Ujeti v ledu: presenetljivo visoke ravni umetnih radioaktivnih izotopov v ledenikih – Physics World

Pomislite na ledenike in na misel vam pridejo podobe ogromnih, neokrnjenih ledenih plošč, ki prekrivajo dele Arktike in Antarktike. Čeprav je res, da je 99 % ledeniškega ledu omejenega na polarna območja našega planeta, ledenike najdemo tudi v gorskih verigah na skoraj vseh celinah in pokrivajo skoraj 10 % zemeljske površine. Ledeniški led je tudi največji rezervoar sladke vode na našem planetu – vsebuje skoraj 69 % svetovne sladke vode.

Čeprav so na slikah videti kot srebrnaste nedotaknjene reke ledu, ledeniki vsebujejo veliko organskih usedlin, kot so prah in mikrobi. Toda raziskovalci ugotavljajo, da zajemajo tudi zaskrbljujočo količino strupenih jedrskih materialov in šele zdaj začenjamo razumeti tveganja, ki jih predstavlja taljenje ledenikov.

»Za nekatere od teh ledenikov, ki so bili ocenjeni, zlasti tiste v evropskih Alpah in drugih delih Evrope, so koncentracije nekaterih teh radionuklidov v padavinah tako visoke, kot smo jih zabeležili znotraj območij nesreče, kot sta Černobil ali Fukushima območje na Japonskem,« pojasnjuje Philip Owens, okoljski znanstvenik na Univerzi Severne Britanske Kolumbije v Kanadi.

Prah, umazanija, mikrobi

Od blizu ledeniki niso popolnoma beli. Zaradi usedlin so pogosto sivi in ​​umazani, ponekod celo črni. Ta temna, drobna usedlina, ki nastane na ledeniških površinah, znana kot kriokonit, je sestavljena iz prahu, umazanije in saj ter majhnih kamnin in mineralnih delcev. Izvira iz različnih krajev, vključno z lokalno okolico, kot so preperele skale in izpostavljena tla v bližini ledenika – pa tudi iz oddaljenih virov, kot so puščave in sušna ozemlja, gozdni požari in motorji z notranjim izgorevanjem. 

Ti materiali se prenašajo na ledenike z različnimi procesi, kot so veter, dež, atmosferska kroženja ter antropogene in živalske dejavnosti. Ker je ta kriokonit temne barve, se na soncu segreje in topi led ter ustvarja vdolbine, napolnjene z vodo. Te luknje nato postanejo pasti za več materiala, kar povzroči nastanek večjih zbirk kriokonita.

Kriokonit je tudi poln organskih materialov, kot so alge, glive, bakterije in drugi mikrobi. Ko se ti zbirajo, rastejo in razmnožujejo na usedlini, začnejo tvoriti znaten del mase kriokonita. Organska snov proizvaja tudi lepljive biofilme, ki pomagajo mikrobom, da se prilepijo na usedlino in drug na drugega ter oblikujejo skupnosti, kar pomaga zbirkam kriokonita pri nadaljnji rasti.

Kriokonit pa niso le kamenje, prah, umazanija in mikrobi. Raziskave so pokazale, da je polna tudi številnih različnih antropogenih onesnaževalcev, vključno s težkimi kovinami, pesticidi, mikroplastiko in antibiotiki. Tako kot bolj naravne komponente so tudi te ujete v vodne vdolbine in lepljive biofilme, ki se vežejo na prah in minerale v usedlinah.

Daljnosežne radioaktivne padavine

V zadnjih letih je postalo jasno, da je kriokonit pogosto poln še enega dokaj nepričakovanega onesnaževalca – jedrskega materiala v obliki »radionuklidov padavin« (FRN). Testi so pokazali, da koncentracije teh umetnih radionuklidov močno presegajo koncentracije v drugih kopenskih okoljih. Nekatere od teh usedlin so najbolj radioaktivne, kar so jih kdaj našli zunaj jedrskih izključitvenih območij in testnih mest.

Že nekaj časa je znano, da so lahko površine ledenikov nenavadno visoke ravni radioaktivnosti. V zadnjih letih so znanstveniki podrobneje raziskali to vprašanje. Po navedbah glaciologinja Caroline Clason z univerze Durham, v Združenem kraljestvu, je koncentracija radioaktivnosti, opažena v kriokonitu, včasih »dva ali celo tri velikosti višja, kot bi jo našli v drugih vrstah okoljskih matrik, kot so usedline in prst, lišaji in mahovi, ki jih najdemo v različnih delih svet«.

