Alors que de la lave rouge en fusion suintait du Kilauea sur l'île d'Hawaï ("la grande île") en mai 2018, détruisant maisons et biens sur son passage, des nuages ​​de particules de cendres et de gaz toxiques provenant du volcan, connus sous le nom de vog, ont rempli l'air et ont dérivé à travers l'île avec le vent.

Même avant cette phase la plus récente de l'éruption du Kilauea, la qualité de l'air était une préoccupation majeure pour les citoyens de toute l'île. Des chercheurs du département de génie civil et environnemental (CEE) du MIT ont travaillé en étroite collaboration avec les citoyens de l'île d'Hawaï pendant plusieurs années pour surveiller la qualité de l'air du volcan à l'aide de capteurs à faible coût. Les chercheurs prévoyaient même de lancer un projet à grande échelle sur la qualité de l'air financé par l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA), mais les conditions d'urgence créées par Kilauea à partir du printemps de l'année dernière, et les demandes urgentes de données sur la pollution atmosphérique de la part des groupes communautaires et des représentants du gouvernement des États, a incité les chercheurs du MIT à passer à l'action des mois avant la date prévue.

"Nous nous sommes rendus compte que parce que nous avions construit ces instruments pour mesurer les gaz et les particules relativement rapidement et à moindre coût, nous avions les outils pour aider les habitants d'Hawaï à comprendre la qualité de l'air qu'ils respiraient, " dit Jesse Kroll, professeur agrégé de génie civil et environnemental et de génie chimique, qui dirige les projets de recherche sur la qualité de l'air à travers l'île avec Colette Heald, un professeur du CEE. "Dans une période d'environ deux semaines, nous avons organisé cet effort dans lequel nous avons construit un certain nombre de boîtiers de capteurs et sommes venus ici à Hawaï pour essayer de les installer sur toute l'île."

Comme les chercheurs disposaient de quelques capteurs, et parce que le temps était compté, ils ont immédiatement envoyé les instruments dont ils disposaient au ministère de la Santé d'Hawaï (DoH) avant de se mettre au travail pour construire les nouveaux. Ces capteurs ont été les premiers à être déployés dans la zone touchée, alors que le DoH attendait d'autres moniteurs de la qualité de l'air des agences gouvernementales. L'initiative d'intervention d'urgence a été entièrement financée par le CEE, qui a fourni des fonds pour Kroll et Heald, avec le postdoctorant Ben Crawford et l'étudiant diplômé David Hagan, pour acheter des fournitures pour construire les capteurs de qualité de l'air et se rendre à Hawaï pour déployer les capteurs autour de l'île en mai.

« Nous travaillions avec le MIT depuis près de deux ans sur le développement d'un projet et c'était, Sur notre partie, aider le MIT à placer des moniteurs et des capteurs afin qu'ils puissent construire et tester un groupe de capteurs qui fourniraient des informations sur la qualité de l'air à la fois à l'université et seraient mis en place comme un moyen d'informer le public en général, " dit Betsy Cole, le directeur des projets stratégiques du Kohala Center, une organisation à but non lucratif qui a aidé à mettre les chercheurs du MIT en contact avec les citoyens, écoles, et des organisations à travers l'île. Cole note qu'une augmentation du nombre de demandes d'informations l'a incitée à contacter Kroll pour voir s'il y avait quelque chose que le MIT pouvait faire pour accélérer le processus de fourniture de capteurs et de mesures aux citoyens pour comprendre l'impact de l'éruption - et son impact durable - sur leur air.

Les capteurs MIT peuvent détecter et mesurer le dioxyde de soufre, qui est irritant et peut être toxique en grande quantité, ainsi que les particules, y compris l'acide sulfurique. "Avec cette éruption, il y avait aussi des inquiétudes concernant les cendres provenant du volcan. Nous pouvons donc mesurer cela avec des capteurs de particules, trop, " dit Crawford. Les capteurs fournissent des données sur la qualité de l'air en temps réel, et l'information est publiée sur un site Web créé par les chercheurs. Actuellement, le site Web reflète les données de 16 capteurs à travers l'île, et d'autres capteurs seront ajoutés au fur et à mesure de l'avancement du projet.

Il y a de nombreux avantages à déployer les capteurs MIT à la place de plus gros, instruments plus coûteux généralement utilisés par les agences gouvernementales. Hagan, le développeur du site Web et l'un des créateurs originaux de ces capteurs, explique, "[nos capteurs] ont une empreinte beaucoup plus petite, ainsi vous pouvez les mettre dans plus d'endroits; ils fonctionnent à l'énergie solaire, donc vous pouvez vraiment les mettre dans des régions éloignées, et ils communiquent sans fil sur un réseau 3G, nous obtenons donc toutes ces données à distance en temps réel à une très haute résolution spatiale et temporelle."

