8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 145 Κατανομή Cs-137 στις βαθιές λεκάνες του Αιγαίου Πελάγους Χ. Τσαμπάρης 1, E. Καμπέρη 1, R. Delfanti 2 C. Papucci 2, Β. Ζερβάκης 3 και Κ. A. Κάλφας 4 1 Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών, Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας 2 ENEA-Marine Environment Research Centre, Italy 3 Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Τμήμα Θαλάσσιων Επιστημών, Ελλάδα 4 Ερευνητικό Κέντρο Φυσικών Επιστημών-Δημόκριτος, Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής, Ελλάδα e-mail: tsabaris@ath.hcmr.gr ΠερIληψη Η δεύτερη περισσότερο ρυπασμένη θάλασσα (μετά τη Βαλτική) από το ατύχημα του Chernobyl είναι η Mαύρη Θάλασσα. Όσον αφορά τη Μεσόγειο, η κύρια είσοδος ραδιενεργών ρύπων από το ατύχημα ήταν η ατμοσφαιρική απόθεση (τουλάχιστον 2.8 PBq Cs-137), ενώ η συνεισφορά της Μαύρης Θάλασσας εκτιμήθηκε να είναι περίπου 0.03 PBq/year. Επίσης η μέση συγκέντρωση στα επιφανειακά νερά του Αιγαίου ήταν 5.7 Bq/m 3 το 1990, ενώ τα επίπεδα του 137 Cs σε άλλες περιοχές με έντονη ατμοσφαιρική απόθεση ήταν 2-3 τάξεις μεγέθους υψηλότερα των προ-τσερνομπίλ συγκεντρώσεων. Στη συγκεκριμένη εργασία μετρήθηκε η κατακόρυφη κατανομή της συγκέντρωσης του 137 Cs στις βαθιές λεκάνες του Αιγαίου Πελάγους, με δεδομένο ότι το κέσιο αποτελεί σημαντικό ιχνηθέτη για διαδικασίες μεταφοράς μαζών στο θαλάσσιο περιβάλλον, είναι συντηρητικό ραδιονουκλίδιο στο θαλασσινό νερό και παραμένει στο θαλάσσιο περιβάλλον από προηγούμενες πυρηνικές δοκιμές όπως επίσης και από απόβλητα πυρηνικών αντιδραστήρων. Η κατ όγκον ενεργότητα του 137 Cs στις βαθιές λεκάνες του Αιγαίου Πελάγους βρέθηκε να κυμαίνεται από 3 έως 5 Βq/m 3 και συσχετίσθηκε με άλλες φυσικοχημικές παραμέτρους όπως αλατότητα, θερμοκρασία και πυκνότητα. Λέξεις Κλειδιά: ραδιενέργεια, Cs-137, Αιγαίο Πέλαγος Radiocesium profiles at the deep basins of the Aegean Sea C. Tsabaris 1, H. Κaberi 1, R. Delfanti 2 C. Papucci 2, V. Ζervakis 3 και C. A. Κalfas 4 1 Hellenic Centre for Marine Research, Institute of Oceanography 2 ENEA-Marine Environment Research Centre, Italy 3 University of Aegean, Department of Marine Sciences, Greece 4 NuclearCentre for Sceintific Research -Demokritosς,Institute of Nucelar Physics, Greece Abstract The second most polluted sea (after the Baltic Sea) from the Chernobyl accident is the Black Sea. For the Mediterranean Sea, the main contribution from Chernobyl was from atmospheric deposition (at least 2.8 PBq of 137 Cs) while the contribution from the Black Sea was estimated to be about 0.03 PBq/year. The mean 137 Cs concentration in the surface water of the Aegean sea was 5.7 Bq/m 3 in 1990, whereas 137 Cs radioactivity levels were 2-3 orders of magnitude higher than the pre-chernobyl levels at locations receiving high fallout after the accident. In this work the vertical distribution of 137 Cs is measured in the deep basins of the Aegean Sea since 137 Cs is an important tracer of process and transport in the marine environment for periods of years to decades, it is a conservative radionuclide in seawater and remains in the marine environment from previous atmospheric nuclear test as well as from nuclear power and processing facility discharge. The volumeric activitiy profiles varied from 3 to 5 Bq/m 3 and are correlated with other physico-chemical parameters like salinity, temperarure and density.
