Il team di ricerca di Mark Zondlo ha monitorato i gas serra e gli inquinanti atmosferici per le strade di Pechino e New York City, intorno ai pozzi di gas della Pennsylvania, e nei pressi di allevamenti per animali in Colorado e California.

Questi esperimenti richiedono in genere sei mesi di pianificazione, ma quest'anno il laboratorio si è preparato rapidamente per una missione urgente:monitorare la qualità dell'aria sulla Big Island delle Hawaii durante la grande eruzione del vulcano Kilauea. Tra maggio e agosto, le colate laviche hanno distrutto circa 700 abitazioni. Circa 2, 500 residenti evacuati aree vicine alle fessure attive, e molti problemi respiratori sperimentati dalla cenere vulcanica e dai gas.

"Questa è stata un'opportunità per fare qualcosa di utile, " disse Zondlo, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale di Princeton e direttore associato di partenariati esterni presso l'Andlinger Center for Energy and the Environment. A Zondlo è stato chiesto di effettuare misurazioni durante l'eruzione in qualità di membro del team di scienze applicate della salute e della qualità dell'aria della NASA (HAQAST), che aiuta le agenzie per la salute pubblica e la qualità dell'aria a utilizzare i dati satellitari della NASA.

I dati e le analisi del team aiuteranno i funzionari della sanità pubblica e gli scienziati a comprendere meglio come i vulcani influenzano la qualità dell'aria e come i cambiamenti nella qualità dell'aria potrebbero essere associati agli effetti sulla salute.

Tra i gas vulcanici, l'anidride solforosa rappresenta il rischio più significativo per la salute pubblica; può irritare gli occhi, pelle e apparato respiratorio. Combinato con altre molecole nell'atmosfera, l'anidride solforosa forma particelle fini che possono penetrare in profondità nei polmoni:"Ti prende in due modi, " ha detto Zondlo. L'anidride solforosa è un componente chiave del vog, lo smog vulcanico che spesso riduce la visibilità alle Hawaii.

Nell'ambito di un progetto chiamato Princeton Atmospheric Chemistry Experiment (PACE), nel 2013 e nel 2014 il gruppo di Zondlo ha sviluppato e gestito una suite di sensori di gas che rilevano l'anidride carbonica, metano, ammoniaca e altri inquinanti. I sensori, montato in cima alle auto e alimentato da batterie per auto, sono più trasportabili e consumano meno energia rispetto alla maggior parte dei sistemi di monitoraggio. I sensori utilizzano laser che emettono luce a lunghezze d'onda del vicino infrarosso e del medio infrarosso, sviluppato presso il Centre for Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment di Princeton.

Ogni sensore è sintonizzato su una specifica lunghezza d'onda della luce in base alla molecola che è progettata per rilevare. Il progetto Hawaii è stata la prima volta che il laboratorio ha utilizzato un sensore mobile per misurare i livelli di anidride solforosa. In vista del viaggio, i ricercatori hanno modificato un sensore per l'ammoniaca, un comune inquinante proveniente dall'attività agricola, per misurare l'anidride solforosa.

Il team ha soprannominato il suo progetto alle Hawaii Laboratorio per l'Analisi del Vog Atmosferico, o LAVA. Durante la guida intorno e attraverso il 4, un'isola di 000 miglia quadrate per tre settimane, i ricercatori hanno registrato misurazioni continue di sette inquinanti atmosferici, così come i dati meteorologici sulla velocità e la direzione del vento, temperatura e umidità.

Uno degli obiettivi principali dello sforzo era completare e colmare le lacune nei dati provenienti dalle immagini satellitari e dalle reti di stazioni di monitoraggio a terra dell'isola. Molte aree popolate sono lontane dalle stazioni di monitoraggio a terra, e mentre i dati satellitari possono fornire informazioni utili su grandi scale spaziali, queste misurazioni potrebbero non riflettere la qualità dell'aria vissuta dai residenti.

"Le emissioni dei vulcani vengono scaricate nell'atmosfera, " disse Zondlo. Nel caso dell'anidride solforosa, i dati satellitari hanno difficoltà a risolvere le concentrazioni a diverse altezze, "così il pennacchio [di gas vulcanico] potrebbe essere sollevato ben al di sopra della superficie, e la qualità dell'aria potrebbe essere perfettamente soddisfacente in superficie. Ecco perché abbiamo bisogno di reti di superficie".

