劉楚越，鐘強(qiáng)強(qiáng)，黃德坤*，陳隨緣，王浩，于濤*

( 1. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2. 自然資源部第三海洋研究所 海洋放射性技術(shù)與環(huán)境安全評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005)

1 引言

北極對(duì)全球地理演化和氣候具有重要影響，北極環(huán)境的變化也是了解全球氣候變化的重要指示因子。北極地區(qū)環(huán)境變化主要體現(xiàn)在溫度、降雪、冰川融化、氣流和洋流變化等。20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于北極周邊國(guó)家的工業(yè)排放，北冰洋上空的對(duì)流層中污染物濃度逐年增加，對(duì)北極生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了惡劣的影響，也由此掀起了北極大氣化學(xué)的研究熱潮。因此，一些國(guó)際全球變化研究計(jì)劃——世界氣候研究計(jì)劃、北極氣候系統(tǒng)研究、北極系統(tǒng)科學(xué)研究等均對(duì)北極大氣沉降的研究十分重視[1]。

大氣中的放射性核素主要有3種來(lái)源：（1）通過(guò)宇宙射線生成的放射性核素，即宇生放射性核素（7Be、32,33P、10Be等）；（2）來(lái)源于陸地的天然放射性核素（210Pb、210Bi、210Po等）；（3）人類核活動(dòng)產(chǎn)生的人工放射性核素[2]。7Be和210Pb具有不同的來(lái)源，在它們產(chǎn)生之后的很短時(shí)間內(nèi)，就會(huì)迅速附著在氣溶膠顆粒上，并通過(guò)大氣干、濕沉降到達(dá)地球表面。兩種核素都可以用于研究不同時(shí)間尺度上的大氣過(guò)程和地球表面過(guò)程[3]。

7Be (T1/2=53.3 d)作為最常用的宇生放射性核素之一，它是由平流層和對(duì)流層上層中的氧原子和氮原子在宇宙射線的作用下發(fā)生核反應(yīng)生成的[4]。其中，大約2/3在平流層生成，剩下的1/3生成在對(duì)流層[5]。由于半衰期短，平流層中產(chǎn)生的大部分7Be只在春季（主要在中、高緯度地區(qū)）到達(dá)對(duì)流層，在其他季節(jié)幾乎不會(huì)到達(dá)對(duì)流層。原因在于，在中、高緯度地區(qū)，春季時(shí)平流層大氣受到對(duì)流層大氣流動(dòng)的侵?jǐn)_，其中大量的7Be和其他宇生放射性核素則會(huì)從平流層運(yùn)輸?shù)綄?duì)流層[6]。

大氣中的210Pb（T1/2=22.1 a）主要來(lái)自于陸地表面222Rn釋放進(jìn)入大氣后的放射性衰變[7]。由于離地面越遠(yuǎn)，222Rn的濃度越低，因此上層大氣中210Pb的濃度也隨著高度的增加而降低。大氣中210Pb的主要清除機(jī)制是通過(guò)降水沖刷沉降。盡管干沉降通量通常約為整體沉降通量的10%，但已有報(bào)道顯示[8]，210Pb的干沉降通量在總沉降通量中的占比仍有較大的變化范圍（4%～49%）。大氣中210Po（T1/2=138.4 d）主要由210Pb的衰變產(chǎn)生，由于對(duì)流層氣溶膠停（滯）留時(shí)間較短，由210Pb衰變生成的210Po難以與母體210Pb達(dá)到放射性平衡，因此運(yùn)用210Po/210Pb比值可以反推大氣氣溶膠的停留時(shí)間，而停留時(shí)間可以用于示蹤研究大氣污染物的擴(kuò)散與遷移[9-11]。

