绵阳地区近地面气溶胶中7Be和210Pb分布特征及其对O3的示踪

刘宇航，黄 英，古 川，杜元媛

(绵阳市辐射环境监测站，四川 绵阳 621000)

天然放射性核素7Be是由宇宙射线轰击14N和16O靶核而产生的放射性核素，半衰期为53.3 d[1-3]。7Be主要在平流层产生、赋存，当7Be形成以后，被快速吸附在亚微米级气溶胶微粒表面，随着大气动力过程而迁移，通过干、湿沉降进入地表环境，最后通过放射性衰变而消失。在平流层产生和富集的7Be，通过全球尺度的Brewer-Dobson环流，被输送到对流层或者通过平流层与对流层交换进入对流层[4-6]。天然放射性核素210Pb是陆生放射性核素，半衰期为22.3 a，已有研究表明[7-9]：210Pb由地球表面(土壤或岩石)析出的222Rn在大气中直接衰变而来，最终通过干、湿沉降和衰变而消失。

近年来，世界气象组织的全球大气监测计划(Global Atmosphere Watch)建议把222Rn、7Be和210Pb作为常规观测内容之一[10]。由于天然放射性核素是人类所受辐射最主要的来源[11-12]，在我国，7Be和210Pb是大气气溶胶辐射环境质量监测必测核素，观测其长期变化具有重要意义。此外，由于7Be和210Pb具有已知的来源和去向，在环境物质来源示踪方面具有广泛的应用[10-13]，可以作为环境物质来源的示踪物。

O3是近年来最主要的大气污染物之一，主要来源是高对流层向下动力输送和近地面光化学转化过程，现有研究主要是对其现状的监测，而少有对其来源的研究。我国辐射环境质量监测分布不均匀，在东部许多城市都有气溶胶中7Be和210Pb观测的相关报道[14-18]，但都缺乏时间和空间上连续性的报道，在污染物示踪方面应用更少。环境监测为环境污染治理提供最直观的基础数据，辐射环境监测作为环境监测的一部分，在大气污染防治中发挥着重要作用。本文通过对绵阳地区近一年(2018年3月至2019年2月)近地面气溶胶的γ能谱分析，建立了该地区近一年来气溶胶中7Be和210Pb活度浓度动态变化趋势，掌握绵阳地区近地面空气的辐射环境质量状况，初步探索7Be和210Pb作为示踪物质在近地面O3来源方面的应用。

1 采样与实验

2018年3月至2019年2月，在绵阳市安州区(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)、梓潼县(31.64°N,105.17°,海拔491.72 m)和平武县(32.41°N,104.55°E,海拔858.49 m)开展近地面气溶胶采样和监测分析工作。4个监测点依托辐射环境自动监测站内配置的大流量气溶胶采样器开展采样工作，采样器型号为HRHA01-LFS120D/A2，采样器流量、温度和压强等参数均通过中国计量测试研究院检定。4个辐射环境自动监测站均建在办公楼5楼楼顶，采样器进气口距地面高度约为20 m，避免地面汇集7Be和210Pb核素二次沉降的干扰。采样使用聚丙烯滤膜，设置采样流速为1.0 m3min-1，总采样体积为标准状况下不小于10 000 m3；采样前后分别对滤膜在恒温恒湿条件下称重，获得气溶胶样品重量；按照《辐射环境监测技术规范》(HJ/T61—2001)做好气溶胶样品采样原始记录表，包括采样起止时间、温湿度以及天气状况等信息。采样完成后，将采样滤膜折叠后在Ф70 mm或者Ф50 mm的模具里面压制为饼状，封装在专用样品盒或聚乙烯自封袋中待测。

本次实验使用的测量仪器为美国ORTEC公司GEM35P4型低本底高纯锗γ谱仪，对1 332 keV全能峰分辨率为1.85 keV，24小时内测量本底小于1.9 CPS。该测量仪器通过中国计量测试研究院检定，配备有气溶胶样品标准物质和无源效率刻度软件，通过无源效率刻度计算气溶胶标准物质样品核素活度浓度最大相对偏差为15%，测量结果可靠。为减少测量中统计计数的不确定度，本次实验单个样品和空白样品(本底谱)测量时间为24小时，测量方法严格依照《高纯锗γ能谱分析通用方法》GB/T 11713—2015和《空气中放射性核素的γ能谱分析方法》WS/T 184—2017的规定操作分析和计算，测量结果通过衰变修正到采样结束时间。近地面O3浓度数据来源于绵阳市生态环境局官方网站(Http://sthjj.my.gov.cn/mygov/150650887172259840/index.html)。4个近地面O3监测站点位置与以上4个近地面气溶胶监测点位置完全一致。

