放射性同位素在大气示踪中的应用.doc

放射性同位素在大气示踪中的应用原子核自发地放射出各种射线的现象称为放射性,能发生这种自发转变的核素称为放射性核素,或放射性同位素。把放射性同位素的原子掺到其它物质中去,让它们一起运动、迁移,再用放射线探测仪器进行追踪,就可以知道放射线原子的运动路径、现状和趋势,从而可以了解某些不易察明的情况或规律。 人们把用于这种用途的放射性同位素的原子称为示踪原子。本文主要介绍自然大气中的放射性核素14C、210 Pb、7Be的源与汇以及在大气示踪中的应用。大气中放射性核素的源与汇14C的源与汇天然14C是在大气层上部，宇宙射线产生中子（n）与大气中的氮核（14N）发生核反应的产物，其反应式为：14N+n14C+1H。天然14C产生后在几小时内至几天内快速氧化成二氧化碳（14CO2），在大气同温层风作用下与原有的非放射性CO2充分混合后，扩散到整个地球大气层中，以14C标记的CO2在到达地球表面时已相当充分地混合。大气层中CO2通过与溶解于海中的CO2交换，天然14C被海洋吸收；通过植物光合作用，动物对植物碳的吸收等，天然14C成为生物圈的一部分而被汇集。7Be的源与汇7Be 是Be 众多的同位素家族(6Be、7Be、8Be、9Be和10Be) 中的一种,质子和中子数分别是4 和3 ,半衰期为53144d。7Be 来源于大气层顶部的宇宙射线中高能粒子(主要是中子) 的碰并反应,反应式为: 3He+ 4He 7Be +。7Be 原子一旦形成,很快被吸附在亚微米尺度的气溶胶( 粒子直径一般为0.3 0.4m) 上,一方面通过衰变产生锂(7Li) 而损失,另一方面随着大气中气溶胶的沉降过程而被清除 。210Pb的源与汇210Pb 是近20 种Pb 同位素中的一种,元素周期表序数是82 ,中子数为128 ,半衰期为22126a ,为衰变。210Pb是由地表释放到近地层大气中的氡-222 (222Rn) 经过5 级衰变产生的,其衰变系列为:222Rn 218 Po 214 Pb 214 Bi 214 Po 210Pb。由于210Pb 是通过镭衰变而来的,早期工作中也常被称之为Radium-D 。222Rn 是地壳所释放的一种具有放射性的惰性气体,半衰期为3128d。由于水体的迟滞作用,222Rn 的土壤排放通量一般是海洋的100 倍,因此210Pb 主要产生于内陆地区的对流层内 。和7Be 一样, 210 Pb 一旦形成以后,也被大气中的亚微米级气溶胶吸附 。210 Pb 的汇与7Be一样,也是通过沉降,主要是干、湿沉降进入地表沉积。放射性核素在大气示踪研究中的应用碳-14在大气示踪中的应用“弹-14”形成于大气高层，平流层气流缓慢，其14C滞留时间较长，进入对流层后迅速扩散，“弹-14”是研究大气边界层变化的良好指示剂。大气环流和南、北半球之间的大气混合的时间很短一般采用半衰期更短的85Kr以及CFCs等。除此以外，大气中天然的14C变化是气候变化的标志，通过测量泥炭和树轮中的14C的活度，经过13C校正后直接得出大气14C变化规律，气候变化是影响大气14C浓度的因素之一，地磁场强度和太阳活动也可以直接影响到大气14C的产率，而地磁场和太阳活动的变化与全球气候变化有着密不可分的关系。因此，大气14C变化可为晚更新世全新世的气候变化提供大量的信息。7Be 和210Pb 的示踪原理天然放射性核素的源汇过程是决定其在大气浓度分布的基本因素,同时也是开展示踪研究大气输送过程的基础。大气中约67 %的7Be 主要分布在对流层上层和平流层下层高度范围,最大生成速率出现在高度约12km 的位置,随着高度的降低,7Be 产生率近似呈指数下降。在对流层低层,由于强烈的大气动力输送,尤其是干、湿沉降过程,含7Be 的气溶胶能较快地沉降到地表使对流层大气中7Be 的浓度很低。因此, 7Be 常被用作研究平流层对流层交换(STE) 过程的有力工具。高浓度的7Be 往往指示着气团源于高层大气的向下输送。210Pb 源于地表排放。随着210 Pb 被气溶胶吸附后,210Pb 在大气中输送,并最终经干、湿沉降而被清除。由于210Pb 的半衰期长达20 余年,比对流层中气溶胶的平均停留时间要长得多,因此对流层的210Pb 几乎都经干、湿沉降而被清除,而放射性衰变对其清除的贡献很小。在222Rn 源已知的情况下,210Pb 的大气浓度数据可作为评估大气气溶胶沉降/ 清除过程的示踪物质。在实际的工作中,既可以单独使用7Be 或210 Pb , 也可以将两者结合起来使用,以获得有关大气输送、沉降的完整信息。由于7Be 和210 Pb 源分布的差异,可以把含低7Be、高210Pb 的特征气团作为来自于地表排放源的示踪物;而高7Be 、低210 Pb 则是来自于高层大气向下输送的示踪物。但是这种简单的示踪尽管在很多观测个例中取得了较为满意的结果,但实际上由于7Be 或210Pb 所附着的气溶胶粒子还受到对流层复杂的动力过程的影响,因此,理想的示踪研究是将两者结合起来。若对两种核素同时进行测量,同时增加有关的大气化学成分的观测,则可为诊断大气动力输送过程提供强有力的示踪工具。最简单地考虑是用7Be/ 210 Pb 比率来诊断大气的动力输送过程。若将地表臭氧的浓度变化与放射性核素7Be 、210 Pb 随时间的变化同时比较,则可简单、定性地估计平流层输送或局地光化学反应对地表臭氧浓度的贡献。考虑到大气中的7Be 和210Pb 都被气溶胶所携带,并都受到相同的湿清除的影响,而湿清除对臭氧的贡献比对两种同位素而言又要小得多了,因此,Grausten提出能消除湿清除影响的所谓标准化函数的概念,能更有效地估算平流层O3的贡献。标准化函数f 定义为:f (7Be ,210Pb) =(7Be)/(7Be) + n (210Pb)其中(7Be) 和(210Pb) 代表单位体积空气中相应核素的浓度, n 近似等于采样系列中(7Be) 的标准偏差和(210Pb) 的标准偏差之比。高的f (7Be ,210Pb) 值表明O3 主要来自上层大气,而低值则意味着O3 来自大陆边界层,这比单独地使用一个核素进行动力过程的示踪更有说服力。另一个比较灵敏的示踪手段是结合7Be 和10Be(也是由高能核反应形成的宇生核素,半衰期为217106a ,主要通过湿清除从大气中移出,而其在大气中的衰变作用可忽略) 。用10Be/ 7Be 浓度比值