由于210Pb主要存在于對(duì)流層底層，7Be產(chǎn)于平流層和對(duì)流層高層，因此它們被廣泛用于研究氣團(tuán)的混合、運(yùn)輸途徑以及判斷氣溶膠的來(lái)源[12]。此外，大氣中的7Be/210Pb活度比可用作研究大氣中垂直運(yùn)輸路徑的工具。隨大氣沉降到達(dá)地表后，兩種放射性核素都被顆粒物迅速吸附，到達(dá)水體的放射性核素最終從水體中除去并轉(zhuǎn)移到沉積物中。作為顆?；钚院怂?，7Be、210Pb和210Po已被廣泛用于研究河口/海岸及其鄰近海域不同時(shí)間尺度上懸浮顆粒物和沉積物的來(lái)源和動(dòng)態(tài)過(guò)程[13-14]。

來(lái)源于人為活動(dòng)排放的污染物（Pb、Se、Hg等）的大氣沉降可能是北極環(huán)境污染物的主要來(lái)源[15-16]，同時(shí)，大氣輸入的痕量金屬（Fe）對(duì)北極海域生物地球化學(xué)過(guò)程起著決定性作用[17]。開(kāi)展北冰洋大氣沉降中放射性核素活度水平及沉降通量的研究，有助于了解和研究大氣、表層水體中化學(xué)要素的停留時(shí)間、海氣交換通量等[16,18]。由于北冰洋的特殊地理位置及采樣難度，近年來(lái)，北冰洋7Be、210Po、210Pb大氣沉降數(shù)據(jù)的報(bào)道依然較少。Kadko等[16]利用放射性核素7Be示蹤北極地區(qū)大氣輸送路徑和沉降通量；Mezina等[19]對(duì)西伯利亞西部北極地區(qū)冬季降水中的7Be、210Pb和137Cs進(jìn)行分析，研究了雪水中懸浮顆粒物組分對(duì)放射性核素總含量的貢獻(xiàn)。本文利用中國(guó)第九次北極科學(xué)考察期間在短期冰站采集的表層積雪樣品，分析了北極表層積雪中7Be、210Po和210Pb的活度水平，揭示了其空間分布特征，為開(kāi)展北冰洋氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)、水體顆粒物輸送、沉積記錄等提供重要的基礎(chǔ)參數(shù)。

2 材料與方法

在2018年中國(guó)第九次北極科學(xué)考察期間，于北冰洋79°～85°N之間浮冰區(qū)進(jìn)行了表層積雪樣品采集，具體采樣站位圖如圖1所示。共采集表層積雪樣品8個(gè)（站位編號(hào)依次為Snow-01至Snow-08，以下簡(jiǎn)稱S01至S08），經(jīng)度在（165°±3°）W左右。北極的氣候特點(diǎn)是冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季短暫涼爽，且冬夏兩季都會(huì)經(jīng)歷極端的日照變化。樣品采集時(shí)間為8月中旬（8月10?23日），正處于北極的夏季，晝長(zhǎng)夜短。樣品采集區(qū)域處于高緯度地區(qū)79°N以上，平均氣溫更低。由于樣品采集區(qū)域處于極地高氣壓帶，氣候主要受極地東風(fēng)的影響，氣流由極地高壓區(qū)吹往副極地低壓區(qū)，獨(dú)特的地理位置讓北極很少受到周圍地區(qū)其他氣團(tuán)的影響。

圖1 北冰洋表層積雪采樣站位Fig. 1 Sampling locations of snow in the Arctic Ocean

現(xiàn)場(chǎng)用干凈的工兵鏟采集覆蓋于浮冰上層0～5 cm的表層積雪樣品于手提塑料桶中，帶回船上實(shí)驗(yàn)室。將樣品轉(zhuǎn)移到經(jīng)過(guò)預(yù)清潔的圓形塑料桶中，用2 mol/L HNO3沖洗手提塑料桶兩次，以將吸附在收集器壁上的7Be和210Pb除去，并將沖洗溶液與樣品合并。待積雪融化后，加入209Po溶液作為內(nèi)標(biāo)，同時(shí)加入穩(wěn)定的Pb和Be測(cè)定化學(xué)產(chǎn)率。根據(jù)樣品體積（每升）向樣品中加入已知量的FeCl3形式的Fe3+（5 mg），靜置，加入氨水將溶液的pH調(diào)節(jié)至8左右，使Fe(OH)3沉淀沉降，通過(guò)傾析和離心分離法分離上清液和沉淀物，收集沉淀物。

