L'équipe de recherche de Mark Zondlo a suivi les gaz à effet de serre et les polluants atmosphériques dans les rues de Pékin et de New York, autour des puits de gaz de Pennsylvanie, et près des parcs d'engraissement des animaux au Colorado et en Californie.

Ces expériences prennent généralement six mois de planification, mais cette année, le laboratoire s'est rapidement préparé pour une mission urgente :surveiller la qualité de l'air sur la grande île d'Hawaï pendant la grande éruption du volcan Kilauea. Entre mai et août, Les coulées de lave ont détruit environ 700 maisons. Environ 2, 500 habitants évacués des zones proches des fissures actives, et beaucoup ont connu des problèmes respiratoires à cause des cendres et des gaz volcaniques.

"C'était l'occasion de faire quelque chose d'utile, " dit Zondlo, professeur agrégé au Département de génie civil et environnemental de Princeton et directeur associé des partenariats externes au Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement. Zondlo a été invité à prendre des mesures pendant l'éruption en sa qualité de membre de l'équipe des sciences appliquées de la santé et de la qualité de l'air de la NASA (HAQAST), qui aide les agences de santé publique et de qualité de l'air à utiliser les données satellitaires de la NASA.

Les données et les analyses de l'équipe aideront les responsables de la santé publique et les scientifiques à mieux comprendre comment les volcans influencent la qualité de l'air et comment les changements dans la qualité de l'air pourraient être associés à des effets sur la santé.

Parmi les gaz volcaniques, le dioxyde de soufre pose le risque le plus important pour la santé publique; il peut irriter les yeux, peau et système respiratoire. Combiné avec d'autres molécules dans l'atmosphère, le dioxyde de soufre forme de fines particules qui peuvent pénétrer profondément dans les poumons :" a déclaré Zondlo. Le dioxyde de soufre est un élément clé du vog, le smog volcanique qui réduit souvent la visibilité à Hawaï.

Dans le cadre d'un projet appelé Princeton Atmospheric Chemistry Experiment (PACE), en 2013 et 2014, le groupe de Zondlo a développé et exploité une suite de capteurs de gaz qui détectent le dioxyde de carbone, méthane, ammoniac et autres polluants. Les capteurs, monté sur des voitures et alimenté par des batteries de voiture, sont plus transportables et consomment moins d'énergie que la plupart des systèmes de surveillance. Les capteurs utilisent des lasers qui émettent de la lumière dans les longueurs d'onde du proche infrarouge et du moyen infrarouge, développé au Centre de Princeton pour les technologies à infrarouge moyen pour la santé et l'environnement.

Chaque capteur est réglé sur une longueur d'onde de lumière spécifique en fonction de la molécule qu'il est conçu pour détecter. Le projet d'Hawaï était la première fois que le laboratoire utilisait un capteur mobile pour mesurer les niveaux de dioxyde de soufre. Avant le voyage, les chercheurs ont modifié un capteur d'ammoniac, un polluant commun de l'activité agricole, pour mesurer le dioxyde de soufre.

L'équipe a surnommé son projet d'Hawaï le Laboratoire d'analyse atmosphérique de Vog, ou LAVE. En conduisant autour et à travers le 4, île de 000 milles carrés pendant trois semaines, les chercheurs ont enregistré des mesures en continu de sept polluants atmosphériques, ainsi que des données météorologiques sur la vitesse et la direction du vent, température et humidité.

L'un des principaux objectifs de l'effort était de compléter et de combler les lacunes dans les données des images satellite et des réseaux de stations de surveillance au sol de l'île. De nombreuses zones peuplées sont éloignées des stations de surveillance au sol, et tandis que les données satellitaires peuvent fournir des informations utiles à de grandes échelles spatiales, ces mesures peuvent ne pas refléter la qualité de l'air vécue par les résidents.

"Les émissions des volcans sont projetées dans l'atmosphère, " a déclaré Zondlo. Dans le cas du dioxyde de soufre, les données satellitaires ont du mal à résoudre les concentrations à différentes hauteurs, « de sorte que le panache [de gaz volcanique] pourrait s'élever bien au-dessus de la surface, et la qualité de l'air pourrait être parfaitement bonne à la surface. C'est pourquoi nous avons besoin de réseaux de surface."

