Im Eis gefangen: Die überraschend hohen Mengen an künstlichen radioaktiven Isotopen in Gletschern – Physics World

Denken Sie an Gletscher und Bilder von riesigen, unberührten Eisschichten, die Teile der Arktis und Antarktis bedecken, kommen mir in den Sinn. Zwar sind 99 % des Gletschereises auf die Polarregionen unseres Planeten beschränkt, doch gibt es Gletscher auch in Gebirgszügen auf fast allen Kontinenten, die fast 10 % der Landoberfläche der Erde bedecken. Gletschereis ist auch das größte Süßwasserreservoir auf unserem Planeten – es enthält fast 69 % des weltweiten Süßwassers.

Auch wenn sie auf den Bildern als silbrige, unberührte Eisflüsse erscheinen, enthalten Gletscher viele organische Ablagerungen wie Staub und Mikroben. Aber Forscher stellen fest, dass sie auch eine besorgniserregende Menge an giftigem Kernmaterial enthalten, und wir beginnen erst jetzt, die Risiken zu verstehen, die mit dem Abschmelzen von Gletschern verbunden sind.

„Bei einigen dieser untersuchten Gletscher, insbesondere denen in den europäischen Alpen und anderen Teilen Europas, sind die Konzentrationen einiger dieser Fallout-Radionuklide so hoch, wie wir sie in Katastrophengebieten wie Tschernobyl oder Tschernobyl registriert haben Fukushima Gebiet in Japan“, erklärt Philip Owens, ein Umweltwissenschaftler an der University of Northern British Columbia in Kanada.

Staub, Schmutz, Mikroben

Aus der Nähe sind Gletscher nicht perfekt weiß. Aufgrund von Ablagerungen sind sie oft grau und schmutzig, stellenweise sogar schwarz. Dieses als Kryokonit bekannte dunkle, feine Sediment, das sich auf Gletscheroberflächen bildet, besteht aus Staub, Schmutz und Ruß sowie kleinen Gesteins- und Mineralpartikeln. Es stammt aus einer Vielzahl von Orten, einschließlich der örtlichen Umgebung wie verwitterten Felsen und freiliegenden Böden in der Nähe des Gletschers – aber auch aus weit entfernten Quellen wie Wüsten und trockenem Land, Waldbränden und Verbrennungsmotoren. 

Diese Materialien werden durch verschiedene Prozesse wie Wind, Regen, atmosphärische Zirkulationen sowie anthropogene und tierische Aktivitäten auf Gletscher transportiert. Da dieser Kryokonit eine dunkle Farbe hat, erwärmt er sich in der Sonne und schmilzt das Eis, wodurch wassergefüllte Vertiefungen entstehen. Diese Löcher werden dann zu Fallen für mehr Material, wodurch sich größere Kryokonitansammlungen bilden.

Kryokonit ist außerdem voller organischer Materialien wie Algen, Pilze, Bakterien und andere Mikroben. Wenn sich diese auf dem Sediment ansammeln, wachsen und vermehren, beginnen sie, einen beträchtlichen Teil der Kryokonitmasse zu bilden. Die organische Substanz produziert auch klebrige Biofilme, die den Mikroben helfen, am Sediment und aneinander zu haften und Gemeinschaften zu bilden, wodurch Kryokonit-Ansammlungen weiter wachsen.

Aber Kryokonit besteht nicht nur aus Steinen, Staub, Schmutz und Mikroben. Untersuchungen haben gezeigt, dass es auch viele verschiedene anthropogene Schadstoffe enthält, darunter Schwermetalle, Pestizide, Mikroplastik und Antibiotika. Wie die natürlicheren Bestandteile werden auch diese von den wässrigen Vertiefungen und klebrigen Biofilmen eingefangen und binden sich an den Staub und die Mineralien im Sediment.

Weitreichender radioaktiver Niederschlag

In den letzten Jahren wurde deutlich, dass Kryokonit häufig mit einer weiteren eher unerwarteten Verunreinigung gefüllt ist – Kernmaterial in Form von „Fallout-Radionukliden“ (FRNs). Tests ergaben, dass die Konzentrationen dieser künstlichen Radionuklide die in anderen terrestrischen Umgebungen bei weitem übersteigen. Tatsächlich sind einige dieser Sedimente die radioaktivsten, die jemals außerhalb von nuklearen Sperrzonen und Teststandorten gefunden wurden.

Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass die Oberflächen von Gletschern ungewöhnlich hohe Radioaktivität aufweisen können. In den letzten Jahren haben sich Wissenschaftler intensiver mit dem Thema beschäftigt. Entsprechend Glaziologin Caroline Clason von der Durham UniversityIm Vereinigten Königreich ist die in Kryokonit beobachtete Radioaktivitätskonzentration manchmal „zwei oder sogar drei Größenordnungen höher als in anderen Arten von Umweltmatrizen, wie Sedimenten und Böden, Flechten und Moosen, die wir in verschiedenen Teilen der Welt finden.“ Welt".

Im Jahr 2017 entdeckten Clason und Kollegen, dass der Gehalt an Fallout-Radionukliden im Kryokonit des Isfallsglaciären-Gletschers im arktischen Schweden bis zu 100-mal höher war als im Material, das im Tal rund um den Gletscher gesammelt wurde (Abbildung 1). Konzentrationen des radioaktiven Isotops Cäsium-137 (¹³⁷Cs) betrugen bis zu 4500 Becquerel pro Kilogramm (Bq/kg), mit durchschnittlichen Werten von rund 3000 Bq/kg (TC 15 5151). „Es ist ziemlich unglaublich, wie viel [Radioaktivität] sich das Material auf der Gletscheroberfläche angesammelt hat“, sagt Clason. „Viel mehr, als wir in der übrigen Umgebung am selben Ort sehen.“

Im Jahr 2018 wurde festgestellt, dass Kryokonit auf einem norwegischen Gletscher noch radioaktiver ist (Wissenschaft. Knirps. Env. 814 152656). Proben, gesammelt von einem Team unter der Leitung von Edyta Łokas, Geowissenschaftlerin am Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften, aus 12 Kryokonitlöchern auf dem Blåisen-Gletscher ergaben Konzentrationen von ¹³⁷Cs-Werte können bis zu 25,000 Bq/kg betragen, mit einem durchschnittlichen Wert von etwa 18,000 Bq/kg. Ebenen von ¹³⁷Cs in Böden und Sedimenten liegen normalerweise zwischen 0.5 und 600 Bq/kg (Sci. Rep. 7 9623).

Die Verseuchung von Tschernobyl

Die künstlichen Radionuklide ¹³⁷Cs und Cäsium-134 (¹³⁴Cs) sind Spaltprodukte, die bei der Spaltung von Uran-235 in Kernreaktoren und einigen Kernwaffen entstehen. Die meisten Cäsiumisotope auf den norwegischen und schwedischen Gletschern stammen aus dem Atomunfall von Tschernobyl, aber es gibt auch Niederschlag aus Hunderten atmosphärischen Atomtests, die Mitte des 20. Jahrhunderts durchgeführt wurden.

Berüchtigt als die schlimmste Katastrophe in der Geschichte der Kernenergieerzeugung Der Zwischenfall in Tschernobyl ereignete sich am 26. April 1986 während eines Schwachstromtests des Reaktors Nummer vier im Kernkraftwerk Tschernobyl, das sich damals in der Sowjetunion befand. Der Test verursachte eine Explosion und einen Brand, die das Reaktorgebäude zerstörten, und der katastrophale Vorfall setzte eine erhebliche Menge radioaktiven Materials frei, darunter Isotope von Plutonium, Jod, Strontium und Cäsium. Der größte Teil davon fiel in der unmittelbaren Umgebung des Kernkraftwerks und in weiten Teilen der heutigen Ukraine, Weißrussland und Russland, wurde jedoch durch atmosphärische Zirkulationen sowie Wind- und Sturmmuster auch über weite Teile der nördlichen Hemisphäre verstreut.

Durch die Wetterverhältnisse wurde ein erheblicher Teil des radioaktiven Niederschlags aus Tschernobyl in Skandinavien abgeführt. Schätzungen zufolge hat Norwegen rund 6 % davon erhalten ¹³⁷Cs und ¹³⁴Aus dem Kernkraftwerk freigesetztes Cs. Die Isotope wurden durch einen Südostwind ins Land getragen und bei Regenfällen in den Tagen nach der Atomkatastrophe abgelagert.