將沉淀物冷凍干燥并定量轉(zhuǎn)移到塑料測(cè)量盒（70 mm×35 mm）中，通過(guò)具有超低背景鉛屏蔽的HPGe伽馬射線探測(cè)器系統(tǒng)（35%相對(duì)效率，Canberra Be3830）測(cè)量樣品中210Pb和7Be的活度。探測(cè)器的能量范圍為10 keV至2 MeV。測(cè)量時(shí)間為6～24 h，210Pb和7Be活度分別通過(guò)46.5 keV（4.25%）和477.6 keV（10.5%）計(jì)算。效率校準(zhǔn)曲線由LabSOCS獲得，7Be的效率不確定度小于7%，210Pb的效率不確定度小于10%[20-21]。在測(cè)量之前，將殘余物冷凍干燥，通過(guò)電熱原子吸收光譜法（ET-AAS）分析Be和Pb以獲得化學(xué)效率[20]。

210Pb和7Be活度測(cè)量完成后，將沉淀溶解，通過(guò)鹽酸和氨水將溶液的pH調(diào)節(jié)到2左右，在90℃和160 r/min的條件下將Po核素自沉積到鎳片上。將鎳片放入α能譜儀（Canberra 7200-08）中測(cè)量209Po和210Po的活度，測(cè)量時(shí)間為24～48 h，209Po和210Po活度分別通過(guò)4883 keV（約100%）和5304 keV（約100%）計(jì)算，最終通過(guò)計(jì)算獲得采樣時(shí)刻的210Po活度。

3 結(jié)果與討論

3.1 北極表層冰雪中7Be、210Po、210Pb的比活度

從S01站點(diǎn)到S08站點(diǎn)，8月中旬北極表層冰雪中7Be、210Po、210Pb的比活度（每個(gè)站點(diǎn)不同核素的放射活度除以樣品體積）變化范圍（圖2），分別為33.6～632.68 mBq/L（平均值為262.2 mBq/L）、36.2～87.5 mBq/L（平均值為64.5 mBq/L）和30.9～194.49 mBq/L（平均值為81.1 mBq/L）。7Be的比活度隨緯度的增加而增加，表現(xiàn)出較為明顯的緯度效應(yīng)，7Be比活度的最大值出現(xiàn)在站點(diǎn)S08，為632.68 mBq/L；而210Po和210Pb的比活度隨著緯度的變化不明顯，但是其比活度最大值都出現(xiàn)在站點(diǎn)S05的位置，分為87.5 mBq/L和194.49 mBq/L。

圖2 北極表層雪中3種核素的比活度Fig. 2 The activity concentrations of three nuclides in the surface snow of the Arctic Ocean

3.2 7Be、210Po、210Pb的比活度隨緯度的變化

從圖3可以看出，7Be的比活度由北向南逐漸降低，說(shuō)明7Be與緯度有著一定的相關(guān)性。7Be是宇宙射線轟擊大氣中的氮或者氧產(chǎn)生的，由于地磁場(chǎng)的作用，南北極對(duì)宇宙射線的阻擋作用最弱，因此北極平流層產(chǎn)生的7Be比其他中、低緯度地區(qū)更多。因此，北冰洋積雪中7Be的活度隨著緯度的增高而增高，其中，太陽(yáng)輻射或宇宙射線起到了主導(dǎo)作用。

如圖3所示，本次采集的表層積雪中210Pb與緯度的變化關(guān)系不明顯。大氣中210Pb主要來(lái)自陸地土壤中222Rn的衰變。北極地區(qū)被冰面和海水覆蓋，因此北冰洋的表層積雪中210Pb活度偏低。本次采集的積雪樣品均處于北冰洋高緯度區(qū)域，并且緯度變化范圍較小，表層積雪中210Pb活度與緯度之間沒(méi)有明顯的關(guān)系。

圖3 210Po、210Pb和7Be的比活度隨著緯度變化的變化Fig. 3 Activity concentrations of 210Po, 210Pb and 7Be vs latitude

