2021, Vol. 41
大气气溶胶是固体或液体微粒在空气或其他气体中形成的分散系，其粒径通常在0.01~100 μm之间，它是辐射环境质量、流出物、应急等监测的重要因子[1]。7Be和210Pb分别为宇生和陆生天然放射性核素，7Be来源于大气层顶部的宇宙射线中高能粒子的碰撞并反应。大气中的210Pb主要是由大气中的222Rn经过5级衰变产生，222Rn主要源于地壳中226Ra的衰变，极易从土壤中析出[2-3]。大气中的210Pb可通过吸入及经皮肤进入体内，也可通过进入食物链，以食入的方式摄入体内，对人体健康带来危害[4]。7Be或210Pb一旦在大气中形成就会被大气中亚微米的气溶胶吸附，通过沉降在地表沉积，7Be和210Pb也常被作为大气动力输送研究中的示踪物。本研究在2017年7月至2020年6月间通过大流量气溶胶空气采样器采集北京地区的气溶胶样品，监测与分析大气中7Be和210Pb放射性活度浓度水平。
材料与方法 1、仪器设备采样设备为芬兰SENYA大流量空气气溶胶采样器(SnowWhite)，采样速率为500~700 m3/h，24 h连续采集空气气溶胶样品，采样用滤膜对空气动力学等效直径为0.2 μm的气溶胶的捕集效率>80%，滤膜尺寸为46 cm×57 cm，滤膜质量为6.37 g/张。高纯锗γ能谱分析系统为美国ORTEC公司生产的GEM-MX7080P4，相对探测效率70%，对60Co 1 332.5 keV能量的分辨力为1.9 keV，8~2 800 keV能量范围的积分本底为3.01计数/s，设备由中国计量科学研究院定期检定并合格。高纯锗γ能谱分析系统通过标准源进行能量刻度和效率刻度，标准源购置于美国Eckert & Ziegler，SRS Number 114710，标准源基质与采样滤膜所用的材料相同，标准源放射性活度信息见表 1。
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表 1 标准源放射性活度信息(Bq) Table 1 Standard source radioactivity information(Bq) |
2、样品采集
采样器距离地面约20 m，采样初始流量约600 m3/h。将滤膜放置于大流量空气气溶胶采样器进气端，连续采样24 h后记录采样体积。样品采样日期为2017年7月1日至2020年6月30日，开始时间为每日上午7:40~8:00，1 095 d中共采集并分析1 074份气溶胶样品，其中有21 d由于采样设备故障或调试未进行样品采集。
3、样品制备将采集的气溶胶滤膜置于衰变柜中衰变24 h，使样品中的短寿命的氡钍子体衰变，以提高样品中相关核素的探测灵敏度。将衰变后的滤膜由外向内折叠，放入模具中，使用定制的专用液压机(压力15 t)将其压制成ϕ50 mm圆形薄片，压制后气溶胶样品薄片平均质量为8.17 g，平均厚度为5.12 mm，将其放入ϕ50 mm×5 mm丙烯酸塑料盒中。
4、样品测量在开始测量前，高纯锗γ能谱分析系统已经用标准源完成了能量刻度和效率刻度。将制备好的样品置于高纯锗γ能谱系统探测器顶部，测量时间为20~24 h。
5、放射性活度浓度计算大气气溶胶中核素放射性活度浓度的计算公式为[1]
| $ C = \frac{N}{{{t_l}{\varepsilon _i}{p_i}{V_\sigma }{K_m}{K_d}{K_s}}} $ | (1) |
式中，C为相关核素的在大气中的放射性活度浓度，Bq/m3；N为由GammaVision软件通过自动扣除本底后得出的净峰面积，计数；tl为样品测量活时间，s；εi为所测核素特征峰的探测效率；pi为所测核素特征峰的发射概率；V为标准温度和压力下的采样体积，m3；tlεiσ为取样效率，取1；Km为测量期间的衰变校正因子；Kd为采样结束到开始测量期间的衰变校正因子；Ks为采样期间的衰变校正因子。
| $ {K_m} = \frac{{1 - {\rm{exp}}\left( { - \lambda {t_m}} \right)}}{{\lambda {t_m}}} $ | (2) |
| $ {K_d} = {\rm{exp}}\left( { - \lambda {t_d}} \right) $ | (3) |
| $ {K_s} = \frac{{{\rm{1}} - {\rm{exp}}\left( { - \lambda {t_s}} \right)}}{{\lambda {t_s}}} $ | (4) |
式中，tm为样品测量实时间，s；λ为该放射性核素的衰变常数，s-1；td为从采样结束到开始测量的时间间隔，s；ts为采样持续时间，s。
