Pris au piège dans la glace : les niveaux étonnamment élevés d'isotopes radioactifs artificiels trouvés dans les glaciers - Physics World

Pensez aux glaciers et aux images de vastes plaques de glace immaculées, recouvrant des étendues de l'Arctique et de l'Antarctique. S'il est vrai que 99% de la glace glaciaire est confinée aux régions polaires de notre planète, les glaciers se trouvent également dans les chaînes de montagnes sur presque tous les continents, couvrant près de 10% de la surface terrestre de la Terre. La glace glaciaire est également le plus grand réservoir d'eau douce de notre planète – contenant près de 69 % de l'eau douce du monde.

Bien qu'ils apparaissent comme des rivières de glace argentées intactes sur les images, les glaciers contiennent de nombreux dépôts organiques, tels que de la poussière et des microbes. Mais les chercheurs découvrent qu'ils contiennent également une quantité inquiétante de matières nucléaires toxiques, et nous commençons seulement à comprendre les risques posés par la fonte des glaciers.

"Pour certains de ces glaciers qui ont été évalués, en particulier ceux des Alpes européennes et d'autres parties de l'Europe, les concentrations de certains de ces radionucléides de retombées sont aussi élevées que nous les avons enregistrées dans des zones sinistrées comme Tchernobyl ou le Fukushima région au Japon », explique Philippe Owens, scientifique de l'environnement à l'Université de Northern British Columbia, au Canada.

Poussière, saleté, microbes

De près, les glaciers ne sont pas parfaitement blancs. Ils sont souvent d'aspect gris et sale, voire noir par endroits, grâce aux dépôts. Connu sous le nom de cryoconite, ce sédiment sombre et fin qui se forme sur les surfaces glaciaires est composé de poussière, de saleté et de suie, ainsi que de petites particules de roche et de minéraux. Il provient de divers endroits, y compris de l'environnement local, comme les roches altérées et le sol exposé près du glacier, mais aussi de sources lointaines comme les déserts et les terres arides, les incendies de forêt et les moteurs à combustion. 

Ces matériaux sont transportés sur les glaciers par divers processus tels que le vent, la pluie, les circulations atmosphériques et les activités anthropiques et animales. Parce que cette cryoconite est de couleur sombre, elle se réchauffe au soleil et fait fondre la glace, créant des dépressions remplies d'eau. Ces trous deviennent alors des pièges pour plus de matière, provoquant la formation de plus grandes collections de cryoconite.

La cryoconite regorge également de matières organiques telles que des algues, des champignons, des bactéries et d'autres microbes. Au fur et à mesure que ceux-ci se rassemblent, croissent et se multiplient sur le sédiment, ils commencent à former une partie considérable de la masse de cryoconite. La matière organique produit également des biofilms collants, qui aident les microbes à adhérer aux sédiments et les uns aux autres, et à former des communautés, aidant les collections de cryoconite à se développer davantage.

Mais la cryoconite n'est pas seulement composée de roches, de poussière, de saleté et de microbes. La recherche a montré qu'il regorge également de nombreux contaminants anthropiques différents, notamment des métaux lourds, des pesticides, des microplastiques et des antibiotiques. Comme les composants plus naturels, ceux-ci sont également piégés par les dépressions aqueuses et les biofilms collants, se liant à la poussière et aux minéraux dans les sédiments.

Retombées radioactives de grande envergure

Ces dernières années, il est devenu clair que la cryoconite est souvent pleine d'un autre contaminant plutôt inattendu - des matières nucléaires sous la forme de «radionucléides de retombées» (FRN). Les tests ont révélé que les concentrations de ces radionucléides artificiels dépassent largement celles d'autres environnements terrestres. En effet, certains de ces sédiments sont les plus radioactifs jamais trouvés en dehors des zones d'exclusion nucléaire et des sites d'essais.

On sait depuis un certain temps que la surface des glaciers peut avoir des niveaux de radioactivité inhabituellement élevés. Ces dernières années, les scientifiques ont exploré la question plus en détail. Selon glaciologue Caroline Clason de l'Université de Durham, au Royaume-Uni, la concentration de radioactivité observée dans la cryoconite est parfois "deux ou même trois ordres de grandeur plus élevée que celle que l'on trouverait dans d'autres types de matrices environnementales, comme les sédiments et les sols, les lichens et les mousses que l'on trouve dans différentes parties du monde".