2 结果与讨论

2.1 绵阳地区近地面气溶胶中7Be、210Pb分布特征

绵阳地区4个监测点气溶胶中7Be和210Pb核素活度浓度测量值列于表1。由表1可见，绵阳地区4个监测点气溶胶中7Be核素活度浓度年最大变幅范围为0.33～4.20 mBq/m3，年平均值变幅范围为1.90～2.13 mBq/m3，与全球7Be年平均值2.45 mBq/m3基本一致[19]，远远低于高海拔地区的青海瓦里关山和贵州观风山，也低于西安、杭州、深圳等地；气溶胶中210Pb核素活度浓度年最大变幅范围为0.78～3.15 mBq/m3，年平均值变幅范围为1.24～1.66 mBq/m3，为全球陆地上210Pb值变幅范围0.5～1.5 mBq/m3相对高值[20]，与四川盆地成都地区210Pb年均值1.5 mBq/m3基本相当[12]，较高活度浓度的210Pb指示输入气团来自陆地边界层气团，因为水体对222Rn的迟滞效应，海洋边界层气团中210Pb比陆地中低很多[21]。

表1 绵阳及其他地区近地面气溶胶中7Be、210Pb活度浓度值范围及年均值(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来自平流层或较高对流层，210Pb来自地面，它们吸附在气溶胶上以后通过大气对流过程参与大气循环。较高活度浓度的7Be和较低活度浓度的210Pb代表大气垂直向下对流较强，反之则代表大气垂直向下对流较弱[2]；较低活度浓度的7Be和较低活度浓度的210Pb代表大气对流活动较弱，而较高活度浓度的7Be和较高的210Pb代表气团受高纬度大陆性气团(西伯利亚秋冬季冷空气)的影响[20]。由于7Be和210Pb具有确定的来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义。郑向东等认为综合性地考虑7Be和210Pb的共同示踪作用能有效表征垂直输送过程[21]；朱厚玲等认为高7Be/210Pb比值代表大气团强垂直对流过程，低7Be/210Pb比值代表大气团弱垂直对流过程[2]；Koch等模拟结果也发现，理论上应用7Be/210Pb比值比单个核素更能有效指示气溶胶的垂直输送过程，但由于大气团中210Pb运动复杂性，还应结合7Be、210Pb值分析[19]。

绵阳地区4个监测点采样口离地面距离约为20 m，该采样口处气溶胶主要来自大气输送的三个方向：垂直向下、垂直向上和水平方向。绵阳地区近地面气溶胶中7Be、210Pb活度浓度值年度变化及其与O3的变化关系如图1所示。通过图1分析发现：除安州区监测点外，其余三个监测点气溶胶中7Be核素活度浓度表现为夏季较低、春秋季相对较高的变化特征，在春季有明显高值，体现出与全球观测点报道一致的7Be“春季泄漏”特征[22]，在夏季7、8月出现最低值，指示强降雨季节对短半衰期7Be核素“湿清除”效应[23]，绵阳地区近地面气溶胶中7Be全年变化呈现与全球中纬度地区(30°N～40°N)一致的变化规律[24]，体现出内陆、中纬度、低海拔地区的特征[15]；四个监测点近地面气溶胶中210Pb活度浓度总体呈现“U”型变化特征，在春季末或夏季出现年最小值，在冬季出现年最大值。安州区监测点与其他三个监测点气溶胶中7Be和210Pb核素活度浓度在秋、冬季的变化存在明显差异。安州区监测点气溶胶中7Be和210Pb核素活度浓度在秋、冬季为同步变化，表明气溶胶中7Be和210Pb核素具有同源属性，大气输送以水平方向为主，可能受到西伯利亚秋冬季冷空气的影响较大，而其他三个监测点大气输送较为复杂。

注：“日最大8小时值”即为日内任意时刻起连续8小时测量平均浓度最大值。图1 绵阳地区近地面气溶胶中7Be、210Pb活度浓度值年度变化及其与O3的变化关系Fig.1 Annual variation of 7Be and 210Pb activity concentrations in surface aerosols in Mianyang area and their relationship with O3

