大气中γ辐射空气吸收剂量率的波动机制

林武辉,王诗玥,黄亚萍,何贤文,黄锦秀,颜金培

大气中γ辐射空气吸收剂量率的波动机制

林武辉1,2*,王诗玥1,黄亚萍3,何贤文4,黄锦秀1,颜金培5

(1.广西大学海洋学院,广西 南宁 530004；2.广西大学,广西南海珊瑚礁研究重点实验室,广西 南宁 530004；3.福建省辐射环境监督站,福建 福州 350012；4.广西壮族自治区辐射环境监督管理站,广西 南宁 530222；5.自然资源部第三海洋研究所,海洋大气化学与全球变化重点实验室,福建 厦门 361005)

基于广西防城港市、福建福清市和宁德市的3个滨海核电厂周边γ辐射空气吸收剂量率长时间高频率的连续观测数据,从不同时间尺度进行系统解析.研究发现,在年际尺度上,2014～2020年间宁德嵛山岛站位γ辐射空气吸收剂量率呈现先上升后下降的趋势,与太阳活动的先减弱后增强存在一定的反相位关联;在季节尺度上,2019年度3个站位的观测均呈现东亚季风主导下的海洋气团与大陆气团控制γ辐射空气吸收剂量率夏低冬高的季节特征;在昼夜尺度上,福清小麦屿临海站位显示潮汐涨落与γ辐射空气吸收剂量率升降存在显著的反相位规律;在小时尺度上,福清小麦屿站位的降雨事件将大气中222Rn子体214Pb和214Bi清除至地表,并导致γ辐射空气吸收剂量率短期内骤然升高.

核电站；γ辐射空气吸收剂量率；东亚季风；降雨；太阳活动；潮汐

核电厂在常规状态和事故状态下,都会向环境排放一定量的放射性物质,并对生物和人类增加一定的辐射剂量和风险,特别是日本福岛核事故泄漏的放射性物质引起全世界的关注和担忧[1-5].γ辐射空气吸收剂量率是快速监测核设施周边辐射环境的重要指标,被广泛应用于滨海核电周边监测站和国内外辐射监测网络中[6-7].γ辐射空气吸收剂量率主要由地表环境中天然放射性核素产生的γ辐射剂量率和宇宙射线产生的γ辐射剂量率组成.在发生放射性核素泄漏的情况下,γ辐射空气吸收剂量率也会出现异常升高,比如日本福岛核事故后γ辐射空气吸收剂量率迅速升高超过107nGy/h[8],比本底水平高5个数量级.因此,滨海核电厂周边γ辐射空气吸收剂量率的变异特征与调控机制是核电厂运行过程中环境辐射异常信号判别解译的基础,在保障核电厂安全运行中尤为重要.

国内外学者对于γ辐射空气吸收剂量率研究主要集中于降雨/降雪事件[9-11]、地震事件[12]、地质背景[13-14]、气象条件(温度、湿度、压力、风速、风向、潮汐等)[10,15-16]等方面.但相关研究较为分散,缺乏γ辐射空气吸收剂量率的综合分析,不利于辐射环境异常信号解读.因此,本文利用福建和广西两地的3个滨海核电厂周边γ辐射空气吸收剂量率的高分辨率、长时间连续观测数据,探讨年际尺度的太阳活动、季节尺度的东亚季风、昼夜尺度的潮汐涨落、小时尺度的降雨事件等自然事件和大气过程影响下的γ辐射空气吸收剂量率的变异特征及其调控机制,旨在为核设施周边环境监测中γ辐射空气吸收剂量率异常数据的精准解译、完善辐射环境监测预警技术、保障核安全等提供参考.

