2011年福岛第一核电站事故释放的137Cs向热带北太平洋的输送

《Journal of Environmental Radioactivity》：Transport of 2011 Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident-derived 137Cs to the tropical North Pacific

　　

研究人员调查了2025年在太平洋约10°N纬度带上137Cs、226Ra和228Ra的分布情况。来自福岛第一核电站事故（FDNPP）的137Cs影响在200米深度处最为显著（0.5–1.3 mBq/L）。基于228Ra数据，沿岸水和亚热带水的影响并不占主导地位。来自FDNPP的137Cs是通过向西流动的北赤道流（NEC）沿热带区域输送的。

论文解读文章

研究背景与科学问题

2011年福岛第一核电站事故（FDNPP）向西北太平洋释放了大量放射性铯，包括半衰期较短的¹³⁴Cs（物理半衰期2.06年）和半衰期较长的¹³⁷Cs（物理半衰期30.2年）。尽管短寿命的¹³⁴Cs浓度已降至检测限以下，但FDNPP来源的¹³⁷Cs仍持续存在于海水中，成为研究洋流系统的理想示踪剂。此前大量研究关注了¹³⁷Cs在日本群岛周边、副热带和亚北极区域、过渡区及边缘海的输运路径，但在热带区域，由于缺乏足够的纬度断面研究，FDNPP来源¹³⁷Cs的输运模式——特别是其来源、路径和时间尺度——仍不清楚。本研究旨在填补这一空白，利用2025年在热带北太平洋西部至中部进行的现场观测，结合天然放射性同位素²²⁶Ra（半衰期1600年，用于垂直输运示踪）和²²⁸Ra（半衰期5.75年，用于识别与沿岸浅海接触的水团），揭示FDNPP-¹³⁷Cs在热带区域的输运规律及相关流系特征。

研究方法概述

本研究依托R/V Mirai MR25-02航次（2025年4–5月），在热带北太平洋沿约10°N纬度带（128°E–173°E）采集40份海水样品（每份约20升），采样深度范围为5–800米，同时额外采集了过渡区站位（MR23-43，2023年10月）的10份样品作为对比。研究人员采用低本底γ能谱法在石川县小矢部地下实验室对样品进行测量，通过磷钼酸铵（AMP）共沉淀法分离放射性铯，通过硫酸钡（BaSO₄）沉淀法分离镭同位素，并利用完全屏蔽的高纯锗探测器进行计数，检测限分别为¹³⁷Cs约0.01 mBq/L、²²⁸Ra约0.03 mBq/L（MR25样品）和0.1 mBq/L（MR23样品）。

研究结果

3.1 盐度与²²⁶Ra、²²⁸Ra分布

沿断面A（约10°N），表层盐度变化较大（33.7–35.2），其中断面东侧（transect-eA，140°–173°E）盐度（34.1–34.7）明显高于西侧（transect-wA，128°–140°E，33.7–34.0），但低于断面B（>15°N，34.9–35.2）。²²⁶Ra表层浓度为1.0–1.3 mBq/L，低于副热带区域。²²⁸Ra表层浓度为0.03–0.5 mBq/L，同样低于副热带开阔海域，仅在断面wA较高（0.1–0.5 mBq/L）。²²⁸Ra浓度随深度急剧下降，在200米深处已低于检测限（<0.03 mBq/L），表明沿岸水的影响很弱，即使在靠近菲律宾的断面wA也是如此。高²²⁸Ra和²²⁶Ra浓度与低盐度的组合出现在约140°E的MR25-28站位，指示了沿岸水入侵的影响。

3.2 ¹³⁷Cs的空间分布

表层总¹³⁷Cs浓度在断面wA约为1.2 mBq/L，与断面eA（1–1.2 mBq/L）相当或略高，可能与低盐水混合有关。断面B（>15°N）的表层浓度更高（1.4 mBq/L），且与盐度呈正相关（r2=0.74），表明该断面主要受副热带混合区影响。垂直剖面上，沿断面A在200米深度观察到最高的¹³⁷Cs浓度（1.7–2.3 mBq/L），远高于表层（1.0–1.2 mBq/L）和深层（800米处约0.1 mBq/L）。值得注意的是，200米处的¹³⁷Cs峰值甚至超过了副热带区域的最大值（约1.7 mBq/L），且在断面eA尤为突出（1.9–2.3 mBq/L）。该峰值水体的密度（25.5–26σ_θ）与副热带模态水（STMW）相当，但其²²⁸Ra浓度极低（<0.03 mBq/L），与副热带区域明显不同。从表面到200米深度的¹³⁷Cs储量（0–800米积分）为560–700 Bq/m2，约为副热带区域（2023年MR23数据）的0.55倍。

3.3 向热带区域的输运系统

通过与历史数据（2002年RF02、2012年KS12和SH12、2020年KS20）对比，研究人员发现200米深处的¹³⁷Cs峰值在2025年更为显著。经有效半衰期（24.2年）校正后，FDNPP-¹³⁷Cs浓度（总¹³⁷Cs减去全球沉降本底）在表层为0.25–0.5 mBq/L，在200米深处为0.5–1.3 mBq/L，FDNPP贡献比例（FDNPP-¹³⁷Cs/总¹³⁷Cs）在表层约为0.35，在200米深处约为0.45。断面wA的FDNPP-¹³⁷Cs浓度（约0.7 mBq/L）低于断面eA（0.9–1.3 mBq/L），且2025年的浓度约为2020年的两倍。垂直分布上，热带区域未显示出与STMW或中央模态水（CMW）的明显关联，暗示副热带水团的贡献较低。结合船载声学多普勒流速剖面仪（ADCP）实测数据，100米深处以西向和西北向流为主（速度<50 cm/s），因此研究人员认为，FDNPP-¹³⁷Cs的可能来源之一是从北美西海岸（如加利福尼亚流或阿拉斯加环流内侧）向南输送，随后由北赤道流（NEC）向西携带进入热带区域。虽然断面wA存在低盐度高²²⁸Ra的沿岸水混合，但其影响不占主导地位。

讨论与结论总结

讨论部分指出，热带区域200米深处的¹³⁷Cs峰值与STMW和CMW无明显相关性，表明副热带水团向热带的纵向混合较弱。结合ADCP观测到的西向流场，研究人员提出FDNPP-¹³⁷Cs可能经由阿拉斯加环流—加利福尼亚流系统向南，再被NEC向西输送至研究区域。尽管沿岸水在断面wA有一定贡献，但整体影响有限。随后，这些含¹³⁷Cs的水体可能沿菲律宾—台湾东岸北上，成为黑潮暖流（KWC）的来源之一。

研究结论如下：

1）²²⁸Ra表层浓度低（0.03–0.5 mBq/L）且在200米深处骤降至检测限以下，表明热带区域沿岸水影响不占主导，且垂直混合较弱。

2）总¹³⁷Cs和FDNPP-¹³⁷Cs最大浓度均出现在200米深处，分别为1.7–2.3 mBq/L和0.5–1.3 mBq/L，而表层相应值为1.0–1.2 mBq/L和0.25–0.5 mBq/L。2025年表层至200米深度范围内的浓度约为2020年的两倍。

3）垂直¹³⁷Cs分布与STMW和CMW无显著相关性，暗示副热带水团在热带区域的影响微弱。FDNPP-¹³⁷Cs主要通过西向流（如NEC）沿热带区域（约10°N）输送，尤其在200米深度处最为显著。