Stężenie radionuklidów w powietrzu polarnym źródłem cennych informacji

Naukowcy z NCBJ i z Instytutu Geofizyki PAN opublikowali wyniki wieloletnich badań stężeń radionuklidów w regionie polarnym i w Polsce. Zebrane dane wzbogacają wiedzę o ruchu i mieszaniu się mas powietrza w skalach od regionalnej aż do globalnej, oraz o zapyleniu środowiska.

Praca, która zostanie opublikowana w grudniowym numerze czasopisma Journal of Environmental Radioactivity, przedstawia wyniki pomiarów koncentracji wybranych radionuklidów gamma-promieniotwórczych (7Be, 210Pb, 40K, 137Cs, 134Cs) występujących w aerozolach przyziemnej warstwy atmosfery. Koncentracja radionuklidów w tych badaniach była rejestrowana w latach 2002-2017 w dwóch stacjach: Polskiej Stacji Polarnej Instytutu Geofizyki PAN w Hornsundzie oraz w Obserwatorium Geofizycznym im. S. Kalinowskiego Instytutu Geofizyki PAN w Świdrze.

Od 2002 roku w Hornsundzie działa wysokowydajny układ poboru powietrza AZA-1000 przystosowany do pracy w niskich temperaturach. Polska stacja jest jedną z nielicznych urządzeń zlokalizowanych najbliżej bieguna północnego (77°00’N, 15°33’E). Sprawia to, że wpływ zanieczyszczeń powietrza wytwarzanych przez działalność człowieka jest w tym obszarze znacznie ograniczony. Stacja w Hornsundzie jest również jedyną stacją polarną, w której pomiary prowadzane są przez tak długi okres.

Dla porównania, druga stacja wykorzystana do badań to ASS-500, położona w regionie lasów otwockich (52°07’N, 21°15’E). Stacja ta funkcjonuje z małymi przerwami od 1991 roku, a w latach 2002-2009 była częścią ogólnopolskiej sieci monitoringu radiologicznego powietrza. Dzięki zlokalizowaniu w średniej szerokości geograficznej, wpływ człowieka na zanieczyszczenia powietrza jest dużo większy, co stwarza bardzo dobre warunki do porównywania m. in. zmienności zapylenia powietrza czy koncentracji radionuklidów.

Próbki przeznaczone do badań były zbierane w obu stacjach w ten sam sposób. Urządzenia wyposażone są w układ wymuszonego przepływu powietrza o wysokiej wydajności. Aerozole były zbierane na tzw. filtrach Petrianowa w tygodniowych odstępach, co dawało około 50000-100000 m3 przepompowanego powietrza. Następnie filtry były dostarczane do stanowiska pomiarowego, znajdującego się w NCBJ. Filtry pochodzące ze stacji w Hornsundzie były dostarczane co pół roku, co powodowało konieczność rekalibracji uzyskiwanych z nich danych. Po odpowiednim przygotowaniu filtrów (suszenie, ocena wagowa ilości aerozolu oraz sprasowanie do postaci dysku o średnicy 4,5 cm) trafiały one na około 22 godziny do stanowiska pomiarów spektrometrycznych wykorzystujących detektory germanowe. Uzyskiwano w ten sposób widma promieniowania gamma, na podstawie których wyznaczano stężenia radionuklidów. Wybór badanych nuklidów nie był oczywiście przypadkowy. Ze względu na znajdujące się w laboratorium NCBJ spektrometry, skupiano się na radionuklidach gamma-promieniotwórczych. Dodatkowym kryterium ich wyboru było pochodzenie z różnych źródeł. W ten sposób wytypowano izotopy pochodzenia naturalnego (210Pb, 40K), jako produkty rozpadu pierwiastków wchodzących w skład litosfery, pochodzenia kosmicznego (7Be), wytwarzane jako skutek oddziaływania promieniowania kosmicznego z atmosferą oraz te będące wynikiem działalności człowieka (137Cs, 134Cs), m. in. jako produkty rozpadu w przemyśle jądrowym.

Wyniki badań jednoznacznie wskazały na różnice w koncentracji poszczególnych radionuklidów w ciągu roku. W przypadku 7Be, maksymalne stężenia były obserwowane w regionach polarnych w sezonie zimowym, podczas gdy w średnich szerokościach geograficznych maksimum przypadało na miesiące letnie. Powodem tych różnic są przede wszystkim wymiana mas powietrza w stratosferze i troposferze (STE), pionowe mieszanie się mas powietrza w troposferze (DT), transport poziomy (HT) oraz wychwytywanie cząstek pod wpływem opadów atmosferycznych (WS). Czynniki te powodują również wyższą średnią roczną zawartość 7Be w umiarkowanych szerokościach geograficznych względem obszarów polarnych. Dodatkowo zaobserwowano związek koncentracji tego nuklidu z 11-letnim cyklem aktywności słonecznej – jego stężenie maleje wraz ze wzrostem aktywności Słońca.

Ze względu na inne pochodzenie izotopu 210Pb, maksymalne stężenia w obu stacjach przypadały na miesiące zimowe. Jednocześnie wymienione w przypadku berylu zjawiska nie mają dużego wpływu na sezonowy rozkład 210Pb. Jest on jednak silnie związany z wielkością zapylenia, a jego stężenie maleje wraz ze wzrostem szerokości geograficznej.

Zgodnie z oczekiwaniami, zaobserwowano także stopniowy spadek zawartości 137Cs w czasie. Jest to związane z względnie krótkim czasem półrozpadu izotopu (około 30 lat). Dodatkowo, w 2011 roku obie stacje wykryły znaczne zwiększenie stężenia radioizotopów cezu, co było związane z katastrofą elektrowni jądrowej w Fukushimie.

Stężenie Cs-137 i Cs-134 w Świerku i Hornsundzie w 2011 roku. Widoczny jest wyraźny wzrost trwający około 9 tygodni, związany z incydentem w Fukushimie.

Zarówno izotopy 137Cs, 134Cs, jak i 40K nie wykazują związku stężenia z porami roku, jednak istnieje zależność ich koncentracji od wielkości zapylenia. Podobnie jak w przypadku izotopów ołowiu i berylu, obszar polarny charakteryzuje się mniejszym ich stężeniem w porównaniu ze średnimi szerokościami geograficznymi.

Jeszcze przed publikacją, badania naukowców NCBJ zostały docenione przez międzynarodowe środowisko naukowe. Dowodem tego jest uzyskana przez jednego z autorów, mgr. Michała Piotrowskiego, nagroda za najlepszą prezentację podczas International Conference on Radioecology and Environmental Radioactivity 2019 w Austrii.

Obie stacje pomiarowe działają do dnia dzisiejszego i wciąż zbierane są w nich próbki do dalszych badań długookresowych. Dodatkowo, pojawiają się pomysły rozszerzenia badań w tej tematyce, m. in. analizy radionuklidów alfa-promieniotwórczych zgromadzonych na filtrach czy też dołączenia do badań kolejnych stacji.

Praca oryginalna:

Concentration of 7Be, 210Pb, 40K, 137Cs, 134Cs radionuclides in the ground layer of the atmosphere in the polar (Hornsund, Spitsbergen) and mid-latitudes (Otwock-Świder, Poland) regions Agnieszka Burakowska, Marek Kubicki, Bogumiła Mysłek-Laurikainen, Michał Piotrowski, Halina Trzaskowska, Renata Sosnowiec

Praca zostanie opublikowana w grudniowym numerze Journal of Environmental Radioactivity, Volume 240, December 2021, 106739, jest również dostępna online pod adresem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0265931X21002113?via%...