Leta 2017 so Clason in sodelavci odkrili, da so bile ravni padavinskih radionuklidov v kriokonitu z ledenika Isfallsglaciären na arktični Švedski do 100-krat višje kot v materialu, zbranem v dolini okoli ledenika (slika 1). Koncentracije radioaktivnega izotopa cezija-137 (¹³⁷Cs) so bile visoke do 4500 bekerelov na kilogram (Bq/kg), s povprečnimi ravnmi okoli 3000 Bq/kg (TC 15 5151). "Prav neverjetno je, koliko [radioaktivnosti] se je uspelo kopičiti materialu na površini ledenika," pravi Clason. "Veliko več, kot vidimo v ostalem okolju na isti lokaciji."

Leta 2018 je bilo ugotovljeno, da je kriokonit na norveškem ledeniku še bolj radioaktiven (Sci. Tot. Env. 814 152656). Vzorce, ki jih je zbrala ekipa pod vodstvom Edyta Łokas, znanstvenica o Zemlji na Inštitutu za jedrsko fiziko Poljske akademije znanosti, je iz 12 kriokonitnih lukenj na ledeniku Blåisen razkrila koncentracije ¹³⁷Cs do 25,000 Bq/kg, s povprečno ravnjo okoli 18,000 Bq/kg. Ravni od ¹³⁷Cs v tleh in sedimentih je običajno med 0.5 in 600 Bq/kg (Sci. Rep. 7 9623).

Černobilska kontaminacija

Umetni radionuklidi ¹³⁷Cs in cezij-134 (¹³⁴Cs) so produkti cepitve, ki nastanejo pri cepljenju urana-235 v jedrskih reaktorjih in nekaterih jedrskih orožjih. Večina izotopov cezija na norveških in švedskih ledenikih izvira iz jedrske nesreče v Černobilu, obstajajo pa tudi padavine iz stotine atmosferskih jedrskih poskusov, izvedenih sredi 20. stoletja.

Zloglasna kot najhujša nesreča v zgodovini proizvodnje jedrske energije Incident v Černobilu se je zgodil 26. aprila 1986 med preskusom nizke moči reaktorja številka štiri v jedrski elektrarni Černobil, ki je bila takrat v Sovjetski zvezi. Preizkus je povzročil eksplozijo in požar, ki je uničil stavbo reaktorja, katastrofalni incident pa je sprostil precejšnjo količino radioaktivnega materiala, vključno z izotopi plutonija, joda, stroncija in cezija. Večina tega je padla v neposredno bližino jedrske elektrarne in velika območja današnje Ukrajine, Belorusije in Rusije, vendar so ga atmosferska kroženja ter vzorci vetra in neviht razpršila tudi po večjem delu severne poloble.

Vremenski vzorci so odvrgli precejšnjo količino radioaktivnih padavin iz Černobila v Skandinaviji. Ocenjuje se, da je Norveška prejela okoli 6 % ¹³⁷Cs in ¹³⁴Cs izpuščen iz jedrske elektrarne. Izotope je v državo prinesel jugovzhodni veter in odložil med padavinami v dneh po jedrski katastrofi.

Ogled skritih žarišč Černobila

Cezij je nato vstopil v prehranjevalno verigo, saj so ga prevzele rastline, lišaji in glive, ki so jih jedle pašne živali, kot so severni jeleni in ovce. V letih po katastrofi so imele velike količine mesa, mleka in sira severnih jelenov in ovc na Norveškem in Švedskem koncentracije izotopov cezija, ki so močno presegle meje, ki so jih določile oblasti. Ta živila še vedno redno testirajo.

V avstrijskih Alpah je prišlo tudi do precejšnjih padavin zaradi Černobila, z močnimi padavinami v dneh po katastrofi, ki so na nekaterih območjih povzročile zelo visoko stopnjo onesnaženosti. Raziskava ledenikov Hallstätter in Schladminger v severni Avstriji iz leta 2009 je pokazala koncentracije ¹³⁷Cs v kriokonitu od 1700 Bq/kg do 140,000 Bq/kg (J. Env. Rad. 100 590).

Veter, dež, ogenj in drugo

Zdi se, da obstaja več razlogov, zakaj kriokonit kopiči radionuklide in postane tako radioaktiven. Radioaktivni material se skozi ozračje prenaša z vetrovi in ​​globalnimi vzorci kroženja. Nato se iz ozračja izpere s padavinami, za katere je znano, da so še posebej učinkovite pri zbiranju trdnih delcev in njihovem prenašanju na tla. Poleg tega so ravni dežja, sneženja in megle običajno visoke v gorskih in polarnih regijah, kjer so ledeniki.

Veliko suhega materiala zaradi pojavov, kot so gozdni požari in prašne nevihte, se prav tako odvrže v ledeniška okolja. Ta prah, saje in podoben material potuje prek atmosferskega kroženja, vendar se pri tem začne vezati skupaj in čistiti druge materiale iz ozračja – vključno z onesnaževalci, kot so radionuklidi – dokler ne postanejo pretežki in padejo na tla.

