放射性同位素在大气示踪中的应用

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C、的源与汇以及在大气示踪中的

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Pb、Be

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应用。

大气中放射性核素的源与汇

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C的源与汇

天然C是在大气层上部，宇宙射线产生中子（n）与大气中的氮核（N）发生核反应

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的产物，其反应式为：N+n→C+H。天然C产生后在几小时内至几天内快速氧化成二氧

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化碳（CO），在大气同温层风作用下与原有的非放射性CO充分混合后，扩散到整个地

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球大气层中，以C标记的CO在到达地球表面时已相当充分地混合。大气层中CO通过与溶

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解于海中的CO交换，天然C被海洋吸收；通过植物光合作用，动物对植物碳的吸收等，

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天然C成为生物圈的一部分而被汇集。

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Be的源与汇

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Be 是Be 众多的同位素家族(Be、Be、Be、Be和Be) 中的一种,质子和中子数分

别是4 和3 ,半衰期为53144d。Be 来源于大气层顶部的宇宙射线中高能粒子(主要是中子)

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的碰并反应,反应式为: He+ He →Be +γ。Be 原子一旦形成,很快被吸附在亚微米尺度

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的气溶胶( 粒子直径一般为0.3 ～0.4μm) 上,一方面通过γ衰变产生锂(Li) 而损失,另

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一方面随着大气中气溶胶的沉降过程而被清除 。

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Pb的源与汇

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Pb 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γ衰变。Pb是由地表释放到近地层大气中的氡-222 (Rn) 经过5 级衰变产

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生的,其衰变系列为:Rn → Po→ →Pb →Bi → Po→Pb。由于Pb 是通

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αα ββα

过镭衰变而来的,早期工作中也常被称之为Radium-D 。Rn 是地壳所释放的一种具有放射

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性的惰性气体,半衰期为3128d。由于水体的迟滞作用,Rn 的土壤排放通量一般是海洋的

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100 倍,因此Pb 主要产生于内陆地区的对流层内 。和Be 一样, Pb 一旦形成以后,

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也被大气中的亚微米级气溶胶吸附 。 Pb 的汇与Be一样,也是通过沉降,主要是干、湿沉

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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C滞留时间较长，进入对流层后迅速

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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Kr以及CFCs等。除此以外，大气中天然的△C变

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化是气候变化的标志，通过测量泥炭和树轮中的C的活度，经过δC校正后直接得出大气

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△C变化规律，气候变化是影响大气C浓度的因素之一，地磁场强度和太阳活动也可以直

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接影响到大气C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。

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因此，大气△C变化可为晚更新世—全新世的气候变化提供大量的信息。

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Be 和Pb 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Be 主要分布在对流层上层和平流层下层高度范围,

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最大生成速率出现在高度约12km 的位置,随着高度的降低,Be 产生率近似呈指数下降。在

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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Be 的气溶胶能较快地沉降

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到地表使对流层大气中Be 的浓度很低。因此, Be 常被用作研究平流层—对流层交换(STE)

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过程的有力工具。高浓度的Be 往往指示着气团源于高层大气的向下输送。

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Pb 源于地表排放。随着 Pb 被气溶胶吸附后,Pb 在大气中输送,并最终经干、湿

沉降而被清除。由于Pb 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

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多,因此对流层的Pb 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。

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在Rn 源已知的情况下,Pb 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

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踪物质。

在实际的工作中,既可以单独使用Be 或 Pb , 也可以将两者结合起来使用,以获得有

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关大气输送、沉降的完整信息。由于Be 和 Pb 源分布的差异,可以把含低Be、高Pb 的

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特征气团作为来自于地表排放源的示踪物;而高Be 、低Pb 则是来自于高层大气向下输送

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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Be 或Pb 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

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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Be/ 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

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化与放射性核素Be 、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

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地光化学反应对地表臭氧浓度的贡献。考虑到大气中的Be 和Pb 都被气溶胶所携带,并都

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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O

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的贡献。标准化函数f 定义为:

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

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其中(Be) 和(Pb) 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(Be) 的

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标准偏差和(Pb) 的标准偏差之比。高的f (Be ,Pb) 值表明O3 主要来自上层大气,而低值

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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Be 和Be(也是由高能核反应形成的宇生核素,半衰

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期为217×106a ,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Be/

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Be 浓度比值也比单独用Be 或 Pb 来测量平流层的输入更敏感、更可靠。这种手段是通

过研究Be/Be 比值而推测空气团的起源及在大气中的停留时间,但在实际的观测中,同时

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普遍地测定Be、 Be 是比较困难的。通常选择仍是测定Be 和Pb 来示踪大气的动力输

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送过程。