У пастці льоду: напрочуд високий рівень штучних радіоактивних ізотопів, виявлений у льодовиках – Physics World

Подумайте про льодовики, і на думку спадають образи величезних незайманих покривів льоду, що покривають смуги Арктики й Антарктики. Хоча це правда, що 99% льодовикового льоду обмежено полярними регіонами нашої планети, льодовики також знаходяться в гірських хребтах майже на кожному континенті, покриваючи майже 10% поверхні суші Землі. Льодовиковий лід також є найбільшим резервуаром прісної води на нашій планеті – містить майже 69% світової прісної води.

Незважаючи на те, що на зображеннях вони виглядають як сріблясті недоторкані ріки льоду, льодовики містять багато органічних відкладень, таких як пил і мікроби. Але дослідники виявляють, що вони також містять тривожну кількість токсичних ядерних матеріалів, і ми лише зараз починаємо розуміти ризики, пов’язані з таненням льодовиків.

«Для деяких із цих льодовиків, які були оцінені, особливо в європейських Альпах та інших частинах Європи, концентрація деяких із цих радіонуклідів настільки висока, наскільки ми зафіксували їх у зонах лиха, таких як Чорнобиль чи Фукусіма області в Японії», – пояснює Філіп Оуенс, вчений-еколог з Університету Північної Британської Колумбії, Канада.

Пил, бруд, мікроби

Зблизька льодовики не ідеально білі. Вони часто сірі та брудні, місцями навіть чорні через відкладення. Відомий як кріоконіт, цей темний дрібний осад, який утворюється на льодовикових поверхнях, складається з пилу, бруду та сажі, а також дрібних каменів і мінеральних частинок. Він походить із різних місць, у тому числі з місцевих околиць, таких як вивітрені скелі та оголена земля поблизу льодовика, а також із віддалених джерел, таких як пустелі та посушливі землі, лісові пожежі та двигуни внутрішнього згоряння. 

Ці матеріали переносяться на льодовики різними процесами, такими як вітер, дощ, атмосферна циркуляція, антропогенна діяльність і діяльність тварин. Оскільки цей кріоконіт має темний колір, він нагрівається на сонці та розтоплює лід, створюючи заповнені водою западини. Потім ці отвори стають пастками для більшої кількості матеріалу, спричиняючи утворення більших колекцій кріоконіту.

Кріоконіт також повний органічних матеріалів, таких як водорості, гриби, бактерії та інші мікроби. Оскільки вони збираються, ростуть і розмножуються на осадах, вони починають утворювати значну частину маси кріоконіту. Органічна речовина також утворює липкі біоплівки, які допомагають мікробам прилипати до осаду та один до одного, утворювати спільноти, допомагаючи колекціям кріоконіту розвиватися далі.

Але кріоконіт - це не тільки каміння, пил, бруд і мікроби. Дослідження показали, що він також сповнений багатьох різних антропогенних забруднень, включаючи важкі метали, пестициди, мікропластики та антибіотики. Подібно до більш природних компонентів, вони також затримуються водянистими западинами та липкими біоплівками, зв’язуючись із пилом і мінералами в осадах.

Широкомасштабні радіоактивні опади

Останніми роками стало зрозуміло, що кріоконіти часто сповнені іншого досить несподіваного забруднювача – ядерного матеріалу у формі «радіонуклідів випадіння» (FRNs). Випробування показали, що концентрації цих штучних радіонуклідів значно перевищують концентрації в інших земних середовищах. Дійсно, деякі з цих відкладень є найбільш радіоактивними, які коли-небудь знаходили за межами ядерних зон і полігонів.

Деякий час було відомо, що поверхня льодовиків може мати надзвичайно високий рівень радіоактивності. В останні роки вчені досліджують це питання більш детально. Відповідно до гляціолог Керолайн Клейсон з Даремського університетуУ Великобританії концентрація радіоактивності, яка спостерігається в кріоконіті, іноді «на два чи навіть три порядки вище, ніж ми могли б знайти в інших типах екологічних матриць, таких як відкладення та ґрунти, лишайники та мохи, які ми знаходимо в різних частинах світу. світ».