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Das Cäsium gelangte dann in die Nahrungskette, indem es von Pflanzen, Flechten und Pilzen aufgenommen wurde, die von Weidetieren wie Rentieren und Schafen gefressen wurden. In den Jahren nach der Katastrophe wiesen große Mengen Fleisch, Milch und Käse von Rentieren und Schafen in Norwegen und Schweden Cäsium-Isotopenkonzentrationen auf, die die von den Behörden festgelegten Grenzwerte massiv überstiegen. Diese Lebensmittel werden immer noch regelmäßig getestet.

Auch in den österreichischen Alpen kam es zu erheblichen Niederschlägen durch Tschernobyl, wobei starke Regenfälle in den Tagen nach der Katastrophe in einigen Gebieten zu sehr hohen Kontaminationswerten führten. Eine Untersuchung der Hallstätter- und Schladminger-Gletscher im Norden Österreichs im Jahr 2009 ergab Konzentrationen von ¹³⁷Cs in Kryokonit im Bereich von 1700 Bq/kg bis 140,000 Bq/kg (J. Env. Rad. 100 590).

Wind, Regen, Feuer und mehr

Es scheint mehrere Gründe zu geben, warum Kryokonit Radionuklide ansammelt und so radioaktiv wird. Radioaktives Material wird durch Winde und globale Zirkulationsmuster durch die Atmosphäre transportiert. Anschließend wird es durch Niederschläge aus der Atmosphäre ausgewaschen, die sich bekanntermaßen besonders gut darin befinden, Feinstaub zu sammeln und auf den Boden zu befördern. Darüber hinaus ist die Regen-, Schneefall- und Nebelmenge in den Berg- und Polarregionen, die Gletscher beherbergen, tendenziell hoch.

Auch in eiszeitlichen Umgebungen wird viel trockenes Material aus Phänomenen wie Waldbränden und Staubstürmen abgeladen. Dieser Staub, Ruß und ähnliches Material bewegt sich über die atmosphärische Zirkulation, doch dabei beginnt es, sich zu verbinden und anderes Material aus der Atmosphäre zu entfernen – darunter auch Schadstoffe wie Radionuklide –, bis es zu schwer wird und auf den Boden fällt.

Sobald sich Radionuklide und andere Schadstoffe in der glazialen Umgebung befinden, werden sie durch hydrologische Prozesse verschoben. In wärmeren Jahreszeiten schmelzen Schneedecke und Eis in einem Gletschereinzugsgebiet sowie Teile des Gletschers selbst. Dieses Schmelzwasser fließt auf und über den Gletscher und nimmt Schadstoffe wie die im Schnee und Eis gespeicherten Radionuklide mit. Während das Wasser durch Kanäle und Löcher über den Gletscher fließt, wird es durch Kryokonit gefiltert, der in diesen Vertiefungen sitzt und voller Materialien wie Schlick und Ton ist, die bekanntermaßen Elemente wie Radionuklide, Metalle und andere anthropogene Partikel binden (Abbildung 2). .

Organische Aasfresser

Die biologische Komponente von Kryokonit scheint auch seine Fähigkeit zu verbessern, Radionuklide zu sammeln und anzureichern. Tatsächlich erklärt Łokas, dass bei Kryokonit mit einem hohen Anteil an organischem Material – wie Algen, Pilzen und Bakterien – die Konzentration an Radionukliden viel höher ist.

Der besonders radioaktive Kryokonit auf dem Blåisen-Gletscher in Norwegen wies auch einen hohen organischen Anteil auf. Während Untersuchungen an anderen Gletschern Kryokonit mit einem Anteil von 5 bis 15 % an biologischem Material ergaben, bestanden die Sedimente von Blåisen zu rund 30 % aus organischem Material. Die Forscher sagen, dass dies einer der Gründe für die hohen Radionuklidkonzentrationen sein könnte.

Laut Łokas scheint die Fähigkeit von Kryokonit, Radionuklide zu halten und zu konzentrieren, „mit den Metallbindungseigenschaften extrazellulärer Substanzen zusammenzuhängen, die von Mikroorganismen ausgeschieden werden“. Diese klebrigen Biofilme immobilisieren Metalle und andere Materialien, die toxisch sein können, um zu verhindern, dass sie in die Zellen der Mikroorganismen gelangen, erklärt sie.

