被困在冰中：在冰川中发现的令人惊讶的高水平人工放射性同位素 - 物理世界

想到冰川，脑海中就会浮现出广阔、原始的冰层、覆盖着北极和南极的大片土地的图像。 虽然 99% 的冰川冰确实局限在我们星球的两极地区，但几乎每个大陆的山脉中也发现了冰川，覆盖了地球陆地表面的近 10%。 冰川冰也是我们星球上最大的淡水库——拥有世界上近 69% 的淡水。

尽管在图像中看起来像银色的未受污染的冰河，但冰川含有许多有机沉积物，例如灰尘和微生物。 但研究人员发现它们还包含数量令人担忧的有毒核材料，而我们现在才开始了解冰川融化带来的风险。

“对于其中一些已经过评估的冰川，尤其是欧洲阿尔卑斯山和欧洲其他地区的冰川，其中一些放射性核素的浓度与我们在切尔诺贝利或 福岛 日本地区，”解释说 菲利普欧文斯， 加拿大北不列颠哥伦比亚大学的环境科学家。

灰尘、污垢、微生物

近距离观察，冰川并不是完全的白色。 由于沉积物，它们通常是灰色和脏兮兮的，甚至有些地方是黑色的。 这种在冰川表面形成的黑色细小沉积物被称为低温石，由灰尘、污垢和煤烟以及小岩石和矿物颗粒组成。 它起源于各种地方，包括当地环境，如风化的岩石和冰川附近裸露的地面——但也来自遥远的来源，如沙漠和干旱土地、野火和内燃机。 

这些物质通过风、雨、大气环流以及人为和动物活动等各种过程被带到冰川上。 由于这种低温风尘石颜色深，它在阳光下会升温并融化冰，形成充满水的洼地。 这些洞然后成为更多物质的陷阱，导致形成更大的低温石集合。

低温石也充满有机物质，如藻类、真菌、细菌和其他微生物。 当它们在沉积物上聚集、生长和繁殖时，它们开始形成相当一部分的低温石块。 有机物还会产生粘性生物膜，帮助微生物粘附在沉积物上并相互粘附，形成群落，从而帮助低温尘埃集合体进一步生长。

但低温石不仅仅是岩石、灰尘、污垢和微生物。 研究表明，它还充满了许多不同的人为污染物，包括重金属、杀虫剂、微塑料和抗生素。 与更天然的成分一样，它们也被水洼和粘性生物膜困住，与沉积物中的灰尘和矿物质结合。

影响深远的放射性尘埃

近年来，很明显，低温石通常充满另一种意想不到的污染物——以“放射性核素”(FRN) 形式存在的核材料。 测试发现，这些人造放射性核素的浓度大大超过其他陆地环境中的浓度。 事实上，其中一些沉积物是在核禁区和试验场以外发现的最具放射性的沉积物。

一段时间以来，人们就知道冰川表面可能具有异常高水平的放射性。 近年来，科学家们一直在更详细地探索这个问题。 根据 来自杜伦大学的冰川学家 Caroline Clason，在英国，在低温石中看到的放射性浓度有时“比我们在其他类型的环境基质中发现的高两个甚至三个数量级，比如我们在地球不同部分发现的沉积物和土壤、地衣和苔藓世界”。

2017 年，Clason 及其同事发现，来自瑞典北极 Isfallsglaciären 冰川的低温尘石中的放射性核素水平比在冰川周围山谷中收集的物质高出 100 倍（图 1）。 放射性同位素铯 137 (¹³⁷Cs) 高达 4500 贝克勒尔每公斤 (Bq/kg)，平均水平约为 3000 Bq/kg (TC 15 5151). “令人难以置信的是，冰川表面的物质已经积累了如此之多的[放射性]，”克拉森说。 “比我们在同一地点的其他环境中看到的要多得多。”

2018 年，人们发现挪威冰川上的低温石具有更高的放射性（科学。 托特。 环境。 814 152656). 样本，由 Edyta Łokas，波兰科学院核物理研究所地球科学家, 从 Blåisen 冰川上的 12 个低温石孔中可以看出 ¹³⁷Cs 高达 25,000 Bq/kg，平均水平约为 18,000 Bq/kg。 的水平 ¹³⁷土壤和沉积物中的 Cs 通常在 0.5 到 600 Bq/kg 之间（科学。 众议员。 7 9623).