146 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Εισαγωγη Είναι γνωστό ότι το κέσιο, έχοντας τις ιδιότητες συντηρητικού στοιχείου, βρίσκεται σε διαλυτή μορφή στο θαλάσσιο περιβάλλον. Στο Αιγαίο πέλαγος εισέρχεται κυρίως από την ατμόσφαιρα αλλά και διαλυμένο στα νερά της Μαύρης Θάλασσας δια μέσου των στενών των Δαρδανελίων. Η αύξηση της συγκέντρωσης του κεσίου λόγω του ατυχήματος του Chernobyl δημιούργησε ανομοιόμορφη απόθεση λόγω της κατεύθυνσης του ανέμου τη συγκεκριμένη περίοδο. Έχει εκτιμηθεί ότι περίπου 800TΒq Cs-137 έχουν αποτεθεί στην επιφάνεια του Αιγαίου και του Ιονίου πελάγους (Κρητίδης & Φλώρου) και περίπου τέσσερις φορές περισσότερο στη Μαύρη Θάλασσα (Vakulosky et al., 1994). Επίσης τα ποτάμια που εκβάλουν στη Μαύρη Θάλασσα αυξάνουν τη ρύπανση της θάλασσας με αποτέλεσμα οι τιμές συγκεντρώσεων ραδιονουκλιδίων να είναι αρκετά υψηλότερες σε σχέση με άλλες θαλάσσιες περιοχές της Μεσογείου. Για τον προσδιορισμό του Cs-137 χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος φασματοσκοπίας-γ, σε προσυγκεντρωμένα δείγματα θαλασσινού νερού. Ανιχνεύτηκε δηλαδή η 661.2 kev χαρακτηριστική ακτίνα-γ της αποδιέγερσης του ραδιενεργού Cs-137 χρησιμοποιώντας ανιχνευτική διάταξη HPGe με τα απαραίτητα ηλεκτρονικά για την συλλογή και καταγραφή των πειραματικών δεδομένων. Από την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων προέκυψε ότι η περιεκτικότητα του Cs-137 στο Αιγαίο βρίσκεται σε χαμηλά επίπεδα, ενώ παρουσιάζονται ανιχνεύσιμες διακυμάνσεις των κατακόρυφων κατανομών του στις βαθιές λεκάνες του Βορείου Αιγαίου που αποδίδονται στην ανάμιξη διαφορετικών θαλασσίων μαζών. Μεθοδοι και Συστηματα Ανιχνευσης 2.α. Περιοχή Δειγματοληψίας Το Φεβρουάριο 2004 πραγματοποιήθηκε δειγματοληψία σε διάφορες λεκάνες του Αιγαίου Πελάγους, στους σταθμούς DB2, DB4, DB7 και DΒ8. Η δειγματοληψία έγινε με με φιάλες Niskin των 10 λίτρων στερεωμένες σε δειγματολήπτη νερού (ροζέτα). Ταυτόχρονα πάρθηκαν και δεδομένα αλατότητας, θερμοκρασίας και οξυγόνου σε όλο το βάθος των λεκανών. Οι σταθμοί δειγματοληψίας φαίνονται στο Σχήμα 1. Σχήμα 1. Χάρτης σταθμών δειγματοληψίας.
