Zephyrnet-logotyp

Fångad i is: de förvånansvärt höga halterna av konstgjorda radioaktiva isotoper som finns i glaciärer – Physics World

Datum:

Glaciärer ackumulerar betydande mängder nedfallsradionuklider från kärnkraftsolyckor och vapenprovningar – ibland i de högsta radioaktiva koncentrationerna som någonsin hittats utanför kärnvapenexklusionszoner och testplatser. Michael Allen gräver i djupet av denna oväntade fråga och de tillhörande riskerna när glaciärer smälter

Tänk på glaciärer och bilder av stora, orörda isplattor, täckande delar av Arktis och Antarktis kommer att tänka på. Även om det är sant att 99% av isisen är begränsad till polarområdena på vår planet, finns glaciärer också i bergskedjor på nästan alla kontinenter, som täcker nästan 10% av jordens landyta. Glaciäris är också den största reservoaren av sötvatten på vår planet – och rymmer nästan 69 % av världens sötvatten.

Trots att de framstår som silverglänsande orörda floder av is på bilder, innehåller glaciärer många organiska avlagringar, såsom damm och mikrober. Men forskare finner att de också omfattar en oroande mängd giftigt kärnmaterial, och vi börjar först nu förstå riskerna när glaciärer smälter.

"För några av dessa glaciärer som har utvärderats, särskilt de i de europeiska alperna och andra delar av Europa, är koncentrationerna av några av dessa nedfallsradionuklider lika höga som vi har registrerat dem i katastrofzoner som Tjernobyl eller Fukushima område i Japan”, förklarar Philip Owens, en miljöforskare vid University of Northern British Columbia, i Kanada.

Damm, smuts, mikrober

På nära håll är glaciärer inte helt vita. De ser ofta gråa och smutsiga ut, till och med svarta på sina ställen, tack vare avlagringar. Känd som kryokonit, detta mörka, fina sediment som bildas på glaciala ytor består av damm, smuts och sot, samt små stenar och mineralpartiklar. Det härstammar från en mängd olika platser, inklusive de lokala omgivningarna som väderbitna stenar och exponerad mark nära glaciären – men också från avlägsna källor som öknar och torr mark, skogsbränder och förbränningsmotorer. 

Dessa material transporteras till glaciärer genom olika processer såsom vind, regn, atmosfäriska cirkulationer och antropogena aktiviteter och djuraktiviteter. Eftersom denna kryokonit är mörk till färgen värms den upp i solen och smälter isen, vilket skapar vattenfyllda fördjupningar. Dessa hål blir sedan fällor för mer material, vilket gör att större samlingar av kryokonit bildas.

kryokonitprovhål

Cryoconite är också full av organiska material som alger, svampar, bakterier och andra mikrober. När dessa samlas, växer och förökar sig på sedimentet börjar de bilda en betydande del av kryokonitmassan. Det organiska materialet producerar också klibbiga biofilmer, som hjälper mikroberna att hålla sig till sedimentet och varandra, och bilda samhällen, vilket hjälper samlingar av kryokonit att växa ytterligare.

Men kryokonit är inte bara stenar, damm, smuts och mikrober. Forskning har visat att den också är full av många olika antropogena föroreningar, inklusive tungmetaller, bekämpningsmedel, mikroplaster och antibiotika. Liksom de mer naturliga komponenterna, fångas även dessa av de vattniga fördjupningarna och klibbiga biofilmer, som binder till damm och mineraler i sedimentet.

Långtgående radioaktivt nedfall

På senare år har det blivit tydligt att kryokonit ofta är full av en annan ganska oväntad förorening – kärnämne i form av ”nedfallsradionuklider” (FRN). Tester visade att koncentrationerna av dessa konstgjorda radionuklider avsevärt överstiger koncentrationerna i andra terrestra miljöer. Vissa av dessa sediment är faktiskt de mest radioaktiva som någonsin hittats utanför kärnvapenexklusionszoner och testplatser.

Karta över var prover togs och radioaktivt material registrerats

Det har varit känt ett tag att glaciärernas ytor kan ha ovanligt höga nivåer av radioaktivitet. Under de senaste åren har forskare undersökt frågan mer i detalj. Enligt glaciologen Caroline Clason från Durham University, i Storbritannien är koncentrationen av radioaktivitet som ses i kryokonit ibland "två eller till och med tre storleksordningar högre än vi skulle hitta i andra typer av miljömatriser, som sediment och jordar, lavar och mossor som vi hittar i olika delar av värld".