6、统计学处理采用SPSS 20.0进行统计分析，计量资料采用x±s表示。多样本均数比较采用单因素方差分析，多样本均数之间两两比较采用q检验，P < 0.05为差异有统计学意义。
结果 1、7Be和210Pb的放射性活度浓度总体情况监测的1 074份气溶胶样品中7Be的放射性活度浓度范围为0.56~14.84 mBq/m3，均值为(6.84±2.54)mBq/m3，1 074份样品的7Be的放射性活度浓度频率(各活度浓度区间内的样品数/总样品数)分布见图 1。
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注：放射性活度浓度频率为各活度浓度区间内的样品数/总样品数 图 1 1 074份北京地区大气气溶胶样品7Be放射性活度浓度频率分布图 Figure 1 Frequency distribution of activity concentration of 7Be in 1 074 atmospheric aerosol samples in Beijing |
监测的1 074份气溶胶样品中210Pb的放射性活度浓度范围为0.01~9.37 mBq/m3，均值为(3.19±1.55)mBq/m3，1 074份样品的210Pb的放射性活度浓度频率(各活度浓度区间内的样品数/总样品数)分布见图 2。
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注：放射性活度浓度频率为各活度浓度区间内的样品数/总样品数 图 2 1 074份北京地区大气气溶胶样品210Pb放射性活度浓度频率分布图 Figure 2 Frequency distribution of activity concentration of 210Pb in 1 074 atmospheric aerosol samples in Beijing |
2、不同月份7Be和210Pb的放射性活度浓度水平
不同月份北京地区大气气溶胶样品中7Be和210Pb月均放射性活度浓度变化趋势，见图 3。
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图 3 2017—2020年北京地区大气气溶胶样品7Be和210Pb月均放射性活度浓度 Figure 3 Monthly mean activity concentrations of 7Be and 210Pb in atmospheric aerosol samples in Beijing from 2017 to 2020 |
3、不同季节7Be和210Pb的放射性活度浓度水平比较
根据北京的气象情况，将3—5月划分为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至来年2月为冬季。按季节分别统计7Be和210Pb采样数量、放射性活度浓度范围、平均放射性活度浓度和标准差，见表 2。
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表 2 2017—2020年不同季节北京地区大气气溶胶样品7Be和210Pb季度放射性活度浓度(mBq/m3) Table 2 Quarterly activity concentrations of 7Be and 210Pb in atmospheric aerosol samples in Beijing from 2017 to 2020(mBq/m3) |
2017—2020年北京地区大气气溶胶7Be放射性活度浓度在春、夏、秋、冬四季中差异有统计学意义(F=32.66，P < 0.05)，其中，夏季和冬季两两比较无统计学意义(P>0.05)，其余季节两两比较大气气溶胶7Be放射性活度浓度差异有统计学意义(P < 0.05)。
2017—2020年北京大气气溶胶210Pb放射性活度浓度在春、夏、秋、冬四季中差异有统计学意义(F= 93.83，P < 0.05)，其中春、夏、秋、冬四季两两比较大气气溶胶210Pb放射性活度浓度差异有统计学意义(P < 0.05)。
4、不同年度7Be和210Pb放射性活度浓度水平比较按年度分别统计7Be和210Pb采样月份、采样数量、放射性活度浓度范围、平均放射性活度浓度和标准差，见表 2。
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表 2 2017—2020年北京大气气溶胶样品7Be和210Pb放射性活度浓度(mBq/m3) Table 2 Average annual activity concentrations of 7Be and 210Pb in atmospheric aerosol samples in Beijing from 2017 to 2020(mBq/m3) |