1 材料与方法

1.1 滨海核电厂周边γ辐射空气吸收剂量率的测量

本文中3个观测站位均靠近滨海核电厂,防城港核电厂位于广西防城港市港口区光坡镇,沙螺寮站位(21.69°N,108.57°E)于其南偏西3.1km处,观测时间为2016年1月1日～2020年12月31日;福清核电厂位于福清市三山镇前薛村,小麦屿站位(25.22°N,119.59°E)于其西偏北5km处,观测时间为2017年5月1日～2020年12月16日;宁德核电厂位于福鼎市太姥山镇牛郎岗的备湾自然村,嵛山岛站位(26.94°N,120.32°E)于其东偏南方向11.0km处,观测时间为2014年1月1日～2020年12月6日.滨海核电厂周边γ辐射空气吸收剂量率连续监测系统均按照《环境地表γ辐射剂量率测定规范》[17]和《辐射环境监测技术规范》[18]中规定的方法,采用高压电离室(RSS-131 型)测量[16].数据的采集由自动监测子站的工控机软件进行控制,采集的数据通过有线或无线通讯设备实时传输至前沿站数据处理中心和省级数据汇总中心.

1.2 数据来源和HYSPLIT逆轨迹分析方法

本文中太阳黑子数据引自比利时皇家天文台(网址:https://wwwbis.sidc.be/silso/datafiles);气团轨迹利用美国国家大气与海洋管理局(NOAA)的混合单粒子拉格朗日集合轨迹模型(HYSPLIT模型)[19]的逆轨迹分析方法进行分析(网址:https://www. arl.noaa.gov/);潮高数据引自国家海洋信息中心全球潮汐预报服务平台(网址:http://global-tide.nmdis. org.cn/),选取距小麦屿北偏西16.1km处郎官站位的潮汐数据;降雨量数据引自国家气象科学数据中心(网址:http://data.cma.cn/).由于HYSPLIT模型在模拟过程垂向上最小精度为100m,本文分别选取3个站位100m高度处作为逆轨迹的终点,利用气象学资料GDAS和GFS计算模拟出2019年度共365条大气逆轨迹;对于每一条逆轨迹,选择过去7d的采样周期,每6h进行一次逆轨迹计算,最后利用MeteoInfo软件对所有轨迹进行整合绘制,得到2019年度气团来源的逆轨迹图[20].

2 结果与讨论

2.1 核电厂的γ辐射空气吸收剂量率

图1 宁德、福清、防城港3个观测站位的γ辐射空气吸收剂量率

散点为监测站位日均值,折线为30d的滑动平均值

如图1所示,福建宁德核电周边嵛山岛站位的γ辐射空气吸收剂量率范围为71.27～162.40nGy/h,平均值为75.79nGy/h;福建福清核电周边小麦屿站位的γ辐射空气吸收剂量率范围为87.15～218.55nGy/h,平均值为89.90nGy/h;广西防城港核电周边沙螺寮站位的γ辐射空气吸收剂量率范围为72.24～ 116.12nGy/h,平均值为77.68nGy/h.3个滨海核电厂周边的γ辐射空气吸收剂量率基本落在全国γ辐射空气吸收剂量率的波动范围之内(57～195nGy/ h)[14,21-22].

3个核电厂的γ辐射空气吸收剂量率平均值为福清>防城港>宁德.滨海核电厂的海拔高度差别不大,宇宙射线产生的γ辐射剂量率约为30nGy/h[23].因此,γ辐射空气吸收剂量率的差别应该主要取决于地表环境中天然放射性核素含量水平.实际调查结果也证实我国不同地区的土壤中天然放射性核素活度存在一定的差异[13].

2.2 太阳活动影响年际尺度上γ辐射空气吸收剂量率

在年际尺度上,拥有11a周期的太阳黑子活动可以影响γ辐射空气吸收剂量率的波动,因此本文选择连续观测时间最长的福建宁德嵛山岛站位.如图2所示,2014～2020年间嵛山岛站位的γ辐射空气吸收剂量率呈现先升后降的趋势(虚线箭头),而太阳黑子数显示先降后升的趋势(实线箭头).整体上,γ辐射空气吸收剂量率和太阳黑子数存在一定的反相位关系,即太阳黑子数目增加,太阳活动增强,太阳磁场增强并屏蔽更多的来自太阳系外部的宇宙射线,导致到达地球的宇宙射线减少,γ辐射空气吸收剂量率降低.多个研究表明太阳活动越强,太阳黑子数越多,导致抵达地球大气层的宇宙射线减少,地球大气中宇生放射性核素7Be、10Be、14C、36Cl的产率和活度下降[24-25].这些观测均证实太阳活动与宇宙射线的反相位关系.