Ko so radionuklidi in drugi onesnaževalci v ledeniškem okolju, jih hidrološki procesi premaknejo. V toplejših delih leta se snežna odeja in led v ledeniškem povodju talita, skupaj z deli samega ledenika. Ta stopljena voda teče na ledenik in čez njega ter s seboj odnaša onesnaževalce, kot so radionuklidi, ki so bili shranjeni v snegu in ledu. Ko voda teče skozi kanale in luknje po ledeniku, jo filtrira kriokonit, ki leži v teh depresijah, ki je poln materialov, vključno z muljem in glino, za katere je znano, da vežejo elemente, kot so radionuklidi, kovine in drugi antropogeni delci (slika 2). .

Organski čistilci

Zdi se, da tudi biološka komponenta kriokonita povečuje njegovo sposobnost zbiranja in kopičenja radionuklidov. Łokas dejansko pojasnjuje, da je pri kriokonitu z visokim deležem organskega materiala – kot so alge, glive in bakterije – koncentracija radionuklidov veliko višja.

Kriokonit na ledeniku Blåisen na Norveškem, ki je imel posebno visoko stopnjo radioaktivnosti, je imel tudi visoko vsebnost organskih snovi. Medtem ko so študije drugih ledenikov odkrile kriokonit, ki je vseboval med 5 % in 15 % biološkega materiala, so sedimenti iz Blåisena vsebovali približno 30 % organske snovi. Raziskovalci pravijo, da bi to lahko bil del razloga za visoke koncentracije radionuklidov.

Łokas pravi, da se zdi, da je sposobnost kriokonita, da zadrži in koncentrira radionuklide, "povezana z lastnostmi vezave kovin zunajceličnih snovi, ki jih izločajo mikroorganizmi". Ti lepljivi biofilmi imobilizirajo kovine in druge materiale, ki so lahko strupeni, da jim preprečijo vstop v celice mikroorganizmov, pojasnjuje.

To povezavo med organsko snovjo in radionuklidi iz padavin so opazili tudi drugje. Ko je Owens analiziral vzorce kriokonita z ledenika Castle Creek v Britanski Kolumbiji v Kanadi, je ugotovil pomembno pozitivno povezavo med koncentracijo radionuklidov v vzorcih in odstotkom organskega materiala (Sci. Rep. 9 12531). Več ko je biološkega materiala, več je radioaktivnega materiala.

Deset let po Fukušimi: bi nova goriva lahko naredila jedrsko energijo varnejšo?

Owens pojasnjuje, da so radionuklidi padavin povsod. Kar se dogaja na ledenikih, pravi, je, da so "osredotočeni na te res majhne lokacije na površini ledenika". Obstajajo načini, na katere lahko tako materiali, ki sestavljajo usedlino, kot zunajcelične snovi, ki jih izločajo mikroorganizmi, ki živijo v njej, vežejo onesnaževala. Zaradi vsega tega je kriokonit zelo učinkovito čistilno sredstvo in sčasoma se v njem koncentrirajo radionuklidi, ki so padli po celotnem ledeniškem povodju.

Različni viri in koncentracije

Čeprav je ponavadi najbolj koncentriran, ¹³⁷Cs ni edini radionuklid v kriokonitu. Visoke koncentracije drugih radioaktivnih snovi, kot je americij-241 (²⁴¹Am), bizmut-207 (²⁰⁷Odkriti so bili tudi izotopi Bi) in plutonija (Pu). Ti so povezani z globalnimi padavinami radionuklidov iz atmosferskih poskusov jedrskega orožja namesto jedrske katastrofe.

Ta mešanica vnosov, skupaj z globalnim atmosferskim kroženjem in vremenskimi vzorci, pomeni, da se viri in koncentracije radioizotopov na ledenikih po planetu razlikujejo. Owens na primer pravi, da medtem ko so ravni radionuklidov v kriokonitih v Kanadi visoke, izvirajo predvsem iz poskusov jedrske bombe, saj je daleč od Černobila.

Łokas trenutno analizira podrobnosti o radioaktivnosti v kriokonitih z različnih lokacij po vsem svetu, vključno z Arktiki, Islandijo, evropskimi Alpami, Južno Ameriko, gorami Kavkaza, Britansko Kolumbijo in Antarktiko. Glaciologi iz številnih držav, vključno z Owensom in Clasonom, so podarili, zbrali in testirali vzorce za to delo.

Testi so to ugotovili radioaktivnost je še posebej visoka v Alpah in Skandinaviji, medtem ko Łokas pravi, da so bile najnižje ravni, ugotovljene doslej, na ledenikih na Islandiji in Grenlandiji. Na teh območjih ni bil zaznan noben signal iz Černobila, le globalne posledice poskusov orožja, dodaja Łokas.

