綿陽(yáng)地區(qū)近地面氣溶膠中7Be和210Pb分布特征及其對(duì)O3的示蹤

劉宇航，黃 英，古 川，杜元媛

(綿陽(yáng)市輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)站，四川 綿陽(yáng) 621000)

天然放射性核素7Be是由宇宙射線轟擊14N和16O靶核而產(chǎn)生的放射性核素，半衰期為53.3 d[1-3]。7Be主要在平流層產(chǎn)生、賦存，當(dāng)7Be形成以后，被快速吸附在亞微米級(jí)氣溶膠微粒表面，隨著大氣動(dòng)力過(guò)程而遷移，通過(guò)干、濕沉降進(jìn)入地表環(huán)境，最后通過(guò)放射性衰變而消失。在平流層產(chǎn)生和富集的7Be，通過(guò)全球尺度的Brewer-Dobson環(huán)流，被輸送到對(duì)流層或者通過(guò)平流層與對(duì)流層交換進(jìn)入對(duì)流層[4-6]。天然放射性核素210Pb是陸生放射性核素，半衰期為22.3 a，已有研究表明[7-9]：210Pb由地球表面(土壤或巖石)析出的222Rn在大氣中直接衰變而來(lái)，最終通過(guò)干、濕沉降和衰變而消失。

近年來(lái)，世界氣象組織的全球大氣監(jiān)測(cè)計(jì)劃(Global Atmosphere Watch)建議把222Rn、7Be和210Pb作為常規(guī)觀測(cè)內(nèi)容之一[10]。由于天然放射性核素是人類所受輻射最主要的來(lái)源[11-12]，在我國(guó)，7Be和210Pb是大氣氣溶膠輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)必測(cè)核素，觀測(cè)其長(zhǎng)期變化具有重要意義。此外，由于7Be和210Pb具有已知的來(lái)源和去向，在環(huán)境物質(zhì)來(lái)源示蹤方面具有廣泛的應(yīng)用[10-13]，可以作為環(huán)境物質(zhì)來(lái)源的示蹤物。

O3是近年來(lái)最主要的大氣污染物之一，主要來(lái)源是高對(duì)流層向下動(dòng)力輸送和近地面光化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，現(xiàn)有研究主要是對(duì)其現(xiàn)狀的監(jiān)測(cè)，而少有對(duì)其來(lái)源的研究。我國(guó)輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)分布不均勻，在東部許多城市都有氣溶膠中7Be和210Pb觀測(cè)的相關(guān)報(bào)道[14-18]，但都缺乏時(shí)間和空間上連續(xù)性的報(bào)道，在污染物示蹤方面應(yīng)用更少。環(huán)境監(jiān)測(cè)為環(huán)境污染治理提供最直觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的一部分，在大氣污染防治中發(fā)揮著重要作用。本文通過(guò)對(duì)綿陽(yáng)地區(qū)近一年(2018年3月至2019年2月)近地面氣溶膠的γ能譜分析，建立了該地區(qū)近一年來(lái)氣溶膠中7Be和210Pb活度濃度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，掌握綿陽(yáng)地區(qū)近地面空氣的輻射環(huán)境質(zhì)量狀況，初步探索7Be和210Pb作為示蹤物質(zhì)在近地面O3來(lái)源方面的應(yīng)用。

1 采樣與實(shí)驗(yàn)

2018年3月至2019年2月，在綿陽(yáng)市安州區(qū)(31.53°N,104.55°E,海拔511.16 m)、江油市(31.78°N,104.73°E,海拔532.98 m)、梓潼縣(31.64°N,105.17°,海拔491.72 m)和平武縣(32.41°N,104.55°E,海拔858.49 m)開展近地面氣溶膠采樣和監(jiān)測(cè)分析工作。4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)依托輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站內(nèi)配置的大流量氣溶膠采樣器開展采樣工作，采樣器型號(hào)為HRHA01-LFS120D/A2，采樣器流量、溫度和壓強(qiáng)等參數(shù)均通過(guò)中國(guó)計(jì)量測(cè)試研究院檢定。4個(gè)輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站均建在辦公樓5樓樓頂，采樣器進(jìn)氣口距地面高度約為20 m，避免地面匯集7Be和210Pb核素二次沉降的干擾。采樣使用聚丙烯濾膜，設(shè)置采樣流速為1.0 m3min-1，總采樣體積為標(biāo)準(zhǔn)狀況下不小于10 000 m3；采樣前后分別對(duì)濾膜在恒溫恒濕條件下稱重，獲得氣溶膠樣品重量；按照《輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T61—2001)做好氣溶膠樣品采樣原始記錄表，包括采樣起止時(shí)間、溫濕度以及天氣狀況等信息。采樣完成后，將采樣濾膜折疊后在Ф70 mm或者Ф50 mm的模具里面壓制為餅狀，封裝在專用樣品盒或聚乙烯自封袋中待測(cè)。

