放射性同位素在大氣示蹤中的應(yīng)用

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1、放射性同位素在大氣示蹤中的應(yīng)用　原子核自發(fā)地放射出各種射線的現(xiàn)象稱為放射性,能發(fā)生這種自發(fā)轉(zhuǎn)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(zhì)中去,讓它們一起運(yùn)動(dòng)、遷移,再用放射線探測(cè)儀器進(jìn)行追蹤,就可以知道放射線原子的運(yùn)動(dòng)路徑、現(xiàn)狀和趨勢(shì),從而可以了解某些不易察明的情況或規(guī)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14C、210Pb、7Be的源與匯以及在大氣示蹤中的應(yīng)用。大氣中放射性核素的源與匯14C的源與匯天然14C是在大氣層上部，宇宙射線產(chǎn)生中子（n）與大氣中的氮核（14N）發(fā)生核反應(yīng)的產(chǎn)物，其反應(yīng)式為：1

2、4N+n→14C+1H。天然14C產(chǎn)生后在幾小時(shí)內(nèi)至幾天內(nèi)快速氧化成二氧化碳（14CO2），在大氣同溫層風(fēng)作用下與原有的非放射性CO2充分混合后，擴(kuò)散到整個(gè)地球大氣層中，以14C標(biāo)記的CO2在到達(dá)地球表面時(shí)已相當(dāng)充分地混合。大氣層中CO2通過與溶解于海中的CO2交換，天然14C被海洋吸收；通過植物光合作用，動(dòng)物對(duì)植物碳的吸收等，天然14C成為生物圈的一部分而被匯集。7Be的源與匯7Be是Be眾多的同位素家族(6Be、7Be、8Be、9Be和10Be)中的一種,質(zhì)子和中子數(shù)分別是4和3,半衰期為53144d。7Be來源于大氣層頂部的宇宙射線中高能粒子(主要是中子)的碰并反應(yīng),反應(yīng)式為

3、:3He+4He→7Be+γ。7Be原子一旦形成,很快被吸附在亞微米尺度的氣溶膠(粒子直徑一般為0.3～0.4μm)上,一方面通過γ衰變產(chǎn)生鋰(7Li)而損失,另一方面隨著大氣中氣溶膠的沉降過程而被清除。210Pb的源與匯210Pb是近20種Pb同位素中的一種,元素周期表序數(shù)是82,中子數(shù)為128,半衰期為22126a,為γ衰變。210Pb是由地表釋放到近地層大氣中的氡-222(222Rn)經(jīng)過5級(jí)衰變產(chǎn)生的,其衰變系列為:222Rnα→218Poα→214→Pbβ→214Biβ→214Poα→210Pb。由于210Pb是通過鐳衰變而來的,早期工作中也常被稱之為Radium-D。2

4、22Rn是地殼所釋放的一種具有放射性的惰性氣體,半衰期為3128d。由于水體的遲滯作用,222Rn的土壤排放通量一般是海洋的100倍,因此210Pb主要產(chǎn)生于內(nèi)陸地區(qū)的對(duì)流層內(nèi)。和7Be一樣,210Pb一旦形成以后,也被大氣中的亞微米級(jí)氣溶膠吸附。210Pb的匯與7Be一樣,也是通過沉降,主要是干、濕沉降進(jìn)入地表沉積。放射性核素在大氣示蹤研究中的應(yīng)用碳-14在大氣示蹤中的應(yīng)用“彈-14”形成于大氣高層，平流層氣流緩慢，其14C滯留時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)入對(duì)流層后迅速擴(kuò)散，“彈-14”是研究大氣邊界層變化的良好指示劑。大氣環(huán)流和南、北半球之間的大氣混合的時(shí)間很短一般采用半衰期更短的85Kr以及

5、CFCs等。除此以外，大氣中天然的△14C變化是氣候變化的標(biāo)志，通過測(cè)量泥炭和樹輪中的14C的活度，經(jīng)過δ13C校正后直接得出大氣△14C變化規(guī)律，氣候變化是影響大氣14C濃度的因素之一，地磁場(chǎng)強(qiáng)度和太陽活動(dòng)也可以直接影響到大氣14C的產(chǎn)率，而地磁場(chǎng)和太陽活動(dòng)的變化與全球氣候變化有著密不可分的關(guān)系。因此，大氣△14C變化可為晚更新世—全新世的氣候變化提供大量的信息。7Be和210Pb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(shí)也是開展示蹤研究大氣輸送過程的基礎(chǔ)。大氣中約67%的7Be主要分布在對(duì)流層上層和平流層下層高度范圍,最大生成速率出現(xiàn)在高度約12k

6、m的位置,隨著高度的降低,7Be產(chǎn)生率近似呈指數(shù)下降。在對(duì)流層低層,由于強(qiáng)烈的大氣動(dòng)力輸送,尤其是干、濕沉降過程,含7Be的氣溶膠能較快地沉降到地表使對(duì)流層大氣中7Be的濃度很低。因此,7Be常被用作研究平流層—對(duì)流層交換(STE)過程的有力工具。高濃度的7Be往往指示著氣團(tuán)源于高層大氣的向下輸送。210Pb源于地表排放。隨著210Pb被氣溶膠吸附后,210Pb在大氣中輸送,并最終經(jīng)干、濕沉降而被清除。由于210Pb的半衰期長(zhǎng)達(dá)20余年,比對(duì)流層中氣溶膠的平均停留時(shí)間要長(zhǎng)得多,因此對(duì)流層的210Pb幾乎都經(jīng)干、濕沉降而被清除,而放射性衰變對(duì)其清除的貢獻(xiàn)很小。在222Rn源已知的情況

7、下,210Pb的大氣濃度數(shù)據(jù)可作為評(píng)估大氣氣溶膠沉降/清除過程的示蹤物質(zhì)。在實(shí)際的工作中,既可以單獨(dú)使用7Be或210Pb,也可以將兩者結(jié)合起來使用,以獲得有關(guān)大氣輸送、沉降的完整信息。由于7Be和210Pb源分布的差異,可以把含低7Be、高210Pb的特征氣團(tuán)作為來自于地表排放源的示蹤物;而高7Be、低210Pb則是來自于高層大氣向下輸送的示蹤物。但是這種簡(jiǎn)單的示蹤盡管在很多觀測(cè)個(gè)例中取得了較為滿意的結(jié)果,但實(shí)際上由于7Be或210Pb所附著的氣溶膠粒子還受到對(duì)流層