Enquanto a lava derretida vermelha escorria de Kilauea na Ilha do Havaí ("a Ilha Grande") em maio de 2018, destruindo casas e propriedades em seu caminho, nuvens de partículas de cinzas e gases tóxicos do vulcão - conhecidas como vog - encheram o ar e se espalharam pela ilha com o vento.

Mesmo antes desta fase mais recente da erupção do Kilauea, a qualidade do ar era uma grande preocupação para os cidadãos de toda a ilha. Pesquisadores do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (CEE) do MIT trabalharam em estreita colaboração com os cidadãos na Ilha do Havaí por vários anos para monitorar a qualidade do ar do vulcão usando sensores de baixo custo. Os pesquisadores estavam até planejando lançar um projeto de qualidade do ar em grande escala financiado pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA), mas as condições de emergência criadas pelo Kilauea a partir da primavera do ano passado, e as demandas urgentes por dados de poluição do ar de grupos comunitários e funcionários do governo estadual, incitou os pesquisadores do MIT a entrar em ação meses antes do previsto.

"Percebemos isso porque estávamos construindo esses instrumentos para medir gases e partículas de forma relativamente rápida e econômica, tínhamos as ferramentas para ajudar as pessoas no Havaí a entender a qualidade do ar que respiravam, "diz Jesse Kroll, professor associado de engenharia civil e ambiental e engenharia química, que lidera os projetos de pesquisa de qualidade do ar em toda a ilha com Colette Heald, um professor do CEE. "Em um período de apenas cerca de duas semanas, organizamos esse esforço no qual construímos várias caixas de sensores e viemos para o Havaí para tentar colocá-las em toda a ilha. "

Como os pesquisadores tinham alguns sensores em mãos, e porque o tempo era essencial, eles imediatamente enviaram os instrumentos que possuíam para o Departamento de Saúde do Havaí (DoH) antes de começar a trabalhar na construção dos novos. Esses sensores foram os primeiros a serem implantados na zona afetada, enquanto o DoH esperava outros monitores da qualidade do ar de agências governamentais. A iniciativa de resposta a emergências foi totalmente apoiada pelo CEE, que forneceu fundos para Kroll e Heald, junto com o pós-doutorando Ben Crawford e o estudante de graduação David Hagan, para comprar suprimentos para construir os sensores de qualidade do ar e viajar para o Havaí para implantar os sensores ao redor da ilha em maio.

"Trabalhamos com o MIT por quase dois anos no desenvolvimento de um projeto e foi, da nossa parte, para ajudar o MIT a colocar monitores e sensores para que eles pudessem construir e testar um grupo de sensores que forneceria informações sobre a qualidade do ar tanto de volta à universidade quanto ser configurado como uma forma de informar o público em geral, "diz Betsy Cole, o diretor de projetos estratégicos do Centro Kohala, uma organização sem fins lucrativos que ajudou a colocar os pesquisadores do MIT em contato com os cidadãos, escolas, e organizações em toda a ilha. Cole observa que um aumento no número de pedidos de informações a levou a entrar em contato com Kroll para ver se havia algo que o MIT poderia fazer para acelerar o processo de fornecer sensores e medições para que os cidadãos entendessem o impacto da erupção - e seu impacto duradouro - em seu ar.

Os sensores do MIT podem detectar e medir o dióxido de enxofre, que é irritante e pode ser tóxico em grandes quantidades, bem como material particulado, incluindo ácido sulfúrico. "Com esta erupção, havia alguma preocupação com as cinzas vindas do vulcão também. Podemos medir isso com sensores de partículas, também, "Crawford diz. Os sensores fornecem dados de qualidade do ar em tempo real, e as informações são publicadas em um site criado pelos pesquisadores. Atualmente, o site reflete dados de 16 sensores em toda a Ilha, e mais sensores serão adicionados à medida que o projeto avança.