Dieser Zusammenhang zwischen organischem Material und radioaktiven Niederschlägen wurde auch anderswo festgestellt. Als Owens Kryokonitproben vom Castle-Creek-Gletscher in British Columbia, Kanada, analysierte, fand er einen signifikanten positiven Zusammenhang zwischen der Konzentration von Radionukliden in den Proben und dem Prozentsatz an organischem Material (Sci. Rep. 9 12531). Je mehr biologisches Material, desto mehr radioaktives Material.

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Owens erklärt, dass es überall radioaktive Nuklide gibt. Was auf Gletschern passiert, sagt er, ist, dass sie „auf diese wirklich kleinen Orte auf der Gletscheroberfläche konzentriert werden“. Es gibt Möglichkeiten, wie sowohl die Materialien, aus denen das Sediment besteht, als auch die extrazellulären Substanzen, die von den darin lebenden Mikroorganismen ausgeschieden werden, Schadstoffe binden können. Dies alles macht das Kryokonit zu einem hocheffizienten Fänger, und mit der Zeit konzentrieren sich darin Radionuklide, die überall im Gletschereinzugsgebiet niedergegangen sind.

Unterschiedliche Quellen und Konzentrationen

Obwohl es tendenziell am konzentriertesten ist, ¹³⁷Cs ist nicht das einzige Radionuklid, das in Kryokonit vorkommt. Hohe Konzentrationen anderer radioaktiver Stoffe wie Americium-241 (²⁴¹Bin), Wismut-207 (²⁰⁷Bi- und Plutonium-Isotope (Pu) wurden ebenfalls nachgewiesen. Diese stehen im Zusammenhang mit dem weltweiten Niederschlag von Radionukliden aus atmosphärischen Atomwaffentests statt Atomkatastrophen.

Diese Mischung von Einträgen führt zusammen mit der globalen atmosphärischen Zirkulation und den Wettermustern dazu, dass Quellen und Konzentrationen von Radioisotopen auf Gletschern auf der ganzen Welt variieren. Owens sagt beispielsweise, dass die Radionuklidkonzentrationen in Kryokoniten in Kanada zwar hoch sind, diese jedoch hauptsächlich aus Atombombentests stammen, da es weit von Tschernobyl entfernt liegt.

Łokas analysiert derzeit Einzelheiten der Radioaktivität in Kryokoniten an verschiedenen Standorten auf der ganzen Welt, darunter in der Arktis, Island, den europäischen Alpen, Südamerika, dem Kaukasus, British Columbia und der Antarktis. Glaziologen aus vielen Ländern, darunter Owens und Clason, haben für diese Arbeit Proben gespendet, gesammelt und getestet.

Tests haben das ergeben rDie Adioaktivität ist in den Alpen und Skandinavien besonders hoch, während Łokas sagt, dass die niedrigsten Werte bisher auf Gletschern in Island und Grönland festgestellt wurden. In diesen Gebieten sei kein Signal von Tschernobyl identifiziert worden, sondern lediglich der weltweite Niederschlag von Waffentests, fügt Łokas hinzu.

Die Arbeit hat auch einige interessante Radionuklidsignale identifiziert. Es gibt höhere Anteile von ²³⁸Beeindruckend, ²³⁹Pu und ²⁴⁰Pu in Kryokoniten aus der südlichen Hemisphäre als aus der nördlichen Hemisphäre, sagt Łokas. Dies ist auf den Ausfall eines Satelliten mit einem radiothermischen Generator SNAP-9A im Jahr 1964 zurückzuführen. Der Satellit zerfiel und setzte etwa ein Kilogramm frei ²³⁸Pu in die Atmosphäre, hauptsächlich über der Südhalbkugel.

Es gibt auch eine Spitze ²³⁸Pu-Isotope aus Proben des Exploradores-Gletschers im chilenischen Patagonien. Dies hängt wahrscheinlich mit der gescheiterten russischen Marssonde zusammen, die 1996 in der Atmosphäre über Südamerika zerbrach, sagt Łokas. Es trug etwa 200 g davon ²³⁸Pu-Pellets und obwohl ihr genaues Schicksal unbekannt ist, wird angenommen, dass sie irgendwo über Chile und Bolivien gefallen sind.

