放射之冰：冰川中有含量超高的人造放射性同位素

編譯 莫莊非

想到冰川，腦海里便浮現(xiàn)出廣闊、原始的冰層，覆蓋著北極和南極的大片土地。雖說99%的冰川都集中于地球的兩極地區(qū)，但在幾乎每塊大陸的山脈中，我們都發(fā)現(xiàn)了冰川，它們覆蓋地球陸地表面的近10%。冰川冰也是這個星球上最大的淡水庫——擁有全世界近69%的淡水。

盡管從外觀看，它們?nèi)缤词芪廴镜你y白冰之河，但實際上，冰川內(nèi)含許多有機沉積物，例如灰塵和微生物。不僅如此，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，冰川含有有毒的核原料，且含量令人擔(dān)憂。現(xiàn)在我們對于冰川融化帶來的風(fēng)險，又加深了一層認(rèn)知和憂慮。

加拿大北不列顛哥倫比亞大學(xué)的環(huán)境科學(xué)家菲利普 ? 歐文斯（Philip Owens）如此說道：“學(xué)界專家已評估過一些冰川，其中一部分，尤其是歐洲阿爾卑斯山等地區(qū)的冰川，放射性核素沉降物的濃度與我們在烏克蘭切爾諾貝利和日本福島等災(zāi)區(qū)記錄的一樣高。”

灰塵、 污垢、 微生物

近距離觀察，會發(fā)現(xiàn)冰川并非完全白色。由于沉積物，它們通常呈灰色，看著臟兮兮的，甚至有些地方顯黑色——這些細(xì)小的黑色沉積物被稱為冰晶石，形成于冰川表面，由灰塵、污垢、煤煙、碎石和礦物顆粒等組成。冰晶石可以起源于各種地方：可以是當(dāng)?shù)丨h(huán)境，例如風(fēng)化的巖石和冰川附近裸露的地面；也可以是遙遠(yuǎn)之地，例如沙漠、干旱地、野火甚至內(nèi)燃機。

這些物質(zhì)通過風(fēng)、雨、大氣環(huán)流以及人類和動物活動等多種過程被帶到冰川上。冰晶石顏色深，因此會在陽光下升溫并融化冰，形成充滿水的洼地。這些坑洼又成為存放更多物質(zhì)的“容器”，導(dǎo)致更大規(guī)模的冰晶石堆形成。

冰晶石也充滿有機物質(zhì)，例如藻類、真菌、細(xì)菌和其他微生物。當(dāng)它們在沉積物上聚集、生長和繁殖時，就會開始形成相當(dāng)一部分低溫石塊。有機物還會產(chǎn)生黏性生物膜，幫助微生物與沉積物黏附以及相互黏附形成群落，從而幫助冰晶石集合體進一步生長。

巖石、灰塵、污垢和微生物，這些還不是冰晶石的全部。研究表明，冰晶石充滿了各種各樣的人為污染物，包括重金屬、農(nóng)藥、微塑料和抗生素。與天然的成分一樣，這些污染物也被水洼和黏性生物膜捕獲，并與沉積物中的灰塵和礦物質(zhì)結(jié)合。

歐洲阿爾卑斯山福爾尼冰川中的冰晶石坑洞。瑞士保羅謝爾研究所的喬瓦尼 ? 巴科洛（Giovanni Baccolo）在此地進行了采樣。冰晶石的顏色取決于構(gòu)成它的有機物的濃度：顏色越深，有機物越豐富

影響深遠(yuǎn)的放射性沉降物

近年來，人們深刻地認(rèn)識到，冰晶石通常富含另一種意想不到的污染物——“放射性核素沉降物”（FRNs）形式的核材料。測試發(fā)現(xiàn)，這些人造放射性核素在冰晶石中的濃度遠(yuǎn)超在其他陸地環(huán)境下的濃度，一部分沉降物甚至有著在核禁區(qū)與試驗場以外發(fā)現(xiàn)的最強放射性。

人們早已知道冰川表面放射性水平異常之高。近年來，科學(xué)家一直在更深入細(xì)致地探索此問題。英國杜倫大學(xué)的冰川學(xué)家卡羅琳 ? 克拉森（Caroline Clason）表示，冰晶石中的放射性濃度有時“比我們在其他地區(qū)其他類型的環(huán)境基質(zhì)（如沉積物和土壤、地衣和苔蘚）中發(fā)現(xiàn)的放射性濃度高兩個甚至三個數(shù)量級”。