У 2017 році Класон і його колеги виявили, що рівень радіонуклідів у кріоконіті з льодовика Isfallsglaciären в Арктичній Швеції був у 100 разів вищий, ніж у матеріалі, зібраному в долині навколо льодовика (рис. 1). Концентрації радіоактивного ізотопу цезію-137 (¹³⁷Cs) досягали 4500 беккерелів на кілограм (Бк/кг), із середніми рівнями близько 3000 Бк/кг (TC 15 5151). «Це неймовірно, скільки [радіоактивності] встиг накопичити матеріал на поверхні льодовика», — каже Класон. «Набагато більше, ніж ми бачимо в решті середовища в тому самому місці».

У 2018 році кріоконіт на норвезькому льодовику виявився ще більш радіоактивним (Sci. Тот. Env. 814 152656). Зразки, зібрані групою під керівництвом Едіта Локас, науковець з Інституту ядерної фізики Польської академії наук, з 12 кріоконітових отворів на льодовику Блезен виявлено концентрації ¹³⁷Cs досягає 25,000 18,000 Бк/кг із середнім рівнем близько XNUMX XNUMX Бк/кг. Рівні ¹³⁷Cs у ґрунтах і відкладеннях зазвичай становить від 0.5 до 600 Бк/кг (Sci. Rep. 7 9623).

Чорнобильське забруднення

Штучні радіонукліди ¹³⁷Cs і цезій-134 (¹³⁴Cs) є продуктами ділення, що утворюються в результаті розщеплення урану-235 в ядерних енергетичних реакторах і деяких видах ядерної зброї. Більшість ізотопів цезію на норвезьких і шведських льодовиках походить від аварії на Чорнобильській АЕС, але є також опади в результаті сотень ядерних випробувань в атмосфері, проведених у середині 20 століття.

Сумно відома як найстрашніша катастрофа в історії виробництва атомної енергії Чорнобильська аварія сталася 26 квітня 1986 року під час малопотужних випробувань четвертого реактора Чорнобильської АЕС, яка тоді була в Радянському Союзі. Випробування спричинили вибух і пожежу, які знищили будівлю реактора, а катастрофічний інцидент призвів до викиду значної кількості радіоактивного матеріалу, включаючи ізотопи плутонію, йоду, стронцію та цезію. Більша частина цього впала в безпосередній близькості від атомної електростанції та великих територій, які зараз є Україною, Білорусією та Росією, але атмосферна циркуляція, а також вітрові та штормові моделі також розпорошили його по більшій частині північної півкулі.

Погодні умови призвели до викиду значної кількості радіоактивних опадів від Чорнобиля в Скандинавії. За оцінками, Норвегія отримала близько 6 % ¹³⁷Cs і ¹³⁴Cs випущений з АЕС. Ізотопи були принесені в країну південно-східним вітром і осідали під час дощів у дні після ядерної катастрофи.

Огляд прихованих гарячих точок Чорнобиля

Потім цезій потрапив у харчовий ланцюг, оскільки його поглинали рослини, лишайники та гриби, які їли тварини, які паслися, наприклад північні олені та вівці. У роки після катастрофи концентрація ізотопів цезію у великій кількості м’яса, молока та сиру північних оленів і овець у Норвегії та Швеції значно перевищувала встановлені владою обмеження. Ці продукти все ще регулярно перевіряються.

Також в Австрійських Альпах випали значні опади в результаті аварії на Чорнобильській АЕС, сильні дощі в дні після катастрофи призвели до дуже високого рівня забруднення в деяких районах. Дослідження 2009 року льодовиків Гальштеттер і Шладмінгер на півночі Австрії виявило концентрацію ¹³⁷Cs у кріоконіті від 1700 Бк/кг до 140,000 XNUMX Бк/кг (J. Env. Рад. 100 590).

Вітер, дощ, вогонь тощо

Існує кілька причин, чому кріоконіт накопичує радіонукліди і стає настільки радіоактивним. Радіоактивний матеріал переноситься через атмосферу за допомогою вітрів і глобальної циркуляції. Потім він вимивається з атмосфери опадами, які, як відомо, особливо ефективні для збору твердих частинок і їх потрапляння на землю. Крім того, рівень дощу, снігопаду та туману, як правило, високий у гірських і полярних регіонах, де є льодовики.

Багато сухого матеріалу, отриманого від таких явищ, як лісові пожежі та пилові бурі, також потрапляє в льодовикове середовище. Цей пил, сажа та подібний матеріал переміщується через атмосферну циркуляцію, але при цьому він починає зв’язуватися разом і очищати інший матеріал з атмосфери – включно з забруднювачами, такими як радіонукліди – поки він не стане занадто важким і не впаде на землю.