Delo je identificiralo tudi nekaj zanimivih radionuklidnih signalov. Obstajajo višji deleži ²³⁸vau, ²³⁹Pu in ²⁴⁰Pu v kriokonitih z južne poloble kot na severni polobli, pravi Łokas. To je posledica okvare satelita z radiotermalnim generatorjem SNAP-9A leta 1964. Satelit je razpadel in sprostil približno kilogram ²³⁸Pu v ozračje, predvsem nad južno poloblo.

Obstaja tudi konica notri ²³⁸Izotopi Pu iz vzorcev ledenika Exploradores v čilski Patagoniji. To je verjetno povezano z neuspešno rusko sondo Mars, ki je leta 1996 razpadla v atmosferi nad Južno Ameriko, pravi Łokas. Prevažal je okoli 200 g ²³⁸Peleti Pu in čeprav njihova natančna usoda ni znana, naj bi padli nekje nad Čile in Bolivijo.

Vzrok za zaskrbljenost?

Še vedno ni jasno hzelo zaskrbljeni moramo biti zaradi te koncentracije radioaktivnega materiala na ledenikih. Ni gotovosti o tem, ali predstavlja tveganje za okolje v velikem obsegu ali pa je lokaliziran problem na ledenikih, pravi Clason. »Zagotovo ne bi želel iti in jesti materiala na ledeni površini; res je precej radioaktiven v primerjavi z drugimi okoljskimi usedlinami,« dodaja. "Toda v kolikšni meri je to problem, ko ste zunaj tega neposrednega ledeniškega povodja, preprosto ne vemo."

Ko sediment sedi na ledeniku, je malo verjetno, da bi predstavljal težavo za ekosistem in zdravje ljudi. Toda ko se ledeniki topijo in umikajo, se sprošča vedno več tistega zapuščenega materiala, shranjenega na ledu.

Obstajajo razlogi za skrb. Radioaktivni materiali imajo dobro dokumentirane negativne vplive na zdravje. Ledeniki prav tako shranjujejo ogromne količine sladke vode, pri čemer milijarde ljudi po vsem svetu uporabljajo talino za kmetijstvo in pitno vodo. S segrevanjem podnebja se umikajo tudi ledeniki, ki bi lahko sproščali shranjene onesnaževalce in usedline v visokih koncentracijah.

»Z vsem taljenjem ledenikov prihaja ta kriokonitni material v veliko večji stik z talino ledenikov. Zdaj se začenja izpostavljati in ga je mogoče dostaviti v nižji ekosistem,« pojasnjuje Owens. Ko sediment sedi na ledeniku, pravi, je malo verjetno, da bi to predstavljalo težavo za ekosistem in zdravje ljudi. Toda ko se ledeniki topijo in umikajo, se sprošča vse več tega zapuščenega materiala, shranjenega na ledu.

Prav tako ni jasno, koliko radioaktivnosti bi lahko bilo v ledeniškem sistemu, dodaja Clason. "Poleg neposrednega atmosferskega odlaganja radionuklidov se veliko radioaktivnosti, ki jo vidimo v kriokonitu, verjetno stopi iz starega snega in ledu, ki je bil odložen pred mnogimi leti," pojasnjuje Clason. "Sam led ima seznam radioaktivnosti, ki ga ne razumemo dobro."

Skrita dediščina Černobila

Ko teče v reke, se bo radioaktivni material verjetno razredčil, pravi Owens, "vendar tega ne vemo," opozarja. Clason se strinja. »Medtem ko so koncentracije tam, kjer vzorčimo, visoke, v veliki shemi stvari, ko se ves ta material spere ali ko se ledenik stopi in ga odloži v okolje, se lahko razredči do te mere, da ni nad koncentracijami, ki jih videti v okolju drugače,« pravi. "Torej moramo ugotoviti naslednje."

Clason upa, da bo v prihodnosti izvedel podrobnejšo analizo količine kriokonita na ledeniških površinah z uporabo tehnik, kot so posnetki brezpilotnih letal z visoko ločljivostjo. To bi raziskovalcem omogočilo, da ocenijo, koliko radioaktivnosti bi lahko bilo na ledeniku. Takšno kartiranje kriokonita na površini in nato združevanje informacij z modeli taljenja ledenika bi nam lahko pomagalo razumeti, kako se lahko usedline in onesnaževalci, ki jih vsebujejo, sprostijo v prihodnosti.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• Kupujte in prodajajte delnice podjetij pred IPO s PREIPO®. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/trapped-in-ice-the-surprisingly-high-levels-of-artificial-radioactive-isotopes-found-in-glaciers/