La conception des capteurs permet aux chercheurs de les installer dans de nombreuses zones de l'île, mais cela nécessitait l'adhésion des citoyens locaux. "Lors du déploiement d'un réseau de capteurs comme celui-ci, où vous souhaitez obtenir des mesures effectuées dans toute une région, il est vraiment important d'interagir directement avec les membres des communautés, " explique Kroll. À son tour, Le Centre Kohala a établi des liens avec des écoles et des centres de santé en vue du projet de recherche financé par l'EPA, et les chercheurs ont pu exploiter ces connexions dès le début dans le cadre de leur projet d'intervention d'urgence. Les emplacements ont été stratégiquement choisis pour leurs positions en tant qu'espaces de congrégation communautaire, et pour les opportunités pédagogiques offertes par les données du capteur, car l'éducation et la sensibilisation sont une facette centrale du projet de recherche à long terme.

Crawford explique que, dans le cadre du projet EPA, « nous travaillons avec les enseignants afin qu'ils puissent utiliser les capteurs de différentes manières dans leur programme STEM, interagir avec les étudiants sur l'analyse des données, sciences de l'environnement, [et] quelques compétences en programmation, " Il a déménagé à Hawaï en septembre pour à la fois maintenir le réseau et offrir des opportunités de développement professionnel aux enseignants.

Comme Crawford et Hagan ont installé des capteurs à différents endroits peu de temps après l'éruption majeure de mai, les enseignants et les administrateurs ont informé les chercheurs de l'impact de l'éruption sur leurs élèves, signalant souvent une augmentation des absences et dans quelques cas la perte des logements des étudiants. Steve Hirakami, le principal et fondateur de la Hawaii Academy of Arts and Science (HAAS), ont estimé que près de 40 pour cent de leur personnel et de leurs étudiants avaient été touchés par l'évacuation. « Cela a un impact majeur sur [notre] école, ", a-t-il déclaré en mai, alors que le Kilauea était encore actif. Hirakami a utilisé les capteurs du MIT pour déterminer les fermetures d'écoles et a exprimé sa gratitude aux chercheurs pour lui avoir fourni la ressource.

Dans le sillage immédiat des fissures, Wendy Boulanger, professeur d'histoire à la HAAS, travaillé avec Crawford pour installer un capteur que les chercheurs avaient envoyé par courrier sur la propriété de l'école, avant même l'arrivée des chercheurs sur l'île. Elle, trop, a souligné l'intérêt des capteurs pour la tranquillité d'esprit de la communauté lors de l'éruption, et aussi comme outil pédagogique. "Le jour où nous sommes revenus, Je l'ai relevé [sur le projecteur], et nous l'avons regardé tous les matins, en regardant les données et en vérifiant la qualité de l'air, " se souvient-elle. Baker a également expliqué que le capteur était utile pour relier la science derrière la qualité de l'air avec ce que les étudiants vivaient dans leur vie quotidienne.

Ted Brattstrom, un professeur de lycée à Ka'u High School, était tout aussi enthousiaste à l'idée d'installer un capteur dans son école.

« Les capteurs vont nous apporter deux avantages. Le premier et le plus important est :en ayant ces données dans des intervalles d'une minute, nous allons savoir quand nous aurons réellement un SO 2 événement survenu, " il a dit.

"Cela nous permet de garder les enfants à l'intérieur, et dans une zone aussi climatisée et filtrée que possible, et puis dire quand il est sûr d'aller dehors, " a-t-il expliqué en mai alors que le capteur de son école était initialement installé. " En tant que geek des sciences pour moi et ma classe, nous voyons maintenant comment fonctionne l'atmosphère, comment non seulement la caldeira elle-même - le volcan lui-même - fonctionne et émet des gaz, mais aussi comment ça vient sous le vent, travailler avec la topographie de l'île, et obtenir le [vog] ici."

Les capteurs eux-mêmes sont ancrés dans l'éducation. Ils ont été initialement développés dans le cadre du sujet CEE 1.091 (Traveling Research Environmental Experiences, ou TREX), un projet annuel de travail sur le terrain de premier cycle qui emmène les étudiants sur l'île d'Hawaï pour mener des recherches sur la période d'activités indépendantes. Au cours des années, les étudiants ont découvert et résolu les problèmes et les problèmes avec les capteurs, menant au développement de l'itération actuelle. 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 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."

Début août, 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. Right now, 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."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.