Як тільки радіонукліди та інші забруднювачі потрапляють у льодовикове середовище, вони переміщуються гідрологічними процесами. У теплу пору року сніговий покрив і лід у льодовиковому басейні тануть разом із частинами самого льодовика. Ця тала вода тече на льодовик і над ним, забираючи забруднювачі, такі як радіонукліди, які зберігалися в снігу та льоду. Коли вода тече через канали та отвори через льодовик, вона фільтрується кріоконітом, що знаходиться в цих западинах, який сповнений матеріалів, включаючи мул і глину, які, як відомо, зв’язують такі елементи, як радіонукліди, метали та інші антропогенні частинки (рис. 2). .

Органічні сміттяри

Біологічний компонент кріоконіту також, здається, підвищує його здатність збирати та накопичувати радіонукліди. Дійсно, Локас пояснює, що для кріоконіту з високою часткою органічного матеріалу, такого як водорості, гриби та бактерії, концентрація радіонуклідів набагато вища.

Кріоконіт на льодовику Блезен у Норвегії, який мав особливо високий рівень радіоактивності, також мав високий вміст органіки. У той час як дослідження інших льодовиків виявили, що кріоконіт містить від 5% до 15% біологічного матеріалу, відкладення Блезена складалися з приблизно 30% органічної речовини. Дослідники кажуть, що це може бути частково причиною високих концентрацій радіонуклідів.

Локас каже, що здатність кріоконіту утримувати та концентрувати радіонукліди, мабуть, «пов’язана з властивостями зв’язування металів позаклітинних речовин, які виділяються мікроорганізмами». Ці липкі біоплівки знерухомлюють метали та інші матеріали, які можуть бути токсичними, щоб запобігти їх потраплянню в клітини мікроорганізмів, пояснює вона.

Цей зв'язок між органікою та радіонуклідами, що випали, також був помічений в інших місцях. Коли Оуенс проаналізував зразки кріоконіту з льодовика Касл-Крік у Британській Колумбії, Канада, він виявив значний позитивний зв’язок між концентрацією радіонуклідів у зразках і відсотком органічного матеріалу (Sci. Rep. 9 12531). Чим більше біологічного матеріалу, тим більше радіоактивного матеріалу.

Через десять років після Фукусіми: чи можуть нові види палива зробити ядерну енергетику безпечнішою?

Оуенс пояснює, що випадають радіонукліди всюди. За його словами, на льодовиках відбувається те, що вони «зосереджуються на цих дуже маленьких місцях на поверхні льодовика». Існують способи, за допомогою яких як матеріали, що утворюють осад, так і позаклітинні речовини, що виділяються мікроорганізмами, які живуть у ньому, можуть зв’язувати забруднювачі. Все це робить кріоконіт високоефективним поглиначем, і з часом у ньому концентруються радіонукліди, що випали по всьому льодовиковому водозбору.

Різні джерела та концентрації

Хоча він має тенденцію бути найбільш концентрованим, ¹³⁷Cs – не єдиний радіонуклід, знайдений у кріоконіті. Високі концентрації інших радіоактивних матеріалів, таких як америцій-241 (²⁴¹Am), вісмут-207 (²⁰⁷Також були виявлені ізотопи Bi) і плутонію (Pu). Вони пов’язані з глобальним випаданням радіонуклідів у результаті випробувань ядерної зброї в атмосфері а не ядерно-енергетичні катастрофи.

Це поєднання вхідних даних разом із глобальною атмосферною циркуляцією та погодними умовами означає, що джерела та концентрації радіоізотопів на льодовиках різняться на всій планеті. Наприклад, Оуенс каже, що хоча рівень радіонуклідів у кріоконітах Канади високий, вони в основному є результатом випробувань ядерної бомби, оскільки до Чорнобиля це далеко.

Зараз Локас аналізує деталі радіоактивності в кріоконітах з різних місць по всьому світу, включаючи Арктику, Ісландію, Європейські Альпи, Південну Америку, Кавказькі гори, Британську Колумбію та Антарктиду. Гляціологи з багатьох країн, у тому числі Оуенс і Клейсон, пожертвували, зібрали та перевірили зразки для цієї роботи.