En 2017, Clason et ses collègues ont découvert que les niveaux de radionucléides de retombées dans la cryoconite du glacier Isfallsglaciären dans l'Arctique suédois étaient jusqu'à 100 fois plus élevés que dans les matériaux collectés dans la vallée autour du glacier (figure 1). Concentrations de l'isotope radioactif césium-137 (¹³⁷Cs) atteignaient 4500 3000 becquerels par kilogramme (Bq/kg), avec des niveaux moyens d'environ XNUMX XNUMX Bq/kg (TC 15 5151). « C'est assez incroyable la quantité [de radioactivité] que la matière à la surface du glacier a réussi à accumuler », dit Clason. "Beaucoup plus que ce que nous voyons dans le reste de l'environnement au même endroit."

En 2018, la cryoconite sur un glacier norvégien s'est avérée encore plus radioactive (Sci. Tot. Env. 814 152656). Des échantillons, collectés par une équipe dirigée par Edyta Łokas , spécialiste des sciences de la terre à l' Institut de physique nucléaire de l' Académie polonaise des sciences, à partir de 12 trous de cryoconite sur le glacier Blåisen ont révélé des concentrations de ¹³⁷Cs aussi élevé que 25,000 18,000 Bq/kg, avec un niveau moyen d'environ XNUMX XNUMX Bq/kg. Niveaux de ¹³⁷Le Cs dans les sols et les sédiments se situe généralement entre 0.5 et 600 Bq/kg (Sci. représentant 7 9623).

La contamination de Tchernobyl

Les radionucléides artificiels ¹³⁷Cs et césium-134 (¹³⁴Cs) sont des produits de fission produits par la scission de l'uranium 235 dans les réacteurs nucléaires et certaines armes nucléaires. La plupart des isotopes de césium sur les glaciers norvégiens et suédois proviennent de l'accident nucléaire de Tchernobyl, mais il y a aussi des retombées des centaines d'essais nucléaires atmosphériques effectués au milieu du XXe siècle.

Tristement connue comme la pire catastrophe de l'histoire de la production d'énergie nucléaire, la L'incident de Tchernobyl a eu lieu le 26 avril 1986 lors d'un essai à faible puissance du réacteur numéro quatre de la centrale nucléaire de Tchernobyl, qui se trouvait alors en Union soviétique. Le test a provoqué une explosion et un incendie qui ont détruit le bâtiment du réacteur, et l'incident catastrophique a libéré une quantité importante de matières radioactives, notamment des isotopes de plutonium, d'iode, de strontium et de césium. La majeure partie est tombée à proximité immédiate de la centrale nucléaire et de vastes zones de ce qui est aujourd'hui l'Ukraine, la Biélorussie et la Russie, mais les circulations atmosphériques, ainsi que les vents et les tempêtes, l'ont également dispersée sur une grande partie de l'hémisphère nord.

Les conditions météorologiques ont déversé une quantité substantielle des retombées radioactives de Tchernobyl en Scandinavie. On estime que la Norvège a reçu environ 6 % des ¹³⁷Cs et ¹³⁴Cs libéré de la centrale nucléaire. Les isotopes ont été transportés dans le pays par un vent du sud-est et se sont déposés lors des précipitations dans les jours qui ont suivi la catastrophe nucléaire.

Aperçu des points chauds cachés de Tchernobyl

Le césium est ensuite entré dans la chaîne alimentaire, car il a été absorbé par les plantes, les lichens et les champignons, qui ont été mangés par les animaux au pâturage tels que les rennes et les moutons. Dans les années qui ont suivi la catastrophe, de grandes quantités de viande, de lait et de fromage de rennes et de moutons en Norvège et en Suède avaient des concentrations d'isotopes de césium qui dépassaient massivement les limites fixées par les autorités. Ces aliments sont encore régulièrement testés.

Il y a également eu des retombées importantes de Tchernobyl dans les Alpes autrichiennes, avec de fortes pluies dans les jours qui ont suivi la catastrophe, entraînant des niveaux de contamination très élevés dans certaines régions. Une enquête de 2009 sur les glaciers Hallstätter et Schladminger dans le nord de l'Autriche a révélé des concentrations de ¹³⁷Cs dans la cryoconite allant de 1700 Bq/kg à 140,000 XNUMX Bq/kg (J. Env. Rad. 100 590).

Vent, pluie, feu et plus

Il semble y avoir plusieurs raisons pour lesquelles la cryoconite accumule des radionucléides et devient si radioactive. Les matières radioactives sont transportées dans l'atmosphère par les vents et les schémas de circulation mondiaux. Il est ensuite éliminé de l'atmosphère par les précipitations, qui sont connues pour être particulièrement efficaces pour collecter les particules et les ramener au sol. De plus, les niveaux de pluie, de neige et de brouillard ont tendance à être élevés dans les régions montagneuses et polaires qui abritent des glaciers.