2017年，克拉森和同事發(fā)現(xiàn)，來自瑞典伊斯法爾冰川（位于北極圈內(nèi)）的冰晶石，其放射性核素含量比在冰川周圍山谷處收集的物質(zhì)高出百倍。放射性同位素銫-137濃度最高達(dá)4 500Bq/kg，平均水平則約為3 000Bq/kg。克拉森表示：“冰川表面的物質(zhì)已經(jīng)積累了如此高的放射性，比我們在同地其他環(huán)境下發(fā)現(xiàn)的高得多，這真是令人難以置信。”

2018年，挪威冰川的冰晶石被發(fā)現(xiàn)具備更高的放射性。波蘭科學(xué)院核物理研究所地球科學(xué)家艾蒂塔 ? 洛卡斯（Edyta ?okas）領(lǐng)導(dǎo)的團隊從布萊森冰川的12個冰晶石洞里采集樣本并作分析。結(jié)果表明，銫-137的濃度最高達(dá)25 000 Bq/kg，平均水平約為18 000 Bq/kg。土壤和沉積物中銫-137的含量通常在0.5~600 Bq/kg之間。

切爾諾貝利的核污染

人造放射性核素銫-137和銫-134是核反應(yīng)堆和某些核武器中鈾-235的裂變產(chǎn)物。挪威和瑞典冰川上的大部分銫同位素源于切爾諾貝利核事故，但也有少量來自20世紀(jì)中葉開展的數(shù)百次大氣核試驗的放射性沉降物。

切爾諾貝利事件發(fā)生于1986年4月26日，是核能發(fā)電史上最嚴(yán)重、最臭名昭著的災(zāi)難。當(dāng)時位于蘇聯(lián)境內(nèi)的切爾諾貝利核電站4號反應(yīng)堆正在進行低功率測試，但不幸地引發(fā)了爆炸和火災(zāi)，反應(yīng)堆大樓被摧毀，大量放射性物質(zhì)，包括钚、碘、鍶和銫的同位素都被釋放，其中大部分落在核電站附近以及如今烏克蘭、白俄羅斯和俄羅斯的大片地區(qū)，而大氣環(huán)流、風(fēng)以及風(fēng)暴把它們分散至北半球的大部分地區(qū)。

天氣模式將切爾諾貝利事件的大量放射性沉降物送入斯堪的納維亞半島。據(jù)估計，挪威已接收了核電站釋放的銫-137和銫-134總量的約6%。東南風(fēng)攜運這些同位素抵達(dá)挪威，而核災(zāi)難發(fā)生后幾天里的降雨幫助它們沉積下來。

由上至下的a、b、c三幅圖分別顯示瑞典伊斯法爾冰川的人為和天然的放射性核素活動以及冰晶石碳和氮含量的空間差異。14個采樣點分別位于圓圈中心

洛卡斯與同事在挪威冰川的冰晶石沉積物中發(fā)現(xiàn)的放射性核素的各種來源。放射性核素有的是天然來源，有的是人為核裂變的結(jié)果。由于冰晶石長期暴露于大氣塵埃里，加之某些嗜寒生物和有機物的存在，冰川中這些放射性核素的含量不斷增加。測試發(fā)現(xiàn)了天然放射性核素鉛-210，它的半衰期為22.3年，在大氣中通過氡（氡-222）放射性衰變形成。核事故和武器試驗等人為來源產(chǎn)生了銫（銫-137）、钚（钚-238、钚-239、钚-240）和镅（镅-241），并最終全部進入冰川系統(tǒng)。這些元素通過不同的過程從大氣中轉(zhuǎn)移出來，存在于冰川的不同部分，例如冰川表面、冰川外緣、冰川內(nèi)部和冰川底部

然后，銫進入食物鏈，被植物、地衣和真菌吸收，繼而被馴鹿和羊等食草動物吃下。災(zāi)難發(fā)生后的幾年里，挪威和瑞典居民食用的肉、奶和奶酪（來自馴鹿和羊）中，銫同位素濃度遠(yuǎn)超政府設(shè)定的限值。目前這些食品仍然定期接受測試。