Тести це виявили rадіоактивність особливо висока в Альпах і Скандинавії, тоді як Локас каже, що найнижчі рівні, виявлені досі, були на льодовиках в Ісландії та Гренландії. Жодного сигналу від Чорнобиля в цих районах виявлено не було, лише глобальні опади від випробувань зброї, додає Локас.

Робота також виявила деякі цікаві радіонуклідні сигнали. Є вищі частки ²³⁸Ого, ²³⁹Пу і ²⁴⁰Pu в кріоконітах з південної півкулі, ніж у північній півкулі, каже Локас. Це сталося через відмову супутника з радіотепловим генератором SNAP-9A у 1964 році. Супутник розпався, викинувши близько кілограма ²³⁸Пу в атмосферу, переважно над південною півкулею.

Також є спайк в ²³⁸Ізотопи Pu зі зразків льодовика Експлорадорес у чилійській Патагонії. Ймовірно, це пов’язано з невдалим російським марсіанським зондом, який розпався в атмосфері над Південною Америкою в 1996 році, каже Локас. Він перевозив близько 200 г ²³⁸Гранули Pu, і хоча їх точна доля невідома, вважається, що вони впали десь над Чилі та Болівією.

Причина занепокоєння?

Поки що незрозуміло hнас хвилює така концентрація радіоактивного матеріалу на льодовиках. Немає впевненості щодо того, чи становить це екологічний ризик у великих масштабах, чи це локалізована проблема на льодовиках, каже Класон. «Я точно не хотів би йти і їсти матеріал на поверхні льоду; він справді досить радіоактивний у порівнянні з іншими опадами навколишнього середовища», – додає вона. «Але наскільки це проблема, коли ви знаходитесь за межами цього безпосереднього льодовикового водозбору, ми просто не знаємо».

Коли осад сидить на льодовику, це навряд чи буде проблемою для екосистеми та здоров’я людини. Але в міру танення та відступу льодовиків вивільняється все більше і більше цього спадкового матеріалу, що зберігається на льоду.

Є причини для занепокоєння. Радіоактивні матеріали мають добре задокументований негативний вплив на здоров'я. Льодовики також зберігають величезну кількість прісної води, і мільярди людей у ​​всьому світі використовують талу воду для сільського господарства та питної води. У міру потепління клімату льодовики також відступають, що потенційно може вивільнити накопичені забруднення та осади у високих концентраціях.

«З усім таненням льодовиків цей кріоконітовий матеріал набагато більше контактує з талими льодовиками. Зараз він починає виявлятися, і його можна доставити в екосистему, що знаходиться нижче за течією», — пояснює Оуенс. За його словами, коли осад сидить на льодовику, це навряд чи буде проблемою для екосистеми та здоров’я людини. Але в міру того, як льодовики тануть і відступають, вивільняється все більше і більше цього спадкового матеріалу, що зберігається на льоду.

Також не ясно, скільки саме радіоактивності може бути в льодовиковій системі, додає Класон. «Крім прямого осадження радіонуклідів в атмосфері, значна частина радіоактивності, яку ми бачимо в кріоконіті, ймовірно, витоплена зі старого снігу та льоду, які були відкладені багато років тому», — пояснює Класон. «Сам лід має інвентаризацію радіоактивності, яка не зовсім зрозуміла».

Прихована спадщина Чорнобиля

Як тільки радіоактивний матеріал впаде в річки, він, ймовірно, розбавиться, каже Оуенс, «але ми не знаємо», – застерігає він. Класон погоджується. «Хоча там, де ми беремо зразки, концентрації високі, у великій схемі речей, як тільки весь цей матеріал буде змито або льодовик розтане та відкладе його в навколишньому середовищі, він може розбавитися до такої міри, що він не перевищуватиме концентрацію, яку ви дивіться на навколишнє середовище інакше», — каже вона. «Отже, це те, що нам потрібно з’ясувати далі».

У майбутньому Класон сподівається провести більш детальний аналіз кількості кріоконіту на льодовикових поверхнях, використовуючи такі методи, як зображення з високою роздільною здатністю безпілотника. Це дозволить дослідникам оцінити, скільки радіоактивності може бути на льодовику. Картування кріоконіту на поверхні таким чином, а потім поєднання інформації з моделями танення льодовика може допомогти нам зрозуміти, як відкладення та забруднення, які вони містять, можуть вивільнитися в майбутньому.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/trapped-in-ice-the-surprisingly-high-levels-of-artificial-radioactive-isotopes-found-in-glaciers/