本次實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)量?jī)x器為美國(guó)ORTEC公司GEM35P4型低本底高純鍺γ譜儀，對(duì)1 332 keV全能峰分辨率為1.85 keV，24小時(shí)內(nèi)測(cè)量本底小于1.9 CPS。該測(cè)量?jī)x器通過(guò)中國(guó)計(jì)量測(cè)試研究院檢定，配備有氣溶膠樣品標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和無(wú)源效率刻度軟件，通過(guò)無(wú)源效率刻度計(jì)算氣溶膠標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品核素活度濃度最大相對(duì)偏差為15%，測(cè)量結(jié)果可靠。為減少測(cè)量中統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)的不確定度，本次實(shí)驗(yàn)單個(gè)樣品和空白樣品(本底譜)測(cè)量時(shí)間為24小時(shí)，測(cè)量方法嚴(yán)格依照《高純鍺γ能譜分析通用方法》GB/T 11713—2015和《空氣中放射性核素的γ能譜分析方法》WS/T 184—2017的規(guī)定操作分析和計(jì)算，測(cè)量結(jié)果通過(guò)衰變修正到采樣結(jié)束時(shí)間。近地面O3濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于綿陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境局官方網(wǎng)站(Http://sthjj.my.gov.cn/mygov/150650887172259840/index.html)。4個(gè)近地面O3監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置與以上4個(gè)近地面氣溶膠監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置完全一致。

2 結(jié)果與討論

2.1 綿陽(yáng)地區(qū)近地面氣溶膠中7Be、210Pb分布特征

綿陽(yáng)地區(qū)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣溶膠中7Be和210Pb核素活度濃度測(cè)量值列于表1。由表1可見(jiàn)，綿陽(yáng)地區(qū)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣溶膠中7Be核素活度濃度年最大變幅范圍為0.33～4.20 mBq/m3，年平均值變幅范圍為1.90～2.13 mBq/m3，與全球7Be年平均值2.45 mBq/m3基本一致[19]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高海拔地區(qū)的青海瓦里關(guān)山和貴州觀風(fēng)山，也低于西安、杭州、深圳等地；氣溶膠中210Pb核素活度濃度年最大變幅范圍為0.78～3.15 mBq/m3，年平均值變幅范圍為1.24～1.66 mBq/m3，為全球陸地上210Pb值變幅范圍0.5～1.5 mBq/m3相對(duì)高值[20]，與四川盆地成都地區(qū)210Pb年均值1.5 mBq/m3基本相當(dāng)[12]，較高活度濃度的210Pb指示輸入氣團(tuán)來(lái)自陸地邊界層氣團(tuán)，因?yàn)樗w對(duì)222Rn的遲滯效應(yīng)，海洋邊界層氣團(tuán)中210Pb比陸地中低很多[21]。

表1 綿陽(yáng)及其他地區(qū)近地面氣溶膠中7Be、210Pb活度濃度值范圍及年均值(mBq/m3)Tab.1 Concentration ranges and annual mean values of 7Be and 210Pb in surface aerosols in Mianyang and other areas(mBq/m3)

