Mentre la lava fusa rossa fuoriusciva da Kilauea sull'isola di Hawaii ("la Grande Isola") nel maggio 2018, distruggendo case e proprietà sul suo cammino, nuvole di particelle di cenere e gas tossici del vulcano, noto come vog, riempivano l'aria e si spostavano sull'isola con il vento.

Anche prima di questa fase più recente dell'eruzione del Kilauea, la qualità dell'aria era una delle principali preoccupazioni per i cittadini di tutta l'isola. I ricercatori del Dipartimento di ingegneria civile e ambientale (CEE) del MIT hanno lavorato a stretto contatto con i cittadini dell'isola di Hawaii per diversi anni per monitorare la qualità dell'aria dal vulcano utilizzando sensori a basso costo. I ricercatori stavano persino pianificando di lanciare un progetto sulla qualità dell'aria su larga scala finanziato dalla US Environmental Protection Agency (EPA), ma le condizioni di emergenza create da Kilauea a partire dalla primavera dello scorso anno, e le urgenti richieste di dati sull'inquinamento atmosferico da parte di gruppi comunitari e funzionari del governo statale, ha spinto i ricercatori del MIT a entrare in azione mesi prima del previsto.

"Ci siamo resi conto che poiché stavamo costruendo questi strumenti per misurare gas e particelle in modo relativamente rapido ed economico, avevamo gli strumenti per aiutare le persone alle Hawaii a capire la qualità dell'aria che respiravano, "dice Jesse Kroll, professore associato di ingegneria civile e ambientale e ingegneria chimica, che guida i progetti di ricerca sulla qualità dell'aria in tutta l'isola con Colette Heald, un professore della Cee. "In un periodo di appena due settimane, abbiamo organizzato questo sforzo in cui abbiamo costruito una serie di scatole di sensori e siamo venuti qui alle Hawaii per cercare di installarli in tutta l'isola".

Poiché i ricercatori avevano a disposizione alcuni sensori, e poiché il tempo era essenziale, inviarono immediatamente gli strumenti che avevano al Dipartimento della Salute delle Hawaii (DoH) prima di mettersi al lavoro per costruirne di nuovi. Questi sensori sono stati i primi ad essere schierati nella zona colpita, poiché il DoH attendeva altri monitor della qualità dell'aria da parte delle agenzie governative. L'iniziativa di risposta all'emergenza è stata sostenuta interamente dalla CEE, che ha fornito fondi per Kroll e Heald, insieme al postdoc Ben Crawford e allo studente laureato David Hagan, acquistare forniture per costruire i sensori di qualità dell'aria e viaggiare alle Hawaii per distribuire i sensori intorno all'isola a maggio.

"Lavoriamo con il MIT da quasi due anni allo sviluppo di un progetto ed è stato, da parte nostra, per aiutare il MIT a posizionare monitor e sensori in modo che possano costruire e testare un gruppo di sensori che forniscano informazioni sulla qualità dell'aria sia all'università che come un modo per informare il pubblico in generale, "dice Betsy Cole, il direttore dei progetti strategici al The Kohala Center, un'organizzazione senza scopo di lucro che ha contribuito a mettere in contatto i ricercatori del MIT con i cittadini, scuole, e organizzazioni in tutta l'isola. Cole osserva che un aumento del numero di richieste di informazioni l'ha spinta a contattare Kroll per vedere se c'era qualcosa che il MIT potesse fare per accelerare il processo di fornitura di sensori e misurazioni ai cittadini per comprendere l'impatto dell'eruzione - e il suo impatto duraturo - sulla loro aria.

I sensori del MIT possono rilevare e misurare l'anidride solforosa, che è irritante e può essere tossico in grandi quantità, così come il particolato, compreso l'acido solforico. "Con questa eruzione, c'era anche qualche preoccupazione per la cenere proveniente dal vulcano. Quindi possiamo misurarlo con sensori di particolato, pure, " dice Crawford. I sensori forniscono dati sulla qualità dell'aria in tempo reale, e le informazioni sono pubblicate su un sito web creato dai ricercatori. Attualmente, il sito web riflette i dati di 16 sensori in tutta l'isola, e più sensori verranno aggiunti man mano che il progetto avanza.

Ci sono molti vantaggi nell'utilizzare i sensori MIT al posto di quelli più grandi, strumenti più costosi tipicamente utilizzati dalle agenzie governative. Hagan, lo sviluppatore del sito Web e uno dei creatori originali di questi sensori, spiega, "[i nostri sensori] hanno un ingombro molto ridotto, così puoi metterli in più posti; sono alimentati a energia solare, così puoi davvero metterli in aree remote, e comunicano in modalità wireless su una rete 3G, quindi otteniamo tutti questi dati da remoto in tempo reale con una risoluzione spaziale e temporale molto elevata".

