放射性同位素在大氣示蹤中的應用

放射性同位素在大氣示蹤中的應用

原子核自發地放射出各種射線的現象稱為放射性,能發生這種自發轉變的核素稱為放

射性核素,或放射性同位素。把放射性同位素的原子摻到其它物質中去,讓它們一起運動、遷

移,再用放射線探測儀器進行追蹤,就可以知道放射線原子的運動路徑、現狀和趨勢,從而可

以了解某些不易察明的情況或規律。 人們把用于這種用途的放射性同位素的原子稱為示蹤

原子。本文主要介紹自然大氣中的放射性核素C、的源與匯以及在大氣示蹤中的

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Pb、Be

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應用。

大氣中放射性核素的源與匯

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C的源與匯

天然C是在大氣層上部，宇宙射線產生中子（n）與大氣中的氮核（N）發生核反應

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的產物，其反應式為：N+n→C+H。天然C產生后在幾小時內至幾天內快速氧化成二氧

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化碳（CO），在大氣同溫層風作用下與原有的非放射性CO充分混合后，擴散到整個地

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球大氣層中，以C標記的CO在到達地球表面時已相當充分地混合。大氣層中CO通過與溶

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解于海中的CO交換，天然C被海洋吸收；通過植物光合作用，動物對植物碳的吸收等，

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天然C成為生物圈的一部分而被匯集。

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Be的源與匯

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Be 是Be 眾多的同位素家族(Be、Be、Be、Be和Be) 中的一種,質子和中子數分

別是4 和3 ,半衰期為53144d。Be 來源于大氣層頂部的宇宙射線中高能粒子(主要是中子)

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的碰并反應,反應式為: He+ He →Be +γ。Be 原子一旦形成,很快被吸附在亞微米尺度

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的氣溶膠( 粒子直徑一般為0.3 ～0.4μm) 上,一方面通過γ衰變產生鋰(Li) 而損失,另

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一方面隨著大氣中氣溶膠的沉降過程而被清除 。

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Pb的源與匯

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Pb 是近20 種Pb 同位素中的一種,元素周期表序數是82 ,中子數為128 ,半衰期為

22126a ,為γ衰變。Pb是由地表釋放到近地層大氣中的氡-222 (Rn) 經過5 級衰變產

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生的,其衰變系列為:Rn → Po→ →Pb →Bi → Po→Pb。由于Pb 是通

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αα ββα

過鐳衰變而來的,早期工作中也常被稱之為Radium-D 。Rn 是地殼所釋放的一種具有放射

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性的惰性氣體,半衰期為3128d。由于水體的遲滯作用,Rn 的土壤排放通量一般是海洋的

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100 倍,因此Pb 主要產生于內陸地區的對流層內 。和Be 一樣, Pb 一旦形成以后,

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也被大氣中的亞微米級氣溶膠吸附 。 Pb 的匯與Be一樣,也是通過沉降,主要是干、濕沉

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降進入地表沉積。

放射性核素在大氣示蹤研究中的應用

碳-14在大氣示蹤中的應用

“彈-14”形成于大氣高層，平流層氣流緩慢，其C滯留時間較長，進入對流層后迅速

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擴散，“彈-14”是研究大氣邊界層變化的良好指示劑。大氣環流和南、北半球之間的大氣

混合的時間很短一般采用半衰期更短的Kr以及CFCs等。除此以外，大氣中天然的△C變

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化是氣候變化的標志，通過測量泥炭和樹輪中的C的活度，經過δC校正后直接得出大氣

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△C變化規律，氣候變化是影響大氣C濃度的因素之一，地磁場強度和太陽活動也可以直

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接影響到大氣C的產率，而地磁場和太陽活動的變化與全球氣候變化有著密不可分的關系。

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因此，大氣△C變化可為晚更新世—全新世的氣候變化提供大量的信息。

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Be 和Pb 的示蹤原理

天然放射性核素的源匯過程是決定其在大氣濃度分布的基本因素,同時也是開展示蹤研

究大氣輸送過程的基礎。大氣中約67 %的Be 主要分布在對流層上層和平流層下層高度范圍,

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最大生成速率出現在高度約12km 的位置,隨著高度的降低,Be 產生率近似呈指數下降。在

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對流層低層,由于強烈的大氣動力輸送,尤其是干、濕沉降過程,含Be 的氣溶膠能較快地沉降

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到地表使對流層大氣中Be 的濃度很低。因此, Be 常被用作研究平流層—對流層交換(STE)

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過程的有力工具。高濃度的Be 往往指示著氣團源于高層大氣的向下輸送。

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Pb 源于地表排放。隨著 Pb 被氣溶膠吸附后,Pb 在大氣中輸送,并最終經干、濕

沉降而被清除。由于Pb 的半衰期長達20 余年,比對流層中氣溶膠的平均停留時間要長得

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多,因此對流層的Pb 幾乎都經干、濕沉降而被清除,而放射性衰變對其清除的貢獻很小。

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在Rn 源已知的情況下,Pb 的大氣濃度數據可作為評估大氣氣溶膠沉降/ 清除過程的示

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蹤物質。

在實際的工作中,既可以單獨使用Be 或 Pb , 也可以將兩者結合起來使用,以獲得有

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關大氣輸送、沉降的完整信息。由于Be 和 Pb 源分布的差異,可以把含低Be、高Pb 的

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特征氣團作為來自于地表排放源的示蹤物;而高Be 、低Pb 則是來自于高層大氣向下輸送

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的示蹤物。但是這種簡單的示蹤盡管在很多觀測個例中取得了較為滿意的結果,但實際上由

于Be 或Pb 所附著的氣溶膠粒子還受到對流層復雜的動力過程的影響,因此,理想的示蹤

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研究是將兩者結合起來。若對兩種核素同時進行測量,同時增加有關的大氣化學成分的觀測,

則可為診斷大氣動力輸送過程提供強有力的示蹤工具。

最簡單地考慮是用Be/ Pb 比率來診斷大氣的動力輸送過程。若將地表臭氧的濃度變

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化與放射性核素Be 、Pb 隨時間的變化同時比較,則可簡單、定性地估計平流層輸送或局

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地光化學反應對地表臭氧濃度的貢獻。考慮到大氣中的Be 和Pb 都被氣溶膠所攜帶,并都

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受到相同的濕清除的影響,而濕清除對臭氧的貢獻比對兩種同位素而言又要小得多了,因

此,Grausten提出能消除濕清除影響的所謂標準化函數的概念,能更有效地估算平流層O

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的貢獻。標準化函數f 定義為:

f (Be ,Pb) =(Be)/[(Be) + n (Pb)]

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其中(Be) 和(Pb) 代表單位體積空氣中相應核素的濃度, n 近似等于采樣系列中(Be) 的

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標準偏差和(Pb) 的標準偏差之比。高的f (Be ,Pb) 值表明O3 主要來自上層大氣,而低值

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則意味著O3 來自大陸邊界層,這比單獨地使用一個核素進行動力過程的示蹤更有說服力。

另一個比較靈敏的示蹤手段是結合Be 和Be(也是由高能核反應形成的宇生核素,半衰

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期為217×106a ,主要通過濕清除從大氣中移出,而其在大氣中的衰變作用可忽略) 。用Be/

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Be 濃度比值也比單獨用Be 或 Pb 來測量平流層的輸入更敏感、更可靠。這種手段是通

過研究Be/Be 比值而推測空氣團的起源及在大氣中的停留時間,但在實際的觀測中,同時

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普遍地測定Be、 Be 是比較困難的。通常選擇仍是測定Be 和Pb 來示蹤大氣的動力輸

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送過程。