7Be來(lái)自平流層或較高對(duì)流層，210Pb來(lái)自地面，它們吸附在氣溶膠上以后通過(guò)大氣對(duì)流過(guò)程參與大氣循環(huán)。較高活度濃度的7Be和較低活度濃度的210Pb代表大氣垂直向下對(duì)流較強(qiáng)，反之則代表大氣垂直向下對(duì)流較弱[2]；較低活度濃度的7Be和較低活度濃度的210Pb代表大氣對(duì)流活動(dòng)較弱，而較高活度濃度的7Be和較高的210Pb代表氣團(tuán)受高緯度大陸性氣團(tuán)(西伯利亞秋冬季冷空氣)的影響[20]。由于7Be和210Pb具有確定的來(lái)源及其本身的理化特征，所以7Be/210Pb比值比7Be或210Pb更具有重要的物理意義。鄭向東等認(rèn)為綜合性地考慮7Be和210Pb的共同示蹤作用能有效表征垂直輸送過(guò)程[21]；朱厚玲等認(rèn)為高7Be/210Pb比值代表大氣團(tuán)強(qiáng)垂直對(duì)流過(guò)程，低7Be/210Pb比值代表大氣團(tuán)弱垂直對(duì)流過(guò)程[2]；Koch等模擬結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，理論上應(yīng)用7Be/210Pb比值比單個(gè)核素更能有效指示氣溶膠的垂直輸送過(guò)程，但由于大氣團(tuán)中210Pb運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性，還應(yīng)結(jié)合7Be、210Pb值分析[19]。

綿陽(yáng)地區(qū)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣口離地面距離約為20 m，該采樣口處氣溶膠主要來(lái)自大氣輸送的三個(gè)方向：垂直向下、垂直向上和水平方向。綿陽(yáng)地區(qū)近地面氣溶膠中7Be、210Pb活度濃度值年度變化及其與O3的變化關(guān)系如圖1所示。通過(guò)圖1分析發(fā)現(xiàn)：除安州區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣溶膠中7Be核素活度濃度表現(xiàn)為夏季較低、春秋季相對(duì)較高的變化特征，在春季有明顯高值，體現(xiàn)出與全球觀測(cè)點(diǎn)報(bào)道一致的7Be“春季泄漏”特征[22]，在夏季7、8月出現(xiàn)最低值，指示強(qiáng)降雨季節(jié)對(duì)短半衰期7Be核素“濕清除”效應(yīng)[23]，綿陽(yáng)地區(qū)近地面氣溶膠中7Be全年變化呈現(xiàn)與全球中緯度地區(qū)(30°N～40°N)一致的變化規(guī)律[24]，體現(xiàn)出內(nèi)陸、中緯度、低海拔地區(qū)的特征[15]；四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)近地面氣溶膠中210Pb活度濃度總體呈現(xiàn)“U”型變化特征，在春季末或夏季出現(xiàn)年最小值，在冬季出現(xiàn)年最大值。安州區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與其他三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣溶膠中7Be和210Pb核素活度濃度在秋、冬季的變化存在明顯差異。安州區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣溶膠中7Be和210Pb核素活度濃度在秋、冬季為同步變化，表明氣溶膠中7Be和210Pb核素具有同源屬性，大氣輸送以水平方向?yàn)橹?，可能受到西伯利亞秋冬季冷空氣的影響較大，而其他三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣輸送較為復(fù)雜。

注：“日最大8小時(shí)值”即為日內(nèi)任意時(shí)刻起連續(xù)8小時(shí)測(cè)量平均濃度最大值。圖1 綿陽(yáng)地區(qū)近地面氣溶膠中7Be、210Pb活度濃度值年度變化及其與O3的變化關(guān)系Fig.1 Annual variation of 7Be and 210Pb activity concentrations in surface aerosols in Mianyang area and their relationship with O3

從全年來(lái)看，安州區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)較其他三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)7Be活度濃度年平均值偏低，江油市、梓潼縣和平武縣監(jiān)測(cè)點(diǎn)7Be活度濃度年平均值基本相當(dāng)，而210Pb活度濃度年平均值則存在微弱地區(qū)差異性。主要原因是受各地地形差異導(dǎo)致大氣輸送過(guò)程的不同，江油市、梓潼縣和平武縣位于狹長(zhǎng)的河谷地帶，常年盛行下層氣流，而安州區(qū)位于開闊的平原地帶，下層氣流與水平氣流并存。