切尔诺贝利的污染

人工放射性核素 ¹³⁷Cs和铯134（¹³⁴Cs) 是核动力反应堆和一些核武器中铀 235 裂变产生的裂变产物。 挪威和瑞典冰川上的大部分铯同位素都来自切尔诺贝利核事故，但也有 20 世纪中叶进行的数百次大气核试验的放射性尘埃。

作为核能发电史上最严重的灾难，臭名昭著的 切尔诺贝利事件发生于 26 年 1986 月 XNUMX 日 在当时位于苏联的切尔诺贝利核电站对四号反应堆进行低功率测试期间。 试验引起爆炸和火灾，摧毁了反应堆大楼，灾难性事件释放出大量放射性物质，包括钚、碘、锶和铯的同位素。 其中大部分落在核电站附近以及现在乌克兰、白俄罗斯和俄罗斯的大片地区，但大气环流以及风和风暴模式也将其散布在北半球的大部分地区。

天气模式倾倒了大量来自斯堪的纳维亚半岛切尔诺贝利的放射性沉降物。 据估计，挪威已收到约 6% 的 ¹³⁷铯和 ¹³⁴从核电站释放的 Cs。 这些同位素被东南风带到该国，并在核灾难后几天的降雨期间沉积下来。

瞥见切尔诺贝利的隐藏热点

铯随后进入食物链，被植物、地衣和真菌吸收，而这些植物、地衣和真菌又被驯鹿和绵羊等食草动物吃掉。 在灾难发生后的几年里，来自挪威和瑞典的驯鹿和绵羊的大量肉类、牛奶和奶酪中的铯同位素浓度大大超过了当局设定的限值。 这些食品仍定期接受检测。

奥地利阿尔卑斯山的切尔诺贝利事故也造成了严重的后果，灾难发生后几天的暴雨导致一些地区的污染程度非常高。 2009 年对奥地利北部 Hallstätter 和 Schladminger 冰川的调查发现， ¹³⁷低温尘埃中的 Cs 范围从 1700 Bq/kg 到 140,000 Bq/kg (J.环境。 拉德。 100 590).

风、雨、火等等

低温石积聚放射性核素并变得如此具有放射性似乎有几个原因。 放射性物质通过风和全球环流模式在大气中传输。 然后通过降水将其从大气中冲走，众所周知，降水在收集颗粒物并将其降到地面方面特别有效。 此外，在拥有冰川的山区和极地地区，降雨、降雪和雾的水平往往很高。

来自森林火灾和沙尘暴等现象的大量干燥物质也被倾倒在冰川环境中。 这些灰尘、烟灰和类似物质通过大气环流传播，但当它这样做时，它们开始结合在一起并从大气中清除其他物质——包括放射性核素等污染物——直到它变得太重并掉到地上。

一旦放射性核素和其他污染物进入冰川环境，它们就会被水文过程转移。 在一年中较温暖的时候，冰川集水区的积雪和冰以及冰川本身的一部分会融化。 融水流过冰川，带走储存在冰雪中的放射性核素等污染物。 当水流过冰川的通道和孔洞时，它会被位于这些凹陷中的低温石过滤，这些凹陷中充满了淤泥和粘土等物质，已知这些物质会结合放射性核素、金属和其他人为颗粒等元素（图 2） .

有机清除剂

低温石的生物成分似乎也增强了它收集和积累放射性核素的能力。 事实上，Łokas 解释说，对于含有高比例有机物质（例如藻类、真菌和细菌）的低温石来说，放射性核素的浓度要高得多。

挪威 Blåisen 冰川上的低温石具有特别高的放射性水平，有机物含量也很高。 虽然对其他冰川的研究发现低温尘石含有 5% 到 15% 的生物物质，但布洛伊森的沉积物含有大约 30% 的有机物质。 研究人员表示，这可能是其放射性核素浓度高的部分原因。

Łokas 说，低温风石保持和浓缩放射性核素的能力似乎“与微生物排出的细胞外物质的金属结合特性有关”。 她解释说，这些粘性生物膜固定了金属和其他可能有毒的材料，以防止它们进入微生物的细胞。

其他地方也发现了有机物和沉降物放射性核素之间的这种联系。 当 Owens 分析来自加拿大不列颠哥伦比亚省 Castle Creek 冰川的低温石样本时，他发现样本中放射性核素的浓度与有机物质的百分比之间存在显着的正相关关系（科学。 众议员。 9 12531). 生物物质越多，放射性物质越多。

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欧文斯解释说，放射性尘埃无处不在。 他说，冰川上正在发生的事情是它们“集中在冰川表面这些非常小的地方”。 构成沉积物的材料和生活在其中的微生物排出的细胞外物质都可以通过多种方式结合污染物。 这一切都使低温石成为一种高效的清除剂，随着时间的推移，落在整个冰川集水区的放射性核素会集中在其中。