切爾諾貝利核事故對奧地利阿爾卑斯山地區(qū)也造成了嚴(yán)重影響。災(zāi)難發(fā)生后幾天內(nèi)出現(xiàn)強降雨，導(dǎo)致某些區(qū)域污染程度非常高。2009年對奧地利北部哈爾施塔特冰川和施拉德明冰川進行的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，冰晶石中銫-137的濃度范圍為1 700~140 000 Bq/kg。

風(fēng)、 雨、 火

關(guān)于冰晶石積聚放射性核素并變得如此具有放射性，原因大概是這樣的：一方面，放射性物質(zhì)通過風(fēng)和全球環(huán)流輸送到大氣，然后通過降水由大氣抵達(dá)地面（降水能特別有效地收集顆粒物并將其沉降到地面）；另一方面，在有冰川的山區(qū)和極地地區(qū)，雨、雪、霧的量一般都很大。

森林火災(zāi)和沙塵暴等事件產(chǎn)生的大量干燥物質(zhì)也會造訪冰川區(qū)域。這些灰塵、煙灰以及其他類似物質(zhì)通過大氣循環(huán)傳播，而當(dāng)傳播過程開始后，它們也會彼此結(jié)合，并“收編”大氣里的其他物質(zhì)——包括放射性核素等污染物——直到結(jié)合體因太重而落到地面。

放射性核素連同其他污染物進入冰川環(huán)境后，會通過水文過程轉(zhuǎn)移。在相對溫暖的時節(jié)，冰川流域的積雪和冰都會融化成水。水流會帶走儲存于冰雪中的放射性核素等污染物。當(dāng)水流經(jīng)冰川上的孔道或坑洞時，它會被其中的冰晶石過濾；冰晶石內(nèi)充滿諸如淤泥和黏土的物質(zhì)，已知這些物質(zhì)能結(jié)合放射性核素、金屬以及其他人為的顆粒物等。

有機清除劑

冰晶石的生物成分似乎也增強了它收集、積累放射性核素的能力。事實上，根據(jù)地球科學(xué)家洛卡斯的解釋，冰晶石所含有機物（如藻類、真菌和細(xì)菌）的比例算是比較高的，而它的放射性核素濃度還要比前者高出很多。

挪威布萊森冰川上的冰晶石放射性水平特別高，有機物含量也很高。針對其他冰川的研究發(fā)現(xiàn)，冰晶石含有5%~15%的生物物質(zhì)，而在布萊森冰川的沉積物里，有機物比例高達(dá)約30%——科學(xué)家表示，這可能是其放射性核素濃度高的部分原因。

洛卡斯表示，冰晶石保留和濃縮放射性核素的能力似乎“與微生物分泌的細(xì)胞外物質(zhì)的金屬結(jié)合特性有關(guān)”。她解釋稱，這些黏性生物膜固定住了金屬和其他可能有毒的材料，以防止它們進入微生物的細(xì)胞。

有機物和放射性核素沉降物之間的這種聯(lián)系也出現(xiàn)于其他地方。當(dāng)環(huán)境科學(xué)家歐文斯分析加拿大不列顛哥倫比亞省卡斯?fàn)柨死锟吮ǖ谋瘶颖緯r，他發(fā)現(xiàn)樣本中放射性核素濃度與有機物占比之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。生物物質(zhì)越多，放射性物質(zhì)也越多。

歐文斯解釋稱，放射性核素沉降物無處不在。冰川上正在發(fā)生的事情是，它們在冰川表面上集中，并集中在非常小的區(qū)域內(nèi)。沉積物的組成材料及其中微生物分泌的細(xì)胞外物質(zhì)可通過多種方式結(jié)合污染物。這一切使得冰晶石成為一種高效清除劑，隨著時間的推移，落在整個冰川流域的放射性核素都會集中到冰晶石里。

不同的來源和濃度

銫-137并非冰晶石中唯一的放射性核素（但它的濃度往往最高），科學(xué)家還檢測到其他高濃度的放射性物質(zhì)，例如镅-241、鉍-207和钚同位素。它們并非源于核電災(zāi)難，而與大氣層核武器試驗產(chǎn)生的放射性核素沉降物有關(guān)。