本文中季節(jié)劃分參照《氣候季節(jié)劃分》中氣象方法劃分，以3月至5月為春季，6月至8月為夏季，9月至11月為秋季，12月至2月為冬季。

2.2 綿陽(yáng)地區(qū)近地面氣溶膠中7Be和210Pb對(duì)O3的示蹤意義

空氣中的臭氧主要來(lái)源于兩部分：高空大氣中氧分子受太陽(yáng)輻射等活動(dòng)的影響形成的臭氧，后經(jīng)大氣垂直輸送到達(dá)近地面；人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物，如氮氧化物等，經(jīng)過(guò)光化學(xué)過(guò)程最終形成臭氧。通過(guò)對(duì)綿陽(yáng)地區(qū)近地面氣溶膠中7Be、210Pb活度濃度以及7Be/210Pb比值與近地面O3濃度的皮爾遜相關(guān)性分析及P值檢驗(yàn)，結(jié)果列于表2。由表2可見(jiàn)：總體上，7Be和7Be/210Pb比值與O3為正相關(guān)關(guān)系，而210Pb與O3為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；所有P值均小于0.01，為非常顯著。

由表2可見(jiàn)，梓潼縣和平武縣監(jiān)測(cè)點(diǎn)近地面氣溶膠中7Be/210Pb比值(210Pb核素活度濃度)與近地面空氣中O3濃度為非常顯著正(負(fù))相關(guān)關(guān)系，7Be/210Pb比值是大氣垂直對(duì)流強(qiáng)度指標(biāo)，210Pb是典型陸生天然放射性核素，產(chǎn)生于地球表面，表明綿陽(yáng)地區(qū)梓潼縣和平武縣近地面空氣中O3來(lái)源受大氣垂直對(duì)流活動(dòng)影響較大，主要為高空大氣向下輸送過(guò)程的貢獻(xiàn)；在江油市監(jiān)測(cè)點(diǎn)，皮爾遜相關(guān)系數(shù)r值較低，特別是7Be與O3為非常顯著不相關(guān)關(guān)系，表明江油市近地面空氣中O3來(lái)源主要為地面污染物的光化學(xué)轉(zhuǎn)變過(guò)程的貢獻(xiàn)；在安州區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，近地面氣溶膠中210Pb核素活度濃度(7Be/210Pb比值)與近地面空氣中O3濃度為非常顯著負(fù)(正)相關(guān)關(guān)系，而且近地面氣溶膠中7Be活度濃度與近地面空氣中O3濃度為非常顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明該區(qū)域近地面空氣中O3主要為大氣水平輸入過(guò)程，而近地面空氣中O3來(lái)源既可能來(lái)自高空輸入也可能來(lái)自地面污染物的光化學(xué)轉(zhuǎn)變，因此，在使用以上示蹤指標(biāo)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎應(yīng)用。

表2 綿陽(yáng)地區(qū)近地面氣溶膠中7Be、 210Pb活度濃度以及7Be/210Pb比值與近地面O3濃度的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between 7Be,210Pb activity concentrations,7Be/210Pb ratio and surface O3 concentration in near surface aerosols in Mianyang area

本文初步探討了近地面氣溶膠中7Be和210Pb的分布特征及其對(duì)近地面空氣中O3來(lái)源的示蹤意義，但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，單個(gè)樣品采用周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致時(shí)間分辨率較差，而且目前僅有一年的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在示蹤機(jī)理方面也未進(jìn)行深入研究，缺乏氣象參數(shù)輔助分析，在今后研究中應(yīng)加強(qiáng)這些方面的工作。

3 結(jié)論

(1)綿陽(yáng)地區(qū)氣溶膠中7Be核素活度濃度年均值為1.90～2.13 mBq/m3，與全球7Be年平均值基本一致，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高海拔青海瓦里關(guān)山和貴州觀風(fēng)山地區(qū)，略低于西安、杭州和深圳等地；氣溶膠中210Pb核素活度濃度年均值為1.24～1.66 mBq/m3，為全球陸地上210Pb相對(duì)高值，但與四川盆地成都地區(qū)210Pb年均值基本相當(dāng)。

(2)綿陽(yáng)安州區(qū)、江油市、梓潼縣和平武縣近地面氣溶膠中7Be活度濃度在春、秋季節(jié)相對(duì)較高，而夏季最低，表現(xiàn)出與全球一致的內(nèi)陸、中緯度和低海拔地區(qū)年度分布特征；4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣溶膠中210Pb活度濃度全年總體呈現(xiàn)為“U”分布特征。

(3)綿陽(yáng)地區(qū)氣溶膠中7Be/210Pb比值能作為近地面空氣中O3來(lái)源的良好示蹤指標(biāo)。綿陽(yáng)地區(qū)，特別是梓潼縣和平武縣，近地面空氣中O3來(lái)源受大氣垂直對(duì)流活動(dòng)影響較大。