不同的来源和浓度

虽然它往往是最集中的， ¹³⁷Cs 不是在低温石中发现的唯一放射性核素。 高浓度的其他放射性物质，如镅241（²⁴¹Am), 铋 - 207 (²⁰⁷Bi) 和钚 (Pu) 同位素也已被检测到。 这些与大气层核武器试验产生的放射性核素的全球影响有关 而不是核电灾难。

这种输入的混合，以及全球大气环流和天气模式，意味着全球冰川上放射性同位素的来源和浓度各不相同。 例如，欧文斯说，虽然加拿大低温石中的放射性核素含量很高，但它们主要来自核弹试验，因为它距离切尔诺贝利核电站很远。

Łokas 目前正在分析来自世界各地不同地点的低温尘埃的放射性细节，包括北极、冰岛、欧洲阿尔卑斯山、南美洲、高加索山脉、不列颠哥伦比亚省和南极洲。 来自许多国家的冰川学家，包括欧文斯和克拉森，已经为这项工作捐赠、收集和测试了样本。

测试发现 r阿尔卑斯山和斯堪的纳维亚半岛的放射性特别高，而 Łokas 说迄今为止发现的最低水平是在冰岛和格陵兰的冰川上。 Łokas 补充说，在这些地区没有发现切尔诺贝利事故的信号，只有武器试验的全球影响。

这项工作还确定了一些有趣的放射性核素信号。 有较高的比例 ²³⁸哇， ²³⁹浦和 ²⁴⁰Łokas 说，南半球的低温尘埃中的 Pu 比北半球的多。 这是由于 9 年一颗携带 SNAP-1964A 辐射热发生器的卫星发生故障。卫星解体，释放出大约一公斤的 ²³⁸Pu进入大气层，主要在南半球上空。

也有一个尖峰 ²³⁸来自智利巴塔哥尼亚 Exploradores 冰川样本的 Pu 同位素。 Łokas 说，这可能与 1996 年失败的俄罗斯火星探测器在南美大气层中解体有关。 它携带了大约 200 克 ²³⁸Pu 颗粒，虽然它们的确切命运未知，但据认为它们落在了智利和玻利维亚的某个地方。

担心的原因？

目前尚不清楚 h现在担心我们需要关注冰川上放射性物质的浓度。 克拉森说，目前还不确定它是否会造成大规模的环境风险，或者它是否是冰川上的局部问题。 “我当然不想去吃冰面上的材料； 与其他环境沉积物相比，它确实具有很强的放射性，”她补充道。 “但是，一旦你离开了直接的冰川集水区，这在多大程度上会成为一个问题，我们就不知道了。”

当沉积物位于冰川上时，它不太可能成为生态系统和人类健康的问题。 但随着冰川融化和退缩，越来越多储存在冰上的遗留物质被释放出来

有理由担心。 放射性物质对健康的负面影响已得到充分证明。 冰川还储存了大量的淡水，全世界有数十亿人将融水用于农业和饮用水。 随着气候变暖，冰川也在消退，这可能会释放出高浓度的储存污染物和沉积物。

“随着所有的冰川融化，这种低温石材料与冰川融水的接触越来越多。 它现在开始暴露并可以传送到下游生态系统，”Owens 解释道。 他说，当沉积物位于冰川上时，它不太可能成为生态系统和人类健康的问题。 但随着冰川融化和消退，越来越多储存在冰上的遗留物质被释放出来。

克拉森补充说，目前还不清楚冰川系统中到底有多少放射性。 “除了放射性核素的直接大气沉积外，我们在低温石中看到的许多放射性物质很可能是从多年前沉积的旧冰雪中融化出来的，”Clason 解释说。 “冰本身有一份尚不清楚的放射性物质清单。”

切尔诺贝利的隐藏遗产

一旦流入河流，放射性物质可能会被稀释，欧文斯说，“但我们不知道，”他警告说。 克拉森同意。 “虽然我们采样的地方浓度很高，但在宏伟的计划中，一旦所有物质都被冲走或冰川融化并将其沉积在环境中，它可能会被稀释到不超过你所处浓度的程度以其他方式看待环境，”她说。 “所以这就是我们接下来需要弄清楚的。”

未来，克拉森希望利用高分辨率无人机图像等技术，对冰川表面的低温石数量进行更详细的分析。 这将使研究人员能够估计冰川上可能存在多少放射性。 像这样绘制表面的低温石，然后将信息与冰川融化模型相结合，可以帮助我们了解沉积物及其所含污染物在未来可能如何释放。

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