8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 147 Σχήμα 2. Το ανιχνευτικό σύστημα μέτρησης ακτινοβολίας ακτίνων-γ. 2.β. Αναλυτική Μέθοδος Για την προσυγκέντρωση των δειγμάτων θαλασσινού νερού ακολουθήθηκε η αναλυτική διαδικασία που περιγράφεται από τον Dutton (1970). Σε 20-40 l θαλασσινού νερού έγινε αμέσως προσθήκη HCl μέχρι ph 1. Στο εργαστήριο το Cs-137 απομακρύνθηκε από το οξυνισμένο δείγμα με προσρόφηση πάνω σε φωσφομολυβδενικό αμμώνιο (AMP) το οποίο στη συνέχεια καταβυθίζεται. Στο ίζημα που απομονώνεται μετριέται το Cs-137 με φασματοσκοπία-γ. Για τον προσδιορισμό του συντελεστή απόδοσης της χημικής μεθόδου χρησιμοποιήθηκε σαν εσωτερικός ιχνηθέτης γνωστή ενεργότητα Cs-134. Η μέση χημική απόδοση ήταν 86-90%. 2.γ. Ανιχνευτικό Σύστημα Οι μετρήσεις και η ανάλυση δεδομένων έγινε στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής του ΕΚΕ- ΦΕ Δημόκριτος. Οι μετρήσεις έγιναν με ανιχνευτή Γερμανίου (ομοαξονικός, τύπου Canberra, n-type) με απόδοση 80% και διακριτική ικανότητα 2.15 kev στην ενέργεια εκπομπής του Co-60 1.33 MeV. Το ανιχνευτικό σύστημα ήταν θωρακισμένο με μόλυβδο με σκοπό τη μείωση του υποβάθρου που προκύπτει από τις περικλείουσες στον περιβάλλοντα χώρο ακτίνες γάμμα (Σχήμα 2). Για τη συλλογή δεδομένων χρησιμοποιήθηκε πολυκαναλυτής (MCA) από την εταιρεία ORTEC όπως επίσης και το αντίστοιχο λογισμικό. H βαθμονόμηση ενέργειας και ολικής απόδοσης έγινε με πηγή αναφοράς 152 Eu(93%)+ 154 Eu(7%) η οποία φτιάχτηκε και βαθμονομήθηκε στον Δημόκριτο για την συγκεκριμένη εφαρμογή. Η εμπειρική σχέση που χρησιμοποιήθηκε για την βαθμονόμηση απόδοσης δίνεται από τη σχέση: y=ax b /C+x d Όπου: y η απόλυτη απόδοση του ανιχνευτικού συστήματος, χ η ενέργεια των ακτίνων-γ και b,d, A, C ελεύθερες παράμετροι. Η ίδια γεωμετρία χρησιμοποιήθηκε για όλα τα δείγματα και ο χρόνος μέτρησης για τα περισσότερα ήταν 24 ώρες εκτός από αυτά που είχαν χαμηλή συγκέντρωση οπότε χρειάστηκαν 48 ώρες. Κάθε 2 ημέρες γινόταν μέτρηση υποβάθρου για μελέτη πιθανών μεταβολών. Ένα τυπικό φάσμα αναπαρίσταται στο Σχήμα 3 πριν και μετά την αφαίρεση του υποβάθρου.
148 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Σχήμα 3. Φάσμα ακτίνων-γ μετά την αφαίρεση της ακτινοβολίας υποβάθρου Για να μελετηθούν τα φάσματα των δειγμάτων και να μπορέσουν να προκύψουν πληροφορίες απαραίτητες για την εξαγωγή συμπερασμάτων, χρησιμοποιήθηκε ειδικό λογισμικό το οποίο έχει αναπτυχθεί στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος (KALFAS, 2000). Αποτελeσματα-Συμπερeσματα Στην εργασία παρουσιάζονται αρχικά αποτελέσματα των μετρήσεων Cs-137 στο Αιγαίο Πέλαγος και η συσχέτισή τους με υδρολογικές παραμέτρους. Κύριο αντικείμενο είναι η διαπίστωση της μεταβολής συγκέντρωσης του Cs-137 ως συνάρτηση του βάθους των λεκανών τόσο στο Βόρειο όσο και στο Νότιο Αιγαίο. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν δείγματα από τέσσερις βαθιές λεκάνες του Αιγαίου, Άγιο Όρος (DB2), Βόρειες Σποράδες (DB4), Μυρτώο Πέλαγος (DB7) και Κρητικό πέλαγος (DB8). Τα επίπεδα των συγκεντρώσεων Cs-137 στα επιφανειακά νερά πλησιάζουν αυτά που υπήρχαν προ του Chernobyl κυμαινόμενα μεταξύ 2-3 Bq/m 3. Διαπιστώθηκε όμως ότι στις βαθιές λεκάνες παρουσιάζουν ανιχνεύσιμες διακυμάνσεις συναρτήσει του βάθους. Ένα παράδειγμα δίνεται στο Σχήμα 4 για τον σταθμό DB4 (Βόρειες Σποράδες). Στο συγκεκριμένο