Beaucoup de matériaux secs, provenant de phénomènes tels que les incendies de forêt et les tempêtes de poussière, sont également déversés dans les environnements glaciaires. Cette poussière, cette suie et ces matériaux similaires se déplacent via la circulation atmosphérique, mais ce faisant, ils commencent à se lier et à piéger d'autres matériaux de l'atmosphère - y compris des polluants tels que les radionucléides - jusqu'à ce qu'ils deviennent trop lourds et tombent au sol.

Une fois que les radionucléides et autres contaminants sont dans l'environnement glaciaire, ils sont déplacés par des processus hydrologiques. Dans les parties les plus chaudes de l'année, la neige et la glace dans un bassin versant glaciaire fondent, ainsi que des parties du glacier lui-même. Cette eau de fonte s'écoule sur et au-dessus du glacier, entraînant avec elle des contaminants tels que les radionucléides stockés dans la neige et la glace. Au fur et à mesure que l'eau s'écoule à travers des canaux et des trous à travers le glacier, elle est filtrée par la cryoconite située dans ces dépressions, qui regorge de matériaux, notamment de limons et d'argile, connus pour lier des éléments tels que des radionucléides, des métaux et d'autres particules anthropiques (figure 2) .

Les charognards organiques

Le composant biologique de la cryoconite semble également renforcer sa capacité à collecter et à accumuler les radionucléides. En effet, Łokas explique que pour la cryoconite avec une forte proportion de matière organique - comme les algues, les champignons et les bactéries - la concentration de radionucléides est beaucoup plus élevée.

La cryoconite du glacier Blåisen en Norvège, qui présentait des niveaux de radioactivité particulièrement élevés, avait également une teneur organique élevée. Alors que des études sur d'autres glaciers ont trouvé de la cryoconite contenant entre 5% et 15% de matière biologique, les sédiments de Blåisen contenaient environ 30% de matière organique. Les chercheurs disent que cela pourrait être en partie la raison de ses fortes concentrations de radionucléides.

Łokas dit que la capacité de la cryoconite à retenir et à concentrer les radionucléides semble être "liée aux propriétés de liaison aux métaux des substances extracellulaires qui sont excrétées par les micro-organismes". Ces biofilms collants immobilisent les métaux, et d'autres matériaux qui peuvent être toxiques, pour les empêcher de pénétrer dans les cellules des micro-organismes, explique-t-elle.

Ce lien entre la matière organique et les radionucléides de retombées a également été repéré ailleurs. Lorsque Owens a analysé des échantillons de cryoconite du glacier Castle Creek en Colombie-Britannique, au Canada, il a trouvé une relation positive significative entre la concentration de radionucléides dans les échantillons et le pourcentage de matière organique (Sci. représentant 9 12531). Plus il y a de matériel biologique, plus il y a de matériel radioactif.

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Owens explique que les radionucléides de retombées sont partout. Ce qui se passe sur les glaciers, dit-il, c'est qu'ils « se concentrent sur ces très petits endroits à la surface du glacier ». Il existe des moyens par lesquels les matériaux qui composent les sédiments et les substances extracellulaires excrétées par les micro-organismes qui y vivent peuvent lier les contaminants. Tout cela fait de la cryoconite un agent de piégeage très efficace et, au fil du temps, les radionucléides qui sont tombés sur tout le bassin glaciaire s'y concentrent.

Sources et concentrations variables

Bien qu'il ait tendance à être le plus concentré, ¹³⁷Le Cs n'est pas le seul radionucléide présent dans la cryoconite. Des concentrations élevées d'autres matières radioactives, telles que l'américium-241 (²⁴¹Am), bismuth-207 (²⁰⁷Des isotopes Bi) et du plutonium (Pu) ont également été détectés. Ceux-ci sont liés aux retombées mondiales des radionucléides des essais d'armes nucléaires dans l'atmosphère plutôt que des catastrophes nucléaires.

Ce mélange d'apports, ainsi que la circulation atmosphérique mondiale et les modèles météorologiques, signifie que les sources et les concentrations de radio-isotopes sur les glaciers varient à travers la planète. Par exemple, Owens dit que bien que les niveaux de radionucléides soient élevés dans les cryoconites au Canada, ils proviennent principalement des essais de bombes nucléaires, car c'est loin de Tchernobyl.

Łokas analyse actuellement les détails de la radioactivité dans les cryoconites de divers sites à travers le monde, notamment dans l'Arctique, l'Islande, les Alpes européennes, l'Amérique du Sud, les montagnes du Caucase, la Colombie-Britannique et l'Antarctique. Des glaciologues de nombreux pays, dont Owens et Clason, ont fait don, collecté et testé des échantillons pour ce travail.

