劉楚越，鐘強強，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)境安全評估實驗室，福建 廈門 361005)

1 引言

北極對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80年代以來，由于北極周邊國家的工業(yè)排放，北冰洋上空的對流層中污染物濃度逐年增加，對北極生態(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，一些國際全球變化研究計劃——世界氣候研究計劃、北極氣候系統(tǒng)研究、北極系統(tǒng)科學(xué)研究等均對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種來源：（1）通過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）來源于陸地的天然放射性核素（210Pb、210Bi、210Po等）；（3）人類核活動產(chǎn)生的人工放射性核素[2]。7Be和210Pb具有不同的來源，在它們產(chǎn)生之后的很短時間內(nèi)，就會迅速附著在氣溶膠顆粒上，并通過大氣干、濕沉降到達地球表面。兩種核素都可以用于研究不同時間尺度上的大氣過程和地球表面過程[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)）到達對流層，在其他季節(jié)幾乎不會到達對流層。原因在于，在中、高緯度地區(qū)，春季時平流層大氣受到對流層大氣流動的侵擾，其中大量的7Be和其他宇生放射性核素則會從平流層運輸?shù)綄α鲗覽6]。

大氣中的210Pb（T1/2=22.1 a）主要來自于陸地表面222Rn釋放進入大氣后的放射性衰變[7]。由于離地面越遠，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的主要清除機制是通過降水沖刷沉降。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，由于對流層氣溶膠停（滯）留時間較短，由210Pb衰變生成的210Po難以與母體210Pb達到放射性平衡，因此運用210Po/210Pb比值可以反推大氣氣溶膠的停留時間，而停留時間可以用于示蹤研究大氣污染物的擴散與遷移[9-11]。

由于210Pb主要存在于對流層底層，7Be產(chǎn)于平流層和對流層高層，因此它們被廣泛用于研究氣團的混合、運輸途徑以及判斷氣溶膠的來源[12]。此外，大氣中的7Be/210Pb活度比可用作研究大氣中垂直運輸路徑的工具。隨大氣沉降到達地表后，兩種放射性核素都被顆粒物迅速吸附，到達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?；钚院怂兀?Be、210Pb和210Po已被廣泛用于研究河口/海岸及其鄰近海域不同時間尺度上懸浮顆粒物和沉積物的來源和動態(tài)過程[13-14]。

來源于人為活動排放的污染物（Pb、Se、Hg等）的大氣沉降可能是北極環(huán)境污染物的主要來源[15-16]，同時，大氣輸入的痕量金屬（Fe）對北極海域生物地球化學(xué)過程起著決定性作用[17]。開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，北冰洋7Be、210Po、210Pb大氣沉降數(shù)據(jù)的報道依然較少。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]對西伯利亞西部北極地區(qū)冬季降水中的7Be、210Pb和137Cs進行分析，研究了雪水中懸浮顆粒物組分對放射性核素總含量的貢獻。本文利用中國第九次北極科學(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，為開展北冰洋氣團運動、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（站位編號依次為Snow-01至Snow-08，以下簡稱S01至S08），經(jīng)度在（165°±3°）W左右。北極的氣候特點是冬季寒冷漫長，夏季短暫涼爽，且冬夏兩季都會經(jīng)歷極端的日照變化。樣品采集時間為8月中旬（8月10?23日），正處于北極的夏季，晝長夜短。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的影響，氣流由極地高壓區(qū)吹往副極地低壓區(qū)，獨特的地理位置讓北極很少受到周圍地區(qū)其他氣團的影響。

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，帶回船上實驗室。將樣品轉(zhuǎn)移到經(jīng)過預(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，同時加入穩(wěn)定的Pb和Be測定化學(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)移到塑料測量盒（70 mm×35 mm）中，通過具有超低背景鉛屏蔽的HPGe伽馬射線探測器系統(tǒng)（35%相對效率，Canberra Be3830）測量樣品中210Pb和7Be的活度。探測器的能量范圍為10 keV至2 MeV。測量時間為6～24 h，210Pb和7Be活度分別通過46.5 keV（4.25%）和477.6 keV（10.5%）計算。效率校準曲線由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]。在測量之前，將殘余物冷凍干燥，通過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活度測量完成后，將沉淀溶解，通過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）中測量209Po和210Po的活度，測量時間為24～48 h，209Po和210Po活度分別通過4883 keV（約100%）和5304 keV（約100%）計算，最終通過計算獲得采樣時刻的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站點到S08站點，8月中旬北極表層冰雪中7Be、210Po、210Pb的比活度（每個站點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，由于地磁場的作用，南北極對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）兩個站點的210Po/210Pb活度比值最高。其活度比的差異系數(shù)CV（CV為標準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源和停留時間[2,11,23]。大氣沉降中的210Po主要來源于210Pb的衰變，表層積雪中210Po、210Pb活度的變化趨勢基本一致（最小值出現(xiàn)在S03，最大值出現(xiàn)在S05），同時，7Be/210Pb和7Be/210Po的活度比值變化趨勢也基本一致。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活度已基本達到平衡。210Po和210Pb的分布與大氣的來源、輸送路徑等有關(guān)，其母體222Rn是由土壤中的238U經(jīng)過一系列衰變產(chǎn)生的，因此來自陸地氣團中210Po、210Pb的活度較高[13,24]。北極大氣氣溶膠的主要來源是北美和歐亞大陸[25]，因此，本文研究區(qū)域中大氣210Po、210Pb主要來自于北美和歐亞大陸的遠距離傳輸。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0.70～1.48，基本接近平衡，因此可以推測，采集的積雪樣品年齡可能較“老”（通常210Po/210Pb活度比值從0.1增長至0.95需要經(jīng)歷2 a左右的時間），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)站點收集的7Be和210Pb比活度值。對比同在高緯度地區(qū)的格陵蘭島兩個站點降雪的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站點積雪中7Be的活度（1.27 Bq/L和1.04 Bq/L），而210Pb的比活度上限（194 mBq/L）要略高于兩個站點（109 mBq/L和110 mBq/L）。北極和格陵蘭島都是極地東風的影響區(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，通過對流層上層通道進入北極，在極地地區(qū)沉降下來，因此210Pb的濃度與同在高緯度的格陵蘭島基本相當。從數(shù)據(jù)上來看，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刻，而非降雪時刻，因此該北極地區(qū)與格陵蘭島地區(qū)的對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是由從大陸擴散進入大氣的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刻，但還未被校正到降雪時刻，由于7Be的半衰期只有53.3 d，這段時間內(nèi)衰變的7Be也會對結(jié)果造成誤差，使得實測值偏小。由于無法得知北極地區(qū)乃至北冰洋地區(qū)的降雨量，因此本文暫時無法評估北極地區(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（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，說明北冰洋夏季表層冰雪年齡較“老”，210Po/210Pb活度比值可以用來區(qū)分冰雪的新舊。

（3）緯度越高的地區(qū)平流層受到的太陽輻射就越強烈，而太陽輻射是7Be的主要產(chǎn)生來源，這導(dǎo)致了7Be在高緯度地區(qū)富集。北冰洋沒有大陸，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。