从全年来看，安州区监测点较其他三个监测点7Be活度浓度年平均值偏低，江油市、梓潼县和平武县监测点7Be活度浓度年平均值基本相当，而210Pb活度浓度年平均值则存在微弱地区差异性。主要原因是受各地地形差异导致大气输送过程的不同，江油市、梓潼县和平武县位于狭长的河谷地带，常年盛行下层气流，而安州区位于开阔的平原地带，下层气流与水平气流并存。

本文中季节划分参照《气候季节划分》中气象方法划分，以3月至5月为春季，6月至8月为夏季，9月至11月为秋季，12月至2月为冬季。

2.2 绵阳地区近地面气溶胶中7Be和210Pb对O3的示踪意义

空气中的臭氧主要来源于两部分：高空大气中氧分子受太阳辐射等活动的影响形成的臭氧，后经大气垂直输送到达近地面；人类活动产生的污染物，如氮氧化物等，经过光化学过程最终形成臭氧。通过对绵阳地区近地面气溶胶中7Be、210Pb活度浓度以及7Be/210Pb比值与近地面O3浓度的皮尔逊相关性分析及P值检验，结果列于表2。由表2可见：总体上，7Be和7Be/210Pb比值与O3为正相关关系，而210Pb与O3为显著负相关关系；所有P值均小于0.01，为非常显著。

由表2可见，梓潼县和平武县监测点近地面气溶胶中7Be/210Pb比值(210Pb核素活度浓度)与近地面空气中O3浓度为非常显著正(负)相关关系，7Be/210Pb比值是大气垂直对流强度指标，210Pb是典型陆生天然放射性核素，产生于地球表面，表明绵阳地区梓潼县和平武县近地面空气中O3来源受大气垂直对流活动影响较大，主要为高空大气向下输送过程的贡献；在江油市监测点，皮尔逊相关系数r值较低，特别是7Be与O3为非常显著不相关关系，表明江油市近地面空气中O3来源主要为地面污染物的光化学转变过程的贡献；在安州区监测点，近地面气溶胶中210Pb核素活度浓度(7Be/210Pb比值)与近地面空气中O3浓度为非常显著负(正)相关关系，而且近地面气溶胶中7Be活度浓度与近地面空气中O3浓度为非常显著负相关关系，表明该区域近地面空气中O3主要为大气水平输入过程，而近地面空气中O3来源既可能来自高空输入也可能来自地面污染物的光化学转变，因此，在使用以上示踪指标时应谨慎应用。

表2 绵阳地区近地面气溶胶中7Be、 210Pb活度浓度以及7Be/210Pb比值与近地面O3浓度的相关性分析Tab.2 Correlation analysis between 7Be,210Pb activity concentrations,7Be/210Pb ratio and surface O3 concentration in near surface aerosols in Mianyang area

本文初步探讨了近地面气溶胶中7Be和210Pb的分布特征及其对近地面空气中O3来源的示踪意义，但由于实验条件的限制，单个样品采用周期较长，导致时间分辨率较差，而且目前仅有一年的连续监测数据，在示踪机理方面也未进行深入研究，缺乏气象参数辅助分析，在今后研究中应加强这些方面的工作。

3 结论

(1)绵阳地区气溶胶中7Be核素活度浓度年均值为1.90～2.13 mBq/m3，与全球7Be年平均值基本一致，远远低于高海拔青海瓦里关山和贵州观风山地区，略低于西安、杭州和深圳等地；气溶胶中210Pb核素活度浓度年均值为1.24～1.66 mBq/m3，为全球陆地上210Pb相对高值，但与四川盆地成都地区210Pb年均值基本相当。

(2)绵阳安州区、江油市、梓潼县和平武县近地面气溶胶中7Be活度浓度在春、秋季节相对较高，而夏季最低，表现出与全球一致的内陆、中纬度和低海拔地区年度分布特征；4个监测点气溶胶中210Pb活度浓度全年总体呈现为“U”分布特征。

(3)绵阳地区气溶胶中7Be/210Pb比值能作为近地面空气中O3来源的良好示踪指标。绵阳地区，特别是梓潼县和平武县，近地面空气中O3来源受大气垂直对流活动影响较大。