Des tests ont révélé que rLa radioactivité est particulièrement élevée dans les Alpes et en Scandinavie, tandis que Łokas affirme que les niveaux les plus bas trouvés jusqu'à présent se trouvent sur les glaciers d'Islande et du Groenland. Aucun signal de Tchernobyl n'a été identifié dans ces zones, juste les retombées mondiales des essais d'armes, ajoute Łokas.

Les travaux ont également identifié des signaux de radionucléides intéressants. Il y a des proportions plus élevées de ²³⁸Wow, ²³⁹Pu et ²⁴⁰Pu dans les cryoconites de l'hémisphère sud que de l'hémisphère nord, dit Łokas. Cela est dû à la panne d'un satellite transportant un générateur radiothermique SNAP-9A en 1964. Le satellite s'est désintégré, libérant environ un kilogramme de ²³⁸Pu dans l'atmosphère, principalement dans l'hémisphère sud.

Il y a aussi un pic de ²³⁸Isotopes du Pu provenant d'échantillons du glacier Exploradores en Patagonie chilienne. Ceci est probablement lié à l'échec de la sonde russe sur Mars qui s'est brisée dans l'atmosphère au-dessus de l'Amérique du Sud en 1996, dit Łokas. Il transportait environ 200 g de ²³⁸Des granulés de Pu et, bien que leur sort exact soit inconnu, on pense qu'ils sont tombés quelque part au-dessus du Chili et de la Bolivie.

Cause d'inquiétude ?

Il n'est pas encore clair hÀ quel point devons-nous nous inquiéter de cette concentration de matières radioactives sur les glaciers. Il n'y a aucune certitude quant à savoir si cela pose un risque environnemental à grande échelle, ou s'il s'agit d'un problème localisé sur les glaciers, dit Clason. « Je ne voudrais certainement pas aller manger le matériel sur la surface de la glace ; c'est vraiment assez radioactif par rapport à d'autres sédiments environnementaux », ajoute-t-elle. "Mais dans quelle mesure c'est un problème une fois que vous êtes en dehors de ce bassin glaciaire immédiat, nous ne le savons tout simplement pas."

Lorsque les sédiments reposent sur le glacier, il est peu probable que ce soit un problème pour l'écosystème et la santé humaine. Mais à mesure que les glaciers fondent et se retirent, de plus en plus de ces matériaux hérités stockés sur la glace sont libérés

Il y a des raisons de s'inquiéter. Les matières radioactives ont des effets négatifs bien documentés sur la santé. Les glaciers stockent également de grandes quantités d'eau douce, des milliards de personnes dans le monde utilisant l'eau de fonte pour l'agriculture et l'eau potable. À mesure que le climat se réchauffe, les glaciers reculent également, ce qui pourrait potentiellement libérer des contaminants et des sédiments stockés à des concentrations élevées.

«Avec toute la fonte glaciaire, ce matériau cryoconite entre beaucoup plus en contact avec l'eau de fonte glaciaire. Il commence maintenant à être exposé et peut être livré à l'écosystème en aval », explique Owens. Lorsque les sédiments reposent sur le glacier, dit-il, il est peu probable que ce soit un problème pour l'écosystème et la santé humaine. Mais à mesure que les glaciers fondent et se retirent, de plus en plus de ces matériaux hérités stockés sur la glace sont libérés.

On ne sait pas non plus exactement quelle quantité de radioactivité il pourrait y avoir dans un système glaciaire, ajoute Clason. "En plus du dépôt atmosphérique direct de radionucléides, une grande partie de la radioactivité que nous voyons dans la cryoconite est probablement en train de fondre à partir de vieilles neiges et glaces déposées il y a de nombreuses années", explique Clason. "La glace elle-même a un inventaire de radioactivité qui n'est pas bien compris."

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Une fois qu'elles se sont déversées dans les rivières, les matières radioactives sont susceptibles d'être diluées, dit Owens, « mais nous ne le savons pas », prévient-il. Clason est d'accord. "Bien que les concentrations soient élevées là où nous échantillonnons, dans le grand schéma des choses, une fois que tout ce matériau a été lavé ou que le glacier fond et le dépose dans l'environnement, il peut être dilué dans la mesure où il n'est pas au-dessus des concentrations que vous voir dans l'environnement autrement », dit-elle. "Alors c'est ce que nous devons comprendre ensuite."

À l'avenir, Clason espère effectuer une analyse plus détaillée de la quantité de cryoconite sur les surfaces glaciaires, en utilisant des techniques telles que l'imagerie par drone à haute résolution. Cela permettrait aux chercheurs d'estimer la quantité de radioactivité qu'il pourrait y avoir sur un glacier. Cartographier la cryoconite à la surface de cette manière, puis combiner les informations avec des modèles de fonte des glaciers, pourrait nous aider à comprendre comment les sédiments et les contaminants qu'ils contiennent pourraient être libérés à l'avenir.

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