ارزیابی غلظت بریلیوم-۷ و رابطه آن با متغیرهای جوی (مطالعه موردی: شهر تهران)

سابقه و هدف: مطالعه حاضر با هدف ارزیابی غلظت رادیونوکلئید بریلیوم-۷ در هوای اتمسفری شهر تهران و بررسی رابطه آن با متغیرهای کلیدی جوی شامل دما، رطوبت نسبی، سرعت باد و بارش انجام شده است. بریلیوم-۷ به عنوان یک ردیاب طبیعی با منشا کیهانی، ابزاری ارزشمند برای مطالعه فرآیندهای دینامیکی جو و تبادلات عمودی در تروپوسفر محسوب می شود. این پژوهش در سال ۱۴۰۱ و با هدف پر کردن خلا اطلاعاتی موجود در زمینه مطالعات اتمسفری رادیواکتیویته طبیعی در کشور، به ویژه در منطقه کلان شهر تهران که با چالش های جدی آلودگی هوا مواجه است، طراحی و اجرا گردید.مواد و روش ها: محدوده مطالعه، شهر تهران با موقعیت جغرافیایی ۳۴ تا ۵/۳۶ درجه عرض شمالی و ۵۰ تا ۵۳ درجه طول شرقی است که از شمال به ارتفاعات البرز و از جنوب به کویر مرکزی ایران محدود می شود. ایستگاه نمونه برداری با در نظر گرفتن محدودیت های فنی و زمانی، در محوطه موسسه تحقیقات ژئوفیزیک (واقع در خیابان کارگر شمالی، مختصات ۵۱٫۲۳ درجه شمالی و ۳۵٫۴۴ درجه شرقی، ارتفاع ۱۴۱۹ متر از سطح دریا) انتخاب شد. نمونه برداری از کل ذرات معلق اتمسفری (TSP) با استفاده از نمونه بردار حجم بالا (High Volume) در ارتفاع ۸ متری از سطح زمین انجام گردید. نمونه برداری به مدت ۶ ساعت با دبی متوسط ۱٫۵ مترمکعب بر دقیقه و بر روی فیلترهای فایبرگلاس با ابعاد ۲۰ در ۲۵ سانتیمتر و بازدهی ۹۹٫۹۹ درصد صورت گرفت. عملیات میدانی در چهار فصل سال و به طور متوسط پنج نوبت در هرماه (با زمان بندی تصادفی در ساعات شب و روز) انجام شد. هم زمان با نمونه برداری، پارامترهای محیطی دما، رطوبت نسبی و سرعت باد در محل ایستگاه اندازه گیری شدند. غلظت بریلیوم-۷ با استفاده از آشکارساز گامای هم محور ژرمانیوم فوق خالص (HPGe) و اندازه گیری فوتون های گامای ساطع شده با انرژی keV ۴۷۷ (با بازدهی ۱۱ درصد) روی نمونه های فیلتر جامد، بدون نیاز به آماده سازی شیمیایی، تعیین گردید.نتایج و بحث: نتایج نشان داد که غلظت بریلیوم-۷ در اتمسفر تهران دارای نوسانات فصلی معناداری است. میانگین کل غلظت این رادیونوکلئید در دوره مطالعه mBq/m۳ ۸۷/۰±۴/۴ محاسبه شد. بیشینه میانگین ماهیانه غلظت بریلیوم-۷ در مهرماه با مقدار mBq/m۳ ۱۲/۰±۲۲/۶ و کمینه آن در بهمن ماه با مقدار mBq/m۳ ۴۲/۰±۲۵/۲ ثبت گردید که نشان دهنده افزایش غلظت در فصول گرم وخشک و کاهش آن در فصول سرد و مرطوب است. یک الگوی غیرخطی، اما فیزیکی معنادار بین دما و غلظت بریلیوم-۷ وجود دارد. در ماه های گرم سال (بهار و تابستان)، افزایش دما با افزایش ناپایداری جو و رشد ارتفاع لایه اختلاط همراه بوده و منجر به انتقال موثرتر بریلیوم-۷ از لایه های بالایی جو به سطح زمین و در نتیجه افزایش غلظت آن شده است. یک رابطه معکوس و مشخص بین رطوبت نسبی و غلظت بریلیوم-۷ مشاهده شد. در ماه های با رطوبت بالا (پاییز و زمستان)، کارایی فرآیندهای حذف (به ویژه نهشت مرطوب و رشد هیگروسکوپیک ذرات) افزایش یافته و باعث کاهش زمان اقامت و غلظت بریلیوم-۷ در جو شده است. رابطه نسبتا ضعیف و دوگانه ای بین سرعت باد و غلظت بریلیوم-۷ وجود دارد. در برخی