γράφημα οι συγκεντρώσεις Cs-137 μεταβάλλονται από 4.5 Βq/m 3 στα επιφανειακά στρώματα έως 5.6 Βq/m 3 στα βαθύτερα στρώματα. Η μεταβολή των συγκεντρώσεων Cs-137 αναπαρίσταται μαζί με τη μεταβολή της αλατότητας, θερμοκρασίας, πυκνότητας και οξυγόνου. Οι συγκεντρώσεις στα βαθύτερα στρώματα της λεκάνης παρουσιάζουν πενταπλάσια αύξηση σε σχέση με τις τιμές που είχαν μετρηθεί πριν το ατύχημα του Chernobyl (Φλώρου, 1992). Η μεγάλη αυτή αύξηση οφείλεται στην ανάμιξη θαλάσσιων μαζών από τα επιφανειακά στρώματα (τα οποία παρουσίασαν συγκεντρώσεις μέχρι και 500 Bq/m 3 μετά το ατύχημα) με βαθύτερα στρώματα μετά τον σχηματισμό βαθιών νερών, φαινόμενο που περιγράφεται από τους ZERVA- KIS et al (2000). Λεπτομερέστερη μελέτη της συσχέτισης που επιχειρήθηκε παραπάνω γίνεται με μετρήσεις Cs-137 και σε άλλες βαθιές λεκάνες του Αιγαίου Πελάγους, αλλά με δειγματοληψία νερού από περισσότερα βάθη σε κάθε σταθμό έτσι ώστε να σχηματίζεται καλύτερη εικόνα της κατακόρυφης κατανομής του Cs-137. Επίσης έχει μελετηθεί και η συσχέτιση της συγκέντρωσης του Cs-137 με την αλατότητα. Σύμφωνα
8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 149 oxygen[μmol/kg] 200 210 220 230 240 250 260 temp[ 0 C] 12 13 14 15 16 17 18 Salinity [psu] 37,4 37,6 37,8 38,0 38,2 38,4 38,6 38,8 39,0 0 200 400 137Cs(Bq/m 3 ) 600 dissolved oxygen pressure 800 1000 salinity Temperature 1200 1 2 3 4 5 6 [Bq/m 3 ] Σχήμα 4. Τα προφίλ του Cs-137 της βαθιάς λεκάνης DB4. με παλαιότερες μελέτες, υπάρχει φθίνουσα γραμμική συνάρτηση ανάμεσα στο Cs-137 και στην αλατότητα, όμως χρειάζονται περισσότερα δεδομένα για να εξαχθούν ασφαλή αποτελέσματα. Οι νέες μετρήσεις θα συνεισφέρουν σημαντικά στην ανάπτυξη μοντέλων εκτίμησης συγκέντρωσης Cs-137 στις βαθιές λεκάνες του Αιγαίου Πελάγους. Τα μοντέλα αυτά βασίζονται στην εξισορρόπηση της άνωσης θαλάσσιων μαζών με το ρυθμό αλλαγής της πυκνότητάς τους. Οι μετρήσεις αυτές θα συνεισφέρουν σημαντικά επίσης και στην κατανόηση της διασποράς του Cs-137 στο θαλάσσιο περιβάλλον όπου με τον τρόπο αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ιχνηθέτης διαφορετικών υδάτινων μαζών. Βιβλιογραφiα Dutton, J. W. R., 1970. The determination of radiocaesium in sea and fresh waters. Technical Report Fish and Radiobiology Laboratory No. 6, Lowestoft, UK: Ministry of Agriculture, Fisheries and Food, Directorate of Fisheries Research. Florou H., 1992. Distribution and behaviour of long-lived radionuclides in marine ecosystems (Greece). PhD thesis, Department of Zoology, University of Athens. KALFAS Κ., 2000. SPECTRG- Software Package for Analysis of Gamma-Ray Spectra. Kritidis P. and H. Florou, 1990. Estimation of the 137 Cs deposited in Aegean, Creatan and Ionian Seas after the Chernobyl accident. Rapp.Comm.Int.Mer.Medit., 32, p.318. Vakulosky, S.M., A. I. Nikitin, V. B. Chumichev, I. Yu Katrich, O. V. Voitsekhovich, V.I Medinents, V. V. Pisarev, L. A. Bovkun, E.S. Khersonsky, 1994. Caesium-137 and Strondium-90 contamination of water bodies in the area affected by releases from the Chernobyl NPP accident: an overview. Journal of Environmental Radioactivity, 23, pp. 103-122. Zervakis, V., Georgopoulos, D., Drakopoulos, P. G., 2000. The role of the North Aegean in triggering the recent Eastern Mediterranean climatic changes. Journal of Geophysical Research, 105, C11, 26,103-26,116.