3.3 210Po-210Pb活度不平衡特征

表層積雪中210Po/210Pb的活度比值變化范圍（圖4）為0.70～1.48，平均值為0.93，其中S04（1.48）和S07（1.35）兩個(gè)站點(diǎn)的210Po/210Pb活度比值最高。其活度比的差異系數(shù)CV（CV為標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值）為95.1%。7Be/210Pb和7Be/210Po的活度比值范圍分別為0.53～8.21和0.68～10.03，平均值分別為3.46和3.85。7Be/210Pb和7Be/210Po的活度比值的差異系數(shù)分別是99.0%和102%。Baskaran和Shaw[22]分析了阿拉斯加州氣溶膠中的210Po/210Pb活度比值和7Be/210Pb活度比值，分別為0～0.177和2.2～14.0，其中210Po/210Pb比值與本研究差異較大，7Be/210Pb活度比值與本研究較為相近。

圖4 210Po/210Pb、7Be/210Pb和7Be/210Po的活度比值Fig. 4 Activity ratio of 210Po/210Pb, 7Be/210Pb and 7Be/210Po

大氣沉降中放射性核素的比值可以示蹤大氣氣溶膠的來(lái)源和停留時(shí)間[2,11,23]。大氣沉降中的210Po主要來(lái)源于210Pb的衰變，表層積雪中210Po、210Pb活度的變化趨勢(shì)基本一致（最小值出現(xiàn)在S03，最大值出現(xiàn)在S05），同時(shí)，7Be/210Pb和7Be/210Po的活度比值變化趨勢(shì)也基本一致。表層積雪中210Po/210Pb活度比值變化較小，整體接近1，表明210Po與210Pb活度已基本達(dá)到平衡。210Po和210Pb的分布與大氣的來(lái)源、輸送路徑等有關(guān)，其母體222Rn是由土壤中的238U經(jīng)過(guò)一系列衰變產(chǎn)生的，因此來(lái)自陸地氣團(tuán)中210Po、210Pb的活度較高[13,24]。北極大氣氣溶膠的主要來(lái)源是北美和歐亞大陸[25]，因此，本文研究區(qū)域中大氣210Po、210Pb主要來(lái)自于北美和歐亞大陸的遠(yuǎn)距離傳輸。另外，已有研究發(fā)現(xiàn)[26-27]，大氣氣溶膠中210Po/210Pb活度比值約為0.1，本文采集的是覆蓋在浮冰上的表層積雪樣品，因此表層積雪中210Po/210Pb活度比值高達(dá)0.70～1.48，基本接近平衡，因此可以推測(cè)，采集的積雪樣品年齡可能較“老”（通常210Po/210Pb活度比值從0.1增長(zhǎng)至0.95需要經(jīng)歷2 a左右的時(shí)間），新鮮降雪占比較少。

3.4 不同緯度地區(qū)的7Be、210Pb比活度

表1總結(jié)了世界各地不同經(jīng)緯度地區(qū)站點(diǎn)收集的7Be和210Pb比活度值。對(duì)比同在高緯度地區(qū)的格陵蘭島兩個(gè)站點(diǎn)降雪的7Be和210Pb比活度變化范圍，可以發(fā)現(xiàn)，北冰洋高緯度海區(qū)積雪中7Be的比活度上限（0.63 Bq/L）明顯低于格陵蘭島兩個(gè)站點(diǎn)積雪中7Be的活度（1.27 Bq/L和1.04 Bq/L），而210Pb的比活度上限（194 mBq/L）要略高于兩個(gè)站點(diǎn)（109 mBq/L和110 mBq/L）。北極和格陵蘭島都是極地東風(fēng)的影響區(qū)域，北極位于極地高壓帶，歐亞大陸和美洲大陸的氣壓較北極低，氣流上升，通過(guò)對(duì)流層上層通道進(jìn)入北極，在極地地區(qū)沉降下來(lái)，因此210Pb的濃度與同在高緯度的格陵蘭島基本相當(dāng)。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，北極地區(qū)的7Be比活度低于格陵蘭島，與7Be的緯度效應(yīng)相反；然而，此次北極地區(qū)7Be和210Pb的比活度校正到了采樣時(shí)刻，而非降雪時(shí)刻，因此該北極地區(qū)與格陵蘭島地區(qū)的對(duì)比并不能證明緯度效應(yīng)不存在。北極地區(qū)不同站位的7Be比活度數(shù)據(jù)結(jié)果與緯度效應(yīng)相符。