北京地区大气气溶胶7Be放射性活度浓度在2017、2018、2019和2020年中差异有统计学意义(F=9.69，P < 0.05)，2018和2019年7Be放射性活度浓度高于2017年和2020年7Be放射性活度浓度，其中2018和2019年(P>0.05)以及2017年和2020年(P>0.05)两两比较差异无统计学意义。北京大气气溶胶210Pb放射性活度浓度在2017、2018、2019和2020年中差异无统计学意义(P>0.05)。
讨论全国2018年和2019年的7Be放射性活度浓度变化范围分别是0.02~18.00 mBq/m3和0.11~22.00 mBq/m3，全国2018年和2019年的210Pb放射性活度浓度变化范围分别是0.15~8.90 mBq/m3和0.09~5.90 mBq/m3[5-6]。武永伟等[7]分析2013—2016年北京市34份气溶胶样品，其中7Be和210Pb平均放射性活度浓度分别为6.98和2.39 mBq/m3。上述分析结果显示本文调查的2017—2020年北京大气气溶胶中7Be和210Pb放射性活度浓度水平处于正常涨落范围内。国内外研究人员近年来也对大气气溶中的7Be和210Pb放射性活度浓度进行监测和分析。Liu等[8]分析2017年深圳市气溶胶样品，其中7Be和210Pb平均放射性活度浓度分别为3.23和1.58 mBq/m3。印度Mohan等[9]分析了2014—2017年印度西南海岸线的气溶胶样品，7Be和210Pb放射性活度浓度分别为5.5和1.1 mBq/m3。哈萨克斯坦Sambayev等[10]分析该国首都阿斯塔纳2016—2017年气溶胶样品，7Be和210Pb放射性活度浓度分别为5.0和2.1 mBq/m3。意大利Basile等[11]分析了巴勒莫1955—2015年气溶胶样品，7Be和210Pb放射性活度浓度变化范围分别为0.05~5.23 mBq/m3和0.15~2.13 mBq/m3。2017—2020年北京大气气溶胶7Be放射性活度浓度月均最高值出现在5月，为8.97 mBq/m3；4月、6月和9月次之；在7月达到最小值，为5.25 mBq/m3。2017—2020年北京大气气溶胶210Pb放射性活度浓度月均最高值出现在1月，为4.52 mBq/m3；2月、11月和12月次之；在7月达到最小值，为2.13 mBq/m3。
2017—2020年北京大气气溶胶7Be放射性活度浓度春季最高，季度平均值达到7.79 mBq/m3；秋季次之，季度平均值为7.21 mBq/m3；夏季和冬季活度浓度分别为6.30和6.03 mBq/m3。这与常印忠等[12]研究的西安地区大气气溶胶7Be放射性活度浓度季节分布规律一致。大气气溶胶中的7Be接近70%在平流层形成，30%在对流层上部形成，7Be的放射性活度浓度主要受平流层对流层交换、对流层空气垂直运动和降水的影响[10]。在春季由于温度升高，平流层对流层运动更加剧烈，近地面大气气溶胶中的7Be放射性活度浓度升高。夏季虽然气温升高，但是由于夏季降水的淋洗作用，因此近地面大气气溶胶中的7Be放射性活度浓度降低。
2017—2020年北京大气气溶胶中210Pb放射性活度浓度季度均值由高到低为冬季、秋季、春季和夏季，分别为4.19、3.49、2.71和2.35 mBq/m3。210Pb是238U衰变链子体，大气气溶胶中210Pb主要是由于地表释放到空气中的222Rn衰变产生，因此大气气溶胶中210Pb主要受温度、降水和气流运动等因素影响，呈现明显的季节性变化。北京属于温带季风性气候，四季分明。冬季寒冷少雪以及大气污染较重，冬季北京大气气溶胶中210Pb放射性活度浓度最高。夏季高温炎热，多降水，由于雨水对大气的淋洗作用，夏季北京大气气溶胶中210Pb放射性活度浓度最低。
2017—2020年年均210Pb放射性活度浓度无差别，年均7Be放射性活度浓度差异主要是由于2017年和2020年采样月份不同，2017年采样时间为7月至12月，2020年采样时间为1月至6月。
2017—2020年北京地区大气气溶胶中7Be和210Pb放射性活度浓度处于正常涨落水平的范围内，在不同季节中其放射性活度浓度有明显的差异。气象条件是影响7Be和210Pb放射性活度浓度变化的主要原因，但气象条件影响因素较多，因此不同气象条件因素对7Be和210Pb放射性活度浓度变化的具体影响有待进一步研究。
利益冲突 无
作者贡献声明 王欢负责实验操作、数据分析和撰写论文；孟庆华、娄云、白斌、朱维杰、孔玉侠、王宏芳、张泓、冯泽臣、翟曙光、和俞君参与实验操作；马永忠参与实验操作和修改论文
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