teamets data och analyser hjälper folkhälsovårdstjänstemän och forskare att bättre förstå hur vulkaner påverkar luftkvaliteten och hur förändringar i luftkvalitet kan ha samband med hälsoeffekter.

Bland vulkaniska gaser, svaveldioxid utgör den största risken för folkhälsan. det kan irritera ögonen, hud och andningsorgan. I kombination med andra molekyler i atmosfären, svaveldioxid bildar fina partiklar som kan färdas djupt in i lungorna:"Det får dig på två sätt, "sade Zondlo. Svaveldioxid är en viktig komponent i vog, vulkansmoggen som ofta minskar sikten på Hawaii.

Som en del av ett projekt kallat Princeton Atmospheric Chemistry Experiment (PACE), 2013 och 2014 utvecklade och drev Zondlos grupp en serie gassensorer som detekterar koldioxid, metan, ammoniak och andra föroreningar. Sensorerna, monterad ovanpå bilar och drivs av bilbatterier, är mer transporterbara och använder mindre energi än de flesta övervakningssystem. Sensorerna använder lasrar som avger ljus vid nära-infraröda och medelinfraröda våglängder, utvecklad vid Princetons Center for Mid-Infrared Technologies for Health and Environment.

Varje sensor är inställd på en specifik våglängd av ljus baserat på den molekyl den är designad för att detektera. Hawaii-projektet var första gången labbet hade använt en mobil sensor för att mäta svaveldioxidnivåer. Inför resan, forskarna modifierade en sensor för ammoniak, en vanlig förorening från jordbruksverksamhet, att mäta svaveldioxid.

Teamet kallade sitt Hawaii-projekt Laboratory for Atmospheric Vog Analysis, eller LAVA. När du kör runt och tvärs över 4:an, 000 kvadratkilometer ö i tre veckor, forskarna registrerade kontinuerliga mätningar av sju luftföroreningar, samt meteorologiska data om vindhastighet och vindriktning, temperatur och luftfuktighet.

Ett viktigt mål med insatsen var att komplettera och fylla luckor i data från satellitbilder och öns nätverk av markövervakningsstationer. Många befolkade områden är långt från markövervakningsstationer, och medan satellitdata kan ge användbar information på stora rumsliga skalor, dessa mätningar kanske inte återspeglar den luftkvalitet som invånarna upplever.

"Vulkanutsläpp kommer upp i atmosfären, " sa Zondlo. När det gäller svaveldioxid, satellitdata har svårt att lösa upp koncentrationer på olika höjder, "så att plymen [av vulkanisk gas] kunde lyftas långt över ytan, och luftkvaliteten kan vara helt ok vid ytan. Det är därför vi behöver ytnätverk."

Under juli och augusti, alla medlemmar i Zondlos labb reste till Hawaii för att gå med i projektet, inklusive fem doktorander, två anställda, en sommarforskarstudent och en gymnasielärare som arbetat med labbet i flera år. Teamet arbetade i tre överlappande skift medan de bodde i ett hyreshus nära Pāhoa på den östra änden av ön, cirka 20 mil söder om staden Hilo och 10 mil från vulkanens mest aktivt utbrottsspricka.

"Det var obehagligt häftigt, sade Zondlo. Från huset, du kunde se laze [lava haze] från lavan som träffade havet. På natten, du skulle se den här enorma orange plymen på himlen från all lava som reflekterades från molnen och röken."

Varje kväll, teamet planerade nästa dags provtagningsrutt genom att konsultera University of Hawaiis vog-modell, som kombinerar uppskattningar av vulkanutsläpp med vindprognoser för att förutsäga vilka regioner som sannolikt har de högsta koncentrationerna av svaveldioxid och fina partiklar. De granskade också de första observationerna från teamet som precis avslutat fältprovtagningen samma dag.

Med hjälp från Princetons Procurement Services-kontor, Zondlo fick tillgång till en helt elektrisk Chevrolet Bolt – samma typ av fordon som hans team använder för mobilövervakningsstudier i Princeton och New York City. Att ha en elbil är användbart eftersom avgaserna från en bensindriven bil skulle störa sensornas mätningar.

I grupper om tre, forskarna tillbringade så mycket som åtta timmar per dag på att köra runt ön, som täcker stora kuststräckor såväl som Saddle Road som korsar ön och klättrar till en höjd av mer än 6, 000 fot när det går runt sluttningen av den vilande vulkanen Mauna Kea. De tog pauser för att ladda bilens batteri, och var ibland tvungen att sluta köra på grund av de kraftiga skyfallen som är vanliga på Big Island, sa Da Pan och Levi Golston, två doktorander i Zondlos labb.

Oväntat, utbrottet av Kilauea stoppade dramatiskt inom några dagar efter att gruppen började provtagningen. "Vår idé att mäta höga koncentrationer nedåt källan, ett par mil bort, gick typ ut genom fönstret, sa Golston.

Lagets arbete avbröts också av orkanen Lane, som orsakade svåra översvämningar på Big Island i slutet av augusti. Även om timingen var något nedslående, sa Zondlo, "vetenskapligt är det förmodligen mycket mer intressant än om vi bara hade mätt ett gäng vog kontinuerligt i 22 dagar."

"Luftkvaliteten blev inte omedelbart bättre eftersom den äldre lavan strömmade till havet och vissa utsläpp fortfarande förekom, " noterade han. "Så, det var lite trevligt att vi faktiskt mätte den övergången."

Eftersom passadvindar sveper väster eller sydväst över Hawaii, västkusten och södra spetsen av ön - områden så mycket som 100 miles från vulkanen - tenderar att uppleva dålig luftkvalitet under ett aktivt utbrott, ett fenomen Zondlos grupp försökte dokumentera i detalj. Anmärkningsvärt, i mitten av augusti njöt öns västra sida av sin renaste luft på ett decennium, tillhandahålla en baslinje för att informera labbets analys, sa Zondlo.

Nu, teamet arbetar med att integrera sin mobila samplingsdata med information från markstationer och satellitbilder. De planerar att skapa en karta över luftkvalitetsgradienter under varje vindförhållande för att bättre förstå föroreningsnivåer baserat på tillgängliga data under utbrottet i maj, juni och juli.

"Varje datauppsättning har sina unika utmaningar och fördelar, och om du kan ta det bästa av dem alla får du en mycket mer komplett och exakt bild, sa Zondlo.

Genom sin koppling till 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.

I sista hand, 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, he said, 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 sa.