Anlass zur Sorge?

Es ist noch unklar hWie besorgt müssen wir uns über diese Konzentration radioaktiven Materials auf Gletschern sein? Es gebe keine Gewissheit darüber, ob es ein großes Umweltrisiko darstelle oder ob es sich um ein lokales Problem auf den Gletschern handele, sagt Clason. „Ich würde auf keinen Fall das Material auf der Eisoberfläche essen wollen; Im Vergleich zu anderen Umweltsedimenten ist es wirklich ziemlich radioaktiv“, fügt sie hinzu. „Aber inwieweit das ein Problem darstellt, wenn man sich außerhalb des unmittelbaren Gletschereinzugsgebiets befindet, wissen wir einfach nicht.“

Wenn das Sediment auf dem Gletscher liegt, ist es unwahrscheinlich, dass es ein Problem für das Ökosystem und die menschliche Gesundheit darstellt. Aber wenn die Gletscher schmelzen und sich zurückziehen, wird immer mehr von dem im Eis gespeicherten Altmaterial freigesetzt

Es gibt Gründe zur Sorge. Radioaktive Stoffe haben gut dokumentierte negative Auswirkungen auf die Gesundheit. Gletscher speichern auch große Mengen an Süßwasser, und Milliarden Menschen auf der ganzen Welt nutzen das Schmelzwasser für die Landwirtschaft und als Trinkwasser. Mit der Klimaerwärmung ziehen sich auch die Gletscher zurück, was möglicherweise gespeicherte Schadstoffe und Sedimente in hohen Konzentrationen freisetzen könnte.

„Bei all der Gletscherschmelze kommt dieses Kryokonit-Material viel mehr mit Gletscherschmelzwasser in Kontakt. Jetzt beginnt es freigelegt zu werden und kann in das nachgelagerte Ökosystem abgegeben werden“, erklärt Owens. Wenn das Sediment auf dem Gletscher sitze, sei es unwahrscheinlich, dass es ein Problem für das Ökosystem und die menschliche Gesundheit darstelle, sagt er. Aber wenn die Gletscher schmelzen und sich zurückziehen, wird immer mehr von dem im Eis gespeicherten Altmaterial freigesetzt.

Es sei auch nicht genau klar, wie viel Radioaktivität in einem Gletschersystem vorhanden sein könnte, fügt Clason hinzu. „Neben der direkten atmosphärischen Ablagerung von Radionukliden wird ein Großteil der Radioaktivität, die wir in Kryokonit sehen, wahrscheinlich aus altem Schnee und Eis geschmolzen, das sich vor vielen Jahren abgelagert hat“, erklärt Clason. „Das Eis selbst weist ein Radioaktivitätsinventar auf, das noch nicht vollständig erforscht ist.“

Das verborgene Erbe von Tschernobyl

Sobald es in Flüsse fließt, wird das radioaktive Material wahrscheinlich verdünnt, sagt Owens, „aber wir wissen es nicht“, warnt er. Clason stimmt zu. „Während die Konzentrationen dort, wo wir Proben nehmen, hoch sind, kann es im Großen und Ganzen so weit verdünnt sein, dass das gesamte Material, sobald es abgewaschen wurde oder der Gletscher schmilzt und es in der Umwelt ablagert, nicht über den von Ihnen gemessenen Konzentrationen liegt Sehen Sie in der Umgebung etwas anderes“, sagt sie. „Das ist es also, was wir als nächstes herausfinden müssen.“

Clason hofft, in Zukunft mithilfe von Techniken wie hochauflösenden Drohnenbildern eine detailliertere Analyse der Menge an Kryokonit auf Gletscheroberflächen durchführen zu können. Dies würde es den Forschern ermöglichen, abzuschätzen, wie viel Radioaktivität auf einem Gletscher vorhanden sein könnte. Eine solche Kartierung des Kryokonits auf der Oberfläche und die anschließende Kombination der Informationen mit Gletscherschmelzmodellen könnte uns helfen zu verstehen, wie die Sedimente und die darin enthaltenen Schadstoffe in Zukunft freigesetzt werden könnten.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/trapped-in-ice-the-surprisingly-high-levels-of-artificial-radioactive-isotopes-found-in-glaciers/