2017 upptäckte Clason och kollegor att halterna av nedfall av radionuklider i kryokonit från Isfallsglaciären-glaciären i det arktiska Sverige var upp till 100 gånger högre än i material som samlats in i dalen runt glaciären (figur 1). Koncentrationer av den radioaktiva isotopen cesium-137 (137Cs) var så höga som 4500 becquerel per kilogram (Bq/kg), med genomsnittliga nivåer på cirka 3000 Bq/kg (TC 15 5151). "Det är helt otroligt hur mycket [radioaktivitet] materialet på glaciärens yta har lyckats ackumulera", säger Clason. "Mycket mer än vi ser i resten av miljön på samma plats."

2018 visade sig kryokonit på en norsk glaciär vara ännu mer radioaktiv (Sci. Parvel. Env. 814 152656). Prover, insamlade av ett team som leds av Edyta Łokas, en jordforskare vid Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin, från 12 kryokonithål på Blåisenglaciären avslöjade koncentrationer av 137Cs så hög som 25,000 18,000 Bq/kg, med en genomsnittlig nivå på cirka XNUMX XNUMX Bq/kg. Nivåer av 137Cs i jordar och sediment är vanligtvis mellan 0.5 och 600 Bq/kg (Sci. Rep. 7 9623).

Tjernobyls förorening

De konstgjorda radionukliderna 137Cs och cesium-134 (134Cs) är klyvningsprodukter som produceras genom klyvning av uran-235 i kärnkraftsreaktorer och vissa kärnvapen. De flesta av cesiumisotoperna på de norska och svenska glaciärerna härstammar från kärnkraftsolyckan i Tjernobyl, men det finns också nedfall från de hundratals atmosfäriska kärnvapenprov som genomfördes i mitten av 20-talet.

Ökänd som den värsta katastrofen i kärnkraftsproduktionens historia Tjernobyl-incidenten ägde rum den 26 april 1986 under ett lågeffektstest av nummer fyra-reaktorn vid kärnkraftverket i Tjernobyl, som då låg i Sovjetunionen. Testet orsakade en explosion och brand som förstörde reaktorbyggnaden, och den katastrofala incidenten frigjorde en betydande mängd radioaktivt material, inklusive isotoper av plutonium, jod, strontium och cesium. Det mesta av detta föll i omedelbar närhet av kärnkraftverket och stora områden av det som nu är Ukraina, Vitryssland och Ryssland, men atmosfäriska cirkulationer, såväl som vind- och stormmönster, spred det också över stora delar av det norra halvklotet.

Vädermönster dumpade en stor del av det radioaktiva nedfallet från Tjernobyl i Skandinavien. Norge beräknas ha fått cirka 6 % av de 137Cs och 134Cs utsläppt från kärnkraftverket. Isotoperna fördes till landet av en sydostlig vind och avsattes under nederbörd dagarna efter kärnkraftskatastrofen.

Cesiumet kom sedan in i näringskedjan, eftersom det togs upp av växter, lavar och svampar, som åts av betande djur som renar och får. Under åren efter katastrofen hade stora mängder kött, mjölk och ost från renar och får i Norge och Sverige halter av cesiumisotop som kraftigt överskred myndigheternas gränsvärden. Dessa livsmedel testas fortfarande regelbundet.

Det var också betydande nedfall från Tjernobyl i de österrikiska alperna, med kraftiga regn under dagarna efter katastrofen som ledde till mycket höga nivåer av förorening i vissa områden. En undersökning från 2009 av glaciärerna Hallstätter och Schladminger i norra Österrike fann koncentrationer av 137Cs i kryokonit från 1700 Bq/kg till 140,000 XNUMX Bq/kg (J. Env. Rad. 100 590).

Vind, regn, eld och mer

Det verkar finnas flera anledningar till varför kryokonit ackumulerar radionuklider och blir så radioaktivt. Radioaktivt material transporteras genom atmosfären av vindar och globala cirkulationsmönster. Det tvättas sedan ut ur atmosfären genom nederbörd, vilket är känt för att vara särskilt effektivt för att samla upp partiklar och få ner det till marken. Dessutom tenderar nivåerna av regn, snöfall och dimma att vara höga i bergs- och polarområdena som hyser glaciärer.