图2 2014～2020年宁德嵛山岛站位γ辐射空气吸收剂量率与太阳黑子的关系

虚线线条代表γ辐射空气吸收剂量率,实线线条代表太阳黑子数量,较细线条为月均值,较粗线条为12个月的滑动平均值

2.3 东亚季风调控季节尺度上γ辐射空气吸收剂量率

如图3所示,在季节尺度上宁德嵛山岛站位和防城港市沙螺寮站位的γ辐射空气吸收剂量率普遍存在夏季的低值现象(阴影部分).本文的3个滨海核电厂地处东亚地区,气候背景受到东亚季风的影响,即夏季的西南季风和冬季的东北季风.为了进一步揭示季节尺度的波动规律,本文绘制2019年度3个观测站位的γ辐射空气吸收剂量率(图4),发现均存在夏低冬高的季节特征,即1～3月、10～12月的γ辐射空气吸收剂量率基本高于平均值,4～9月则普遍低于平均值.

图3 嵛山岛站位和沙螺寮站位的γ辐射空气吸收剂量率季节变化

阴影部分代表夏季,黑色折线为30d滑动平均值,虚线线条为多年平均值

图4 2019～2020年间3个观测站位的γ辐射空气吸收剂量率波动趋势与气团逆轨迹

黑色轨迹显示3个站位在秋冬季(1～3月和10～12月)气团来源的逆轨迹,灰色轨迹对应春夏季(4～9月)气团来源的逆轨迹

本文使用HYSPLIT模型计算并绘制2019年度秋冬季和春夏季气团来源的逆轨迹地图(图4),根据逆轨迹的起点在大陆或者海洋而定义大陆气团或者海洋气团,并对不同气团来源进行统计分析.图4显示,东亚季风影响下的秋冬季气团主要来源于北方的大陆气团,而春夏季则主要来源于南方的海洋气团.以秋冬季为例,在2019～2020年182条秋冬季(1～3月、10～12月)的轨迹中,嵛山岛站位有163条来源于北方陆地,大陆气团所占比例为89.6%;小麦屿站位有166条来源于北方陆地,大陆气团所占比例为91.2%;沙螺寮站位有136条来源于北方陆地,大陆气团所占比例为74.7%.上述数据定量揭示3个站位的秋冬季气团均主要来自于北方的大陆气团.

图4显示,大陆气团影响下的γ辐射空气吸收剂量率普遍高于海洋气团影响下的结果.陆地土壤中226Ra活度(10～100Bq/kg)是海水中226Ra活度(1× 10-3～10×10-3Bq/kg)的1000倍左右[26].大陆气团与陆地下垫面长时间接触,进而拥有更高浓度的陆地土壤中226Ra衰变而来的222Rn及其子体,而海洋气团与海洋下垫面接触,相应的222Rn及其子体浓度较低.其它研究结果指出陆地向大气释放的222Rn通量(1300～1800Bq/m2/d)是海洋向大气释放的222Rn通量(～17Bq/m2/d)的100倍左右[27].