Nei mesi di luglio e agosto, ogni membro del laboratorio di Zondlo si è recato alle Hawaii per unirsi al progetto, di cui cinque laureati, due membri dello staff, uno studente di ricerca estivo e un insegnante di scuola superiore che ha lavorato con il laboratorio per diversi anni. Il team ha lavorato in tre turni sovrapposti durante il soggiorno in una casa in affitto vicino a Pāhoa, all'estremità orientale dell'isola, a circa 20 miglia a sud della città di Hilo ea 10 miglia dalla fessura più attiva del vulcano in eruzione.

"E 'stato scomodamente fantastico, " disse Zondlo. "Dalla casa, potevi vedere il laze [lava haze] dalla lava che colpisce l'oceano. Di notte, vedresti questo enorme pennacchio arancione nel cielo da tutta la lava che si riflette sulle nuvole e sul fumo."

ogni sera, il team ha pianificato il percorso di campionamento del giorno successivo consultando il modello vog dell'Università delle Hawaii, che combina le stime delle emissioni dei vulcani con le previsioni del vento per prevedere quali regioni potrebbero avere le più alte concentrazioni di anidride solforosa e particelle fini. Hanno anche esaminato le osservazioni iniziali del team che aveva appena terminato il campionamento sul campo lo stesso giorno.

Con l'aiuto dell'ufficio dei servizi di approvvigionamento di Princeton, Zondlo ha ottenuto l'accesso a una Chevrolet Bolt completamente elettrica, lo stesso tipo di veicolo utilizzato dal suo team per gli studi di monitoraggio mobile a Princeton e New York City. Avere un'auto elettrica è utile perché lo scarico di un'auto a benzina interferirebbe con le misurazioni dei sensori.

A gruppi di tre, i ricercatori trascorrevano fino a otto ore al giorno guidando per l'isola, coprendo ampi tratti di costa e la Saddle Road che attraversa l'isola e sale a un'altitudine di oltre 6, 000 piedi mentre costeggia il pendio del vulcano dormiente Mauna Kea. Si sono presi delle pause per ricaricare la batteria dell'auto, e a volte ha dovuto smettere di guidare a causa dei forti acquazzoni comuni sulla Big Island, dissero Da Pan e Levi Golston, due studenti laureati nel laboratorio di Zondlo.

inaspettatamente, l'eruzione del Kilauea si fermò drammaticamente entro pochi giorni dall'inizio del campionamento del gruppo. "La nostra idea di misurare alte concentrazioni sottovento alla sorgente, a un paio di miglia di distanza, una specie di uscita dalla finestra, ", ha detto Golston.

Il lavoro del team è stato interrotto anche dall'uragano Lane, che ha causato gravi inondazioni sulla Big Island alla fine di agosto. Sebbene il tempismo fosse un po' deludente, disse Zondlo, "scientificamente è probabilmente molto più interessante che se avessimo appena misurato un mucchio di vog ininterrottamente per 22 giorni".

"La qualità dell'aria non è migliorata istantaneamente poiché la lava più vecchia scorreva nell'oceano e si sono verificate ancora alcune emissioni, " ha osservato. "Quindi, è stato bello che abbiamo effettivamente misurato quella transizione."

Poiché gli alisei spazzano le Hawaii da ovest o sud-ovest, la costa occidentale e la punta meridionale dell'isola, aree fino a 100 miglia di distanza dal vulcano, tendono a sperimentare una scarsa qualità dell'aria durante un'eruzione attiva, un fenomeno che il gruppo di Zondlo ha cercato di documentare in dettaglio. Sorprendentemente, a metà agosto il lato occidentale dell'isola ha goduto dell'aria più pulita degli ultimi dieci anni, fornendo una linea di base per informare l'analisi del laboratorio, ha detto Zondlo.

Ora, il team sta lavorando per integrare i propri dati di campionamento mobile con informazioni provenienti da stazioni di terra e immagini satellitari. Hanno in programma di creare una mappa dei gradienti di qualità dell'aria in ogni condizione di vento per comprendere meglio i livelli di inquinamento in base ai dati disponibili durante l'eruzione di maggio, giugno e luglio.

"Ogni set di dati ha le sue sfide e i suoi vantaggi unici, e se riesci a prendere il meglio da tutti loro ottieni un quadro molto più completo e preciso, " disse Zondlo.

Attraverso la sua connessione con il programma di scienze applicate della NASA, Zondlo presenterà i risultati del suo laboratorio alle agenzie per la qualità dell'aria e la salute pubblica. Con mappe ad alta risoluzione della qualità dell'aria, 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.

In definitiva, 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, Egli ha detto, 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, " Egli ha detto.