Mycket torrt material, från fenomen som skogsbränder och dammstormar, dumpas också i glaciala miljöer. Detta damm, sot och liknande material färdas via atmosfärisk cirkulation, men när det gör det börjar det binda ihop och ta bort annat material från atmosfären – inklusive föroreningar som radionuklider – tills det blir för tungt och faller till marken.

Diagram över hur radionuklider kommer in i glaciärer

När radionuklider och andra föroreningar väl finns i den glaciala miljön, flyttas de runt genom hydrologiska processer. Under varmare delar av året smälter snöpackning och is i ett glaciäravrinningsområde, tillsammans med delar av själva glaciären. Detta smältvatten rinner på och över glaciären och tar med sig föroreningar som radionuklider som lagrats i snö och is. När vattnet rinner genom kanaler och hål över glaciären, filtreras det av kryokonit som sitter i dessa fördjupningar, som är full av material inklusive silt och lera som är kända för att binda element som radionuklider, metaller och andra antropogena partiklar (figur 2) .

Ekologiska asätare

Den biologiska komponenten av kryokonit verkar också förbättra dess förmåga att samla och ackumulera radionuklider. Faktum är att Łokas förklarar att för kryokonit med en hög andel organiskt material – som alger, svampar och bakterier – är koncentrationen av radionuklider mycket högre.

Kryokoniten på Blåisenglaciären i Norge som hade särskilt höga halter av radioaktivitet hade också ett högt organiskt innehåll. Medan studier av andra glaciärer har hittat kryokonit som var mellan 5 % och 15 % biologiskt material, var sedimenten från Blåisen cirka 30 % organiskt material. Forskarna säger att detta kan vara en del av orsaken till dess höga koncentrationer av radionuklider.

Edyta Lokas stod på en glaciär

Łokas säger att kryokonitens förmåga att hålla och koncentrera radionuklider verkar vara "relaterad till metallbindande egenskaper hos extracellulära ämnen som utsöndras av mikroorganismer". Dessa klibbiga biofilmer immobiliserar metaller och andra material som kan vara giftiga för att hindra dem från att komma in i mikroorganismernas celler, förklarar hon.

Denna koppling mellan organiskt material och nedfallsradionuklider har också upptäckts på andra håll. När Owens analyserade kryokonitprover från Castle Creek-glaciären i British Columbia, Kanada, fann han ett signifikant positivt samband mellan koncentrationen av radionuklider i prover och andelen organiskt material (Sci. Rep. 9 12531). Ju mer biologiskt material, desto mer radioaktivt material.

Owens förklarar att nedfallsradionuklider finns överallt. Vad som händer på glaciärer, säger han, är att de "fokuseras på dessa riktigt små platser på glaciärens yta". Det finns sätt att både de material som utgör sedimentet och de extracellulära ämnen som utsöndras av mikroorganismerna som lever i det kan binda föroreningar. Allt detta gör kryokoniten till ett mycket effektivt rensande medel, och med tiden koncentreras radionuklider som har fallit över hela glacialavrinningen i den.

Olika källor och koncentrationer

Även om det tenderar att vara det mest koncentrerade, 137Cs är inte den enda radionukliden som finns i kryokonit. Höga koncentrationer av andra radioaktiva material, såsom americium-241 (241Am), vismut-207 (207Bi) och plutonium (Pu) isotoper, har också upptäckts. Dessa är kopplade till det globala nedfallet av radionuklider från atmosfäriska kärnvapentest snarare än kärnkraftskatastrofer.

Denna blandning av insatser, tillsammans med global atmosfärisk cirkulation och vädermönster, innebär att källor och koncentrationer av radioisotoper på glaciärer varierar över planeten. Till exempel säger Owens att även om nivåerna av radionuklider är höga i kryokoniter i Kanada kommer de huvudsakligen från kärnvapenbombtest, eftersom det är långt från Tjernobyl.

Łokas analyserar för närvarande detaljer om radioaktivitet i kryokoniter från olika platser runt om i världen, inklusive i Arktis, Island, de europeiska alperna, Sydamerika, Kaukasusbergen, British Columbia och Antarktis. Glaciologer från många länder, inklusive Owens och Clason, har donerat, samlat in och testat prover för detta arbete.