部分研究将γ辐射空气吸收剂量率夏低冬高的季节特征归因为夏季更强的降雨清除效应[28].东亚季风背景下的海洋气团含有更低的放射性核素(主要是222Rn及其子体)浓度水平,同时海洋气团也往往含有更高的湿度,并伴随较强的降雨.由此可见,夏季的低γ辐射空气吸收剂量率最主要的原因是由于海洋气团中本身所含的放射性核素(主要是222Rn及其子体)通量来源较低,而非降雨所致,不能将“降雨”与低γ辐射空气吸收剂量率进行简单的因果关联.降雨事件属于小时尺度的现象,空气中氡子体受雨水清洗作用,可使γ辐射空气吸收剂量率短时间内增加50%～100%(升高的程度决定于降雨间隔以及降雨量,升高水平可持续几小时),然后随着土壤中水分增加产生屏蔽作用导致γ辐射空气吸收剂量率下降约5%,最后随着土壤水分饱和的消失而恢复至正常水平[23].因此,小时尺度下降雨过程的γ辐射空气吸收剂量率经历“高-低-正常”复杂的快速变化特征,难以用于对应解释季节尺度的夏低冬高特征.总之,本文强调东亚季风影响下的海洋气团和大陆气团不同来源转换是最终影响γ辐射空气吸收剂量出现夏低冬高季节特征的主要因素,而非降雨.

2.4 潮汐涨落控制昼夜尺度上γ辐射空气吸收剂量率

在昼夜尺度上,图5显示,2019年福清小麦屿站位在春夏秋冬(选择1月、4月、7月、10月的26～28日)的4个季节中均存在γ辐射空气吸收剂量率的日周期变化特征,即每天一般出现两次高值和两次低值的现象,且相邻两个高值或低值间隔的时间均在12h左右.

图5 福清小麦屿站位γ辐射空气吸收剂量率与郎官站潮高的昼夜变化特征

叉号代表日分隔,三角代表季节分隔

其它研究也观察到γ辐射空气吸收剂量率日周期变化的特征[15],并指出该特征可能与昼夜尺度下温度变化、湿度、气压、海陆风向变化等因素有一定关系.白天温度升高,有利于土壤中222Rn向上方大气的释放,导致γ辐射空气吸收剂量率增加;温度也与大气稳定度密切相关,即白天温度上升促进垂向对流,而夜晚温度下降不利于垂向对流.强对流有利于222Rn及其子体核素的向上稀释扩散,并导致空气中放射性核素浓度降低,以及γ辐射空气吸收剂量率的下降.海陆风环流是沿海地区最常见的中尺度局地环流,由海陆热力性质差异决定,受太阳辐射强度影响的昼夜温差将导致海陆风向的昼夜差异[29].已有研究指出广西海风在13:00开始,20:00结束,陆风在1:00开始,10:00结束[30];福建初始海风时刻平均在8:00,结束时刻平均在20:00[31].海陆风的昼夜交替变化,也可能影响γ辐射空气吸收剂量率的日周期变化特征.

但是,本文存在2次高值和2次低值的日周期现象,而且高值与低值出现的时间随着季节而变动.比如,1月份高值分别出现在3:00和15:00左右,低值分别出现在10:00和23:00左右;4月高值分别出现在6:00和18:00左右,低值分别出现在11:00和23:00左右;7月高值分别出现在1:00和14:00左右,低值分别出现在6:00和19:00左右;10月高值分别出现在4:00和16:00左右,低值分别出现在11:00和22:00左右.相邻2个高值或低值之间相差的时间均在12h左右.鉴于小麦屿站位靠近海边,该现象可能与潮汐有关.图5显示,γ辐射空气吸收剂量率与潮高存在显著的反相位关系,即γ辐射空气吸收剂量率随着潮高上升而下降.γ辐射空气吸收剂量率与地表环境中放射性核素密切相关.表1显示,海水和海洋沉积物中主要的放射性核素活度典型值,发现海洋沉积物中放射性核素活度是海水中放射性核素活度的100～1000倍[26].因此,涨潮时海水屏蔽海洋沉积物中较高活度的放射性核素,导致γ辐射空气吸收剂量率下降;反之,落潮时沉积物中较高活度的放射性核素导致γ辐射空气吸收剂量率上升.