En juillet et août, chaque membre du laboratoire de Zondlo s'est rendu à Hawaï pour rejoindre le projet, dont cinq étudiants diplômés, deux membres du personnel, un étudiant chercheur d'été et un enseignant au secondaire qui a travaillé avec le laboratoire pendant plusieurs années. L'équipe a travaillé en trois équipes se chevauchant tout en restant dans une maison de location près de Pāhoa à l'extrémité est de l'île, à environ 20 miles au sud de la ville de Hilo et à 10 miles de la fissure en éruption la plus active du volcan.

"C'était inconfortablement génial, " dit Zondlo. " De la maison, vous pouviez voir le laze [lava haze] de la lave frappant l'océan. La nuit, vous verriez cet énorme panache orange dans le ciel de toute la lave se reflétant sur les nuages ​​et la fumée."

Chaque soir, l'équipe a planifié l'itinéraire d'échantillonnage du lendemain en consultant le modèle vog de l'Université d'Hawaï, qui combine des estimations d'émissions volcaniques avec des prévisions de vent pour prédire quelles régions sont susceptibles d'avoir les concentrations les plus élevées de dioxyde de soufre et de particules fines. Ils ont également examiné les observations initiales de l'équipe qui venait de terminer l'échantillonnage sur le terrain le même jour.

Avec l'aide du bureau des services d'approvisionnement de Princeton, Zondlo a eu accès à une Chevrolet Bolt tout électrique, le même type de véhicule que son équipe utilise pour les études de surveillance mobile à Princeton et à New York. Avoir une voiture électrique est utile car les gaz d'échappement d'une voiture à essence interféreraient avec les mesures des capteurs.

En groupe de trois, les chercheurs ont passé jusqu'à huit heures par jour à faire le tour de l'île, couvrant de grandes étendues de littoral ainsi que la route de la selle qui traverse l'île et monte à une altitude de plus de 6, 000 pieds alors qu'il longe la pente du volcan endormi Mauna Kea. Ils ont fait des pauses pour recharger la batterie de la voiture, et a parfois dû arrêter de conduire en raison des fortes averses courantes sur la grande île, dirent Da Pan et Levi Golston, deux étudiants diplômés dans le laboratoire de Zondlo.

De façon inattendue, l'éruption du Kilauea s'est arrêtée de façon spectaculaire quelques jours après le début de l'échantillonnage du groupe. "Notre idée de mesurer des concentrations élevées sous le vent de la source, à quelques kilomètres, en quelque sorte sorti par la fenêtre, " dit Golston.

Le travail de l'équipe a également été écourté par l'ouragan Lane, qui a provoqué de graves inondations sur la Grande Île à la fin août. Bien que le timing ait été quelque peu décevant, dit Zondlo, "Scientifiquement, c'est probablement beaucoup plus intéressant que si nous venions de mesurer un tas de vog en continu pendant 22 jours."

"La qualité de l'air ne s'est pas améliorée instantanément car la lave plus ancienne se déversait dans l'océan et certaines émissions se produisaient encore, " a-t-il noté. " Alors, c'était plutôt bien que nous ayons mesuré cette transition."

Parce que les alizés balayent vers l'ouest ou le sud-ouest à travers Hawaï, la côte ouest et la pointe sud de l'île - des zones jusqu'à 100 miles du volcan - ont tendance à avoir une mauvaise qualité de l'air lors d'une éruption active, un phénomène que le groupe de Zondlo a cherché à documenter en détail. Remarquablement, à la mi-août, la partie ouest de l'île a bénéficié d'un de ses airs les plus purs depuis une décennie, fournir une base de référence pour éclairer l'analyse du laboratoire, dit Zondlo.

Maintenant, l'équipe travaille à l'intégration de ses données d'échantillonnage mobile avec des informations provenant de stations au sol et d'images satellite. Ils prévoient de créer une carte des gradients de qualité de l'air sous chaque condition de vent pour mieux comprendre les niveaux de pollution sur la base des données disponibles lors de l'éruption de mai, Juin et juillet.

"Chaque ensemble de données a ses défis et avantages uniques, et si vous pouvez tirer le meilleur parti de tous, vous obtenez une image beaucoup plus complète et précise, " dit Zondlo.

Grâce à ses liens avec le programme de sciences appliquées de la NASA, Zondlo présentera les découvertes de son laboratoire aux agences de qualité de l'air et de santé publique. Avec des cartes haute résolution de la qualité de l'air, 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.

Finalement, 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, il a dit, 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, " il a dit.