來自波蘭科學(xué)院核物理研究所的洛卡斯正站在遍布冰晶石坑洞的冰川上

鑒于上述種種，加之全球大氣環(huán)流和天氣模式的作用，我們可以說，全球各地冰川上的放射性同位素來源與濃度各不相同。舉個例子，加拿大地區(qū)的冰晶石放射性核素含量很高，不過主要來自核彈試驗，因為那里距切爾諾貝利很遠(yuǎn)。

洛卡斯目前正對來自世界各地的冰晶石進行放射性細(xì)節(jié)分析。這些樣本收集自北極、冰島、歐洲阿爾卑斯山、南美洲、高加索山脈、不列顛哥倫比亞省和南極洲等地。多國的冰川學(xué)家，包括歐文斯和克拉森在內(nèi)，為此項工作捐贈、收集和測試了樣本。

測試發(fā)現(xiàn)，阿爾卑斯山和斯堪的納維亞半島的樣本放射性特別高。洛卡斯則指出，迄今為止發(fā)現(xiàn)的放射性水平最低的是冰島和格陵蘭島的冰川，在這些地區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)與切爾諾貝利相關(guān)的跡象，只能看到核武器試驗所帶來的放射性。

此項工作還發(fā)現(xiàn)了一些有趣的放射性核素信號。根據(jù)洛卡斯的說法，南半球的冰晶石較之北半球，所含钚-238、钚-239、钚-240的比例更高。這是由于1964年核能衛(wèi)星S NA P-9A 發(fā)生故障并解體，向大氣釋放了約1公斤的钚-238——主要落在南半球。

來自智利巴塔哥尼亞探險者冰川的樣本也顯示出很高的钚-238同位素含量。洛卡斯認(rèn)為，這可能與1996年俄羅斯火星探測器在南美上空大氣層爆炸有關(guān)。該探測器載有約200克的钚-238顆粒，雖然難以確知其命運幾何，但有理由推測，它們落在了智利和玻利維亞的某地。

我們該擔(dān)心什么

對于冰川上的放射性物質(zhì)，我們還不清楚多高的濃度是危險的、值得擔(dān)憂的，也不確定它是否會造成大范圍的環(huán)境風(fēng)險，抑或這只是冰川的局部問題。克拉森表示：“我當(dāng)然不會想去吃那些冰上的物質(zhì)，與其他環(huán)境沉積物相比，它的放射性確實相當(dāng)強。但如果離開了冰川流域，這個問題的嚴(yán)重程度就不好說了。”

我們有理由擔(dān)心，畢竟放射性物質(zhì)對人體健康有顯著負(fù)面影響。冰川儲存著大量的淡水，全球數(shù)十億人將冰川融水用于農(nóng)業(yè)和飲用水。隨著氣候變暖，冰川消退，人類可能會與冰川融水里的污染物和沉積物近距離接觸。

歐文斯說道：“隨著冰川融化，冰晶石與冰川融水的接觸越來越多。它們開始直接暴露于外部環(huán)境，并可以傳遞到下游生態(tài)系統(tǒng)。”固定在冰川上的沉積物不太可能對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成危害。但隨著冰川融化和退縮，越來越多的放射性物質(zhì)被釋放。

克拉森補充道：“目前尚不清楚冰川系統(tǒng)到底存在多少放射性。除了大氣中放射性核素的直接沉降，我們在冰晶石里看到的許多放射性物質(zhì)很可能因多年前沉積的雪和冰融化而來。冰本身就含有大量放射性物質(zhì)，但我們對此了解不多。”

歐文斯指出，放射性物質(zhì)一旦進入河流，就可能被稀釋，但我們對此并不了解。克拉森認(rèn)同這一說法：“雖然我們采樣的地方濃度很高，但從整體上看，只要這些物質(zhì)全都被水流帶走，或跟隨冰川融化沉積至更廣闊環(huán)境里，它可能會被稀釋到尋常濃度——不超過本就存在于我們身邊的放射性物質(zhì)濃度。所以接下來我們要搞清楚的就是，來自冰川的放射性怎樣在環(huán)境中稀釋。”

克拉森希望未來能利用無人機高分辨率影像等技術(shù)，對冰川表面的冰晶石數(shù)量做更詳盡分析。這將使科學(xué)家有能力估計冰川上可能存在多少放射性。如此繪制冰川表面冰晶石的圖譜，然后將這些信息與冰川融化模型相結(jié)合，有助于我們了解沉積物及其所含污染物在未來如何釋放。