Il design dei sensori rende possibile per i ricercatori installarli in molte aree dell'isola, ma questo richiedeva il consenso dei cittadini locali. "Quando si distribuisce una rete di sensori come questa, dove si desidera ottenere misurazioni effettuate in tutta una regione, è molto importante interagire direttamente con i membri delle community, " spiega Kroll. A sua volta, Il Centro Kohala ha stabilito collegamenti con scuole e centri sanitari in preparazione del progetto di ricerca finanziato dall'EPA, e i ricercatori sono stati in grado di sfruttare queste connessioni fin dall'inizio come parte del loro progetto di risposta alle emergenze. I luoghi sono stati selezionati strategicamente per le loro posizioni come spazi di congregazione comunitaria, e per le opportunità educative offerte dai dati del sensore, poiché l'istruzione e la divulgazione sono un aspetto centrale del progetto di ricerca a lungo termine.

Crawford spiega che, nell'ambito del progetto EPA, "stiamo lavorando con gli insegnanti in modo che possano utilizzare i sensori in modi diversi nel loro curriculum STEM, coinvolgere gli studenti sull'analisi dei dati, scienza ambientale, [e] alcune abilità di programmazione, " Si è trasferito alle Hawaii a settembre sia per mantenere la rete sia per fornire opportunità di sviluppo professionale agli insegnanti.

Poiché Crawford e Hagan hanno installato sensori in luoghi diversi poco dopo la grande eruzione di maggio, insegnanti e amministratori hanno parlato ai ricercatori dell'impatto dell'eruzione sui loro studenti, segnalando spesso un aumento delle assenze e in alcuni casi la perdita della casa degli studenti. Steve Hirakami, il preside e fondatore della Hawaii Academy of Arts and Science (HAAS), ha stimato che quasi il 40% del personale e degli studenti è stato colpito dall'evacuazione. "Questo ha un grande impatto sulla [nostra] scuola, " ha detto a maggio quando il Kilauea era ancora attivo. Hirakami ha utilizzato i sensori del MIT per determinare la chiusura delle scuole ed ha espresso gratitudine ai ricercatori per avergli fornito la risorsa.

Subito dopo le crepe, Wendy Baker, un insegnante di storia all'HAAS, ha lavorato con Crawford per installare un sensore che i ricercatori avevano inviato tramite posta sulla proprietà della scuola, anche prima che i ricercatori arrivassero sull'isola. Lei, pure, ha evidenziato il valore dei sensori per la tranquillità della comunità durante l'eruzione, e anche come strumento didattico. "Il giorno in cui siamo tornati, L'ho tirato su [sul proiettore], e l'abbiamo guardato ogni mattina, guardando i dati e controllando la qualità dell'aria, " ha ricordato. Baker ha anche spiegato che il sensore è stato utile per collegare la scienza dietro la qualità dell'aria con ciò che gli studenti stavano vivendo nella loro vita quotidiana.

Ted Brattström, un insegnante di scuola superiore alla Ka'u High School, era altrettanto entusiasta di avere un sensore installato nella sua scuola.

"I sensori ci daranno due vantaggi. Il primo e più importante vantaggio è, avendo questi dati a intervalli di un minuto, sapremo quando effettivamente abbiamo un SO ₂ evento che si verifica, " Egli ha detto.

"Questo ci permette di tenere i bambini dentro, e in un'area più climatizzata e più filtrata possibile, e poi dire quando è sicuro uscire, " ha spiegato a maggio quando il sensore nella sua scuola è stato inizialmente installato. "Come fanatico della scienza per me e la mia classe, ora possiamo vedere come funziona l'atmosfera, come non solo la caldera stessa, il vulcano stesso, stia operando ed emettendo gas, ma anche come sta venendo sottovento, lavorando con la topografia dell'isola, e ottenere il [vog] qui."

I sensori stessi sono radicati nell'istruzione. Inizialmente sono stati sviluppati come parte del soggetto CEE 1.091 (Traveling Research Environmental Experiences, o TREX), un progetto annuale di lavoro sul campo universitario che porta gli studenti all'isola delle Hawaii per condurre ricerche durante il periodo di attività indipendenti. Negli anni, gli studenti hanno scoperto e lavorato attraverso glitch e problemi con i sensori, portando allo sviluppo dell'attuale iterazione. 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 e particolato, 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."

All'inizio di agosto, 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. Proprio adesso, 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."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.