表1 海水和海洋沉积物的典型活度对比[26]

2.5 降雨事件影响小时尺度γ辐射空气吸收剂量率

在小时尺度上,图6显示,2017年5月7～12日小麦屿站位的γ辐射空气吸收剂量率的波动范围为85.9～91.3nGy/h,平均值为88.96nGy/h.当降雨事件发生时,γ辐射空气吸收剂量率会出现具有一定时间滞后性的异常升高,且超出了正常情况下γ辐射空气吸收剂量率的3倍标准偏差范围.国内外学者对降雨事件的影响已经进行较为深入的研究[9-11],发现降雨过程的γ辐射空气吸收剂量率经历“高-低-正常”的小时尺度下的变化特征[23].总之,降雨事件通过短时间内清除空气中氡子体214Pb和214Bi至地表,进而显著改变γ辐射空气吸收剂量率,具体过程机制还与雨量、降雨时段、季节及其他气象因素等有关[9].

图6 2017年5月7～12日福清小麦屿站位降雨事件与γ辐射空气吸收剂量率的变化趋势

3 结论

3.1 年际尺度上,太阳活动与γ辐射空气吸收剂量率存在反相位关系.

3.2 季节尺度上,东亚季风影响下海洋气团和大陆气团不同来源的转变控制γ辐射空气吸收剂量率的夏低冬高的季节特征.

3.3 昼夜尺度上,潮汐涨落与γ辐射空气吸收剂量率的昼夜变化存在显著的反相位规律.

3.4 小时尺度上,降雨事件通过清除空气中氡子体214Pb和214Bi至地表,短期内显著提高γ辐射空气吸收剂量率.

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Mechanism of the variable γ radiation air absorbed dose rate in the atmosphere.

LIN Wu-hui1,2*, WANG Shi-yue1, HUANG Ya-ping3, HE Xian-wen4, HUANG Jin-xiu1, YAN Jin-pei5

(1.School of Marine Sciences, Guangxi University, Nanning 530004, China；2.Guangxi Key Laboratory on the Study of Coral Reefs in the South China Sea, Guangxi University, Nanning 530004, China；3.Fujian Environmental Radiation Supervision Station, Fuzhou 350012, China；4.Radiation Environment Supervision and Management Station of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530222, China；5.Key Laboratory of Global Change and Marine-Atmospheric Chemistry, Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Xiamen 361005, China)., 2022,42(3)：1097～1103

In this study, the high-frequency and long-term continuous monitoring data of the γ radiation air absorbed dose rate nearby the three nuclear power plants in Guangxi (Fangchenggang City) and Fujian (Fuqing City and Ningde City) Province was comprehensively discussed from the perspective of different time scales to explore the variable characteristics and regulation mechanism of the γ radiation air absorbed dose rate. At the interannual scale, the γ radiation air absorbed dose rate had a reverse relationship with solar activity on the basis of long term monitoring at Yushandao station in Ningde City from 2014 to 2020. At the seasonal scale, the East Asian monsoon dominantly contributed to the seasonal characteristics of low in summer and high in winter for the γ radiation air absorbed dose rate. At the diurnal scale, tide significantly affected the diurnal fluctuations of the γ radiation air absorbed dose rate. At the hour scale, rainfall event would remove the radon progenies of214Pb and214Bi from the atmosphere to the surface soil, leading to a sudden increase in the γ radiation air absorbed dose rate.

nuclear power plant；γ radiation air absorbed dose rate；East Asia monsoon；rainfall event；solar activity；tide

X591

A

1000-6923(2022)03-1097-07

林武辉(1987-),男,福建泉州人,博士,主要从事海洋和大气中放射性核素测量、评价、示踪应用研究.发表论文30余篇.

2021-08-16

国家自然科学基金资助项目(41906043);广西自然科学基金资助项目(2019GXNSFAA185006,2021GXNSFAA220053);自然资源部海洋大气化学与全球变化重点实验室开放基金资助项目(GCMAC2005);大学生创新创业训练计划项目(202110593024)

*责任作者, 副教授, linwuhui8@163.com