表1 不同地區(qū)的7Be和210Pb的沉降通量Table 1 Atmospheric deposition flux of 7Be and 210Pb at different area

其他的中緯度地區(qū)，兩種放射性核素的比活度變化上限都高于北極地區(qū)，與其他研究相符[19]。中緯度地區(qū)的大陸，210Pb是由從大陸擴(kuò)散進(jìn)入大氣的222Rn衰變產(chǎn)生的，北極主要被冰川和海水覆蓋，大陸區(qū)域低層大氣中222Rn的比活度高于北極地區(qū)大氣層中222Rn的比活度，因此，大陸地區(qū)大氣沉降中的210Pb濃度比北極地區(qū)高。Schell[37]總結(jié)海洋大氣210Pb沉降通量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，北半球210Pb沉降通量隨緯度增加先升高后降低，本文采集的北極積雪210Pb活度也符合這個(gè)規(guī)律。

據(jù)研究，大氣濕沉降是大氣中去除7Be的主要方式。雖然北極大氣中的7Be比活度比中緯度地區(qū)的氣溶膠中的要高，但是極地地區(qū)的降水量遠(yuǎn)小于中緯度地區(qū)，因此中緯度地區(qū)的濕沉降要多于北極地區(qū)，大氣沉降中7Be的比活度也會(huì)比極地地區(qū)要高。本研究中，降雪中的7Be濃度被校正到采集時(shí)刻，但還未被校正到降雪時(shí)刻，由于7Be的半衰期只有53.3 d，這段時(shí)間內(nèi)衰變的7Be也會(huì)對(duì)結(jié)果造成誤差，使得實(shí)測(cè)值偏小。由于無(wú)法得知北極地區(qū)乃至北冰洋地區(qū)的降雨量，因此本文暫時(shí)無(wú)法評(píng)估北極地區(qū)7Be和210Pb等的大氣沉降通量。

4 結(jié)論

本文分析了2018年中國(guó)第九次北極科學(xué)考察期間北冰洋高緯度地區(qū)表層降雪的7Be、210Po、210Pb比活度隨緯度的變化情況，主要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）北極表層冰雪中7Be、210Po和210Pb的比活度不全隨緯度的變化而變化。在79°N以北，7Be的比活度隨緯度的上升呈指數(shù)性增長(zhǎng)（最大值為632.68 mBq/L）；而研究區(qū)域內(nèi)，210Pb、210Po的比活度與緯度的相關(guān)性不大，隨緯度的上升無(wú)明顯變化。

（2）北冰洋高緯度地區(qū)表層冰雪中210Po/210Pb活度比值接近1，說(shuō)明北冰洋夏季表層冰雪年齡較“老”，210Po/210Pb活度比值可以用來(lái)區(qū)分冰雪的新舊。

（3）緯度越高的地區(qū)平流層受到的太陽(yáng)輻射就越強(qiáng)烈，而太陽(yáng)輻射是7Be的主要產(chǎn)生來(lái)源，這導(dǎo)致了7Be在高緯度地區(qū)富集。北冰洋沒(méi)有大陸，地表被海冰覆蓋，因此北冰洋高緯度地區(qū)表層積雪中210Po、210Pb的比活度偏低。

致謝：感謝自然資源部極地考察業(yè)務(wù)化與科研項(xiàng)目的支持；感謝“雪龍”船及其相關(guān)工作人員提供的科考保障；感謝第九次北極科學(xué)考察張飛、鞠茂偉、王俊及其他隊(duì)友在冰站冰雪樣品采集中的幫助；感謝華東師范大學(xué)杜金洲教授及RIC組成員在樣品分析中提供的技術(shù)支持。