Vid utsikt över Gries-glaciären i Alperna

Tester har funnit det radioaktivitet är särskilt hög i Alperna och Skandinavien, medan Łokas säger att de lägsta nivåerna som hittills hittats har varit på glaciärer på Island och Grönland. Ingen signal från Tjernobyl identifierades i dessa områden, bara det globala nedfallet från vapentester, tillägger Łokas.

Arbetet har också identifierat några intressanta radionuklidsignaler. Det finns högre andelar av 238Wow, 239Pu och 240Pu i kryokoniter från södra halvklotet än norra halvklotet, säger Łokas. Detta beror på att en satellit som bär en SNAP-9A radiotermisk generator misslyckades 1964. Satelliten sönderföll och släppte omkring ett kilogram av 238Pu in i atmosfären, främst över södra halvklotet.

Det finns också en spik i 238Pu-isotoper från prover av Exploradores-glaciären i chilenska Patagonien. Detta är sannolikt kopplat till den misslyckade ryska Mars-sonden som bröt upp i atmosfären över Sydamerika 1996, säger Łokas. Den bar runt 200 g 238Pu-pellets och, även om deras exakta öde är okänt, tros de ha fallit någonstans över Chile och Bolivia.

Orsak till oro?

Det är ännu oklart hvi är oroliga att vi måste vara över denna koncentration av radioaktivt material på glaciärer. Det finns ingen säkerhet om det utgör en miljörisk i stor skala, eller om det är ett lokaliserat problem på glaciärerna, säger Clason. ”Jag skulle absolut inte vilja gå och äta materialet på isytan; det är egentligen ganska radioaktivt i jämförelse med andra miljösediment”, tillägger hon. "Men i vilken utsträckning det är ett problem när du väl är utanför det omedelbara glaciala avrinningsområde vet vi bara inte."

När sedimentet sitter på glaciären är det osannolikt att det är ett problem för ekosystemet och människors hälsa. Men när glaciärerna smälter och drar sig tillbaka släpps mer och mer av det äldre materialet som lagras på isen

Det finns skäl att oroa sig. Radioaktiva material har väl dokumenterade negativa effekter på hälsan. Glaciärer lagrar också stora mängder sötvatten, med miljarder människor runt om i världen som använder smältvattnet för jordbruk och dricksvatten. När klimatet värms upp drar sig också glaciärer tillbaka, vilket potentiellt kan frigöra lagrade föroreningar och sediment i höga koncentrationer.

"Med all glacial smältning kommer detta kryokonitmaterial i mycket mer kontakt med glacialt smältvatten. Det börjar nu bli exponerat och kan levereras till ekosystemet nedströms”, förklarar Owens. När sedimentet sitter på glaciären, säger han, är det osannolikt att det är ett problem för ekosystemet och människors hälsa. Men när glaciärer smälter och drar sig tillbaka släpps mer och mer av det äldre materialet som lagras på isen.

Det är inte heller klart exakt hur mycket radioaktivitet det kan finnas i ett glacialt system, tillägger Clason. "Förutom direkt atmosfärisk deposition av radionuklider, smälts sannolikt mycket av den radioaktivitet vi ser i kryokonit ur gammal snö och is som avsattes för många år sedan", förklarar Clason. "Isen själv har en inventering av radioaktivitet som inte är väl förstådd."

När det väl rinner ut i floder kommer det radioaktiva materialet sannolikt att spädas ut, säger Owens, "men vi vet inte," varnar han. Clason håller med. "Medan koncentrationerna är höga där vi provar, i det stora hela, när allt det materialet har tvättats bort eller glaciären smälter och avsätter det i miljön, kan det spädas ut till den grad att det inte är över koncentrationerna du se i miljön annars”, säger hon. "Så det är vad vi måste ta reda på härnäst."

I framtiden hoppas Clason kunna genomföra en mer detaljerad analys av mängden kryokonit på glaciala ytor, med hjälp av tekniker som högupplösta drönarbilder. Detta skulle göra det möjligt för forskare att uppskatta hur mycket radioaktivitet det kan finnas på en glaciär. Att kartlägga kryokoniten på ytan så här, och sedan kombinera informationen med glaciärsmältningsmodeller, kan hjälpa oss att förstå hur sedimenten och föroreningarna de innehåller kan frigöras i framtiden.

plats_img

Senaste intelligens

plats_img