Há muitos benefícios em implantar os sensores MIT no lugar de sensores maiores, instrumentos mais caros normalmente usados ​​por agências governamentais. Hagan, o desenvolvedor do site e um dos criadores originais desses sensores, explica, "[nossos sensores] ocupam muito menos espaço, para que você possa colocá-los em mais lugares; eles são movidos a energia solar, para que você possa realmente colocá-los em áreas remotas, e eles se comunicam sem fio através de uma rede 3G, portanto, obtemos todos esses dados remotamente em tempo real em uma resolução espacial e temporal muito alta. "

O projeto dos sensores torna viável para os pesquisadores instalá-los em muitas áreas da ilha, mas isso exigia a adesão dos cidadãos locais. “Ao implantar uma rede de sensores como esta, onde você deseja obter medições feitas em toda a região, é muito importante interagir diretamente com os membros das comunidades, "Kroll explica. Por sua vez, O Kohala Center estabeleceu conexões com escolas e centros de saúde em preparação para o projeto de pesquisa financiado pela EPA, e os pesquisadores foram capazes de aproveitar essas conexões no início de seu projeto de resposta a emergências. Os locais foram estrategicamente selecionados para suas posições como espaços de congregação da comunidade, e para as oportunidades educacionais proporcionadas pelos dados do sensor, como educação e divulgação são uma faceta central do projeto de pesquisa de longo prazo.

Crawford explica isso, como parte do projeto EPA, "estamos trabalhando com os professores para que eles possam usar os sensores de diferentes maneiras em seus currículos STEM, para se envolver com os alunos sobre a análise de dados, Ciência ambiental, [e] algumas habilidades de programação, "Ele se mudou para o Havaí em setembro para manter a rede e oferecer oportunidades de desenvolvimento profissional para professores.

Como Crawford e Hagan instalaram sensores em diferentes locais logo após a grande erupção em maio, professores e administradores contaram aos pesquisadores sobre o impacto da erupção em seus alunos, frequentemente relatando um aumento nas faltas e, em alguns casos, a perda das casas dos alunos. Steve Hirakami, o diretor e fundador da Academia de Artes e Ciências do Havaí (HAAS), estimou que quase 40 por cento de seus funcionários e alunos foram afetados pela evacuação. "Isso tem um grande impacto em [nossa] escola, "disse ele em maio, quando o Kilauea ainda estava ativo. Hirakami usou os sensores do MIT para determinar o fechamento de escolas e expressou gratidão aos pesquisadores por lhe fornecerem o recurso.

No rastro imediato das fissuras, Wendy Baker, professor de história da HAAS, trabalhou com Crawford para instalar um sensor que os pesquisadores enviaram pelo correio na propriedade da escola, antes mesmo dos pesquisadores chegarem à ilha. Ela, também, destacou o valor dos sensores para a tranquilidade da comunidade durante a erupção, e também como ferramenta de ensino. "O dia em que voltamos, Eu puxei para cima [no projetor], e temos olhado para ele todas as manhãs, olhando os dados e verificando a qualidade do ar, Baker também explicou que o sensor foi útil para conectar a ciência por trás da qualidade do ar com o que os alunos estavam experimentando em suas vidas diárias.

Ted Brattstrom, um professor do ensino médio na Ka'u High School, estava igualmente entusiasmado com a instalação de um sensor em sua escola.

"Os sensores vão nos dar dois benefícios. O primeiro e mais importante benefício é, por ter esses dados em intervalos de um minuto, vamos saber quando realmente temos um SO ₂ evento ocorrendo, " ele disse.

"Isso nos permite manter as crianças dentro de casa, e em uma área com ar condicionado e a mais filtrada possível, e diga quando é seguro sair, "ele explicou em maio quando o sensor em sua escola foi inicialmente instalado." Como um geek da ciência para mim e para minha classe, agora veremos como a atmosfera está funcionando, como não apenas a própria caldeira - o próprio vulcão - está operando e liberando gases, mas também como isso está vindo na direção do vento, trabalhando com a topografia da Ilha, e obtendo o [vog] aqui. "

Os próprios sensores estão enraizados na educação. Eles foram inicialmente desenvolvidos como parte do assunto CEE 1.091 (Experiências Ambientais de Pesquisa em Viagem, ou TREX), um projeto anual de trabalho de campo de graduação que leva os alunos à Ilha do Havaí para conduzir pesquisas durante o período de atividades independentes. Ao longo dos anos, os alunos descobriram e trabalharam com as falhas e problemas com os sensores, levando ao desenvolvimento da iteração atual. 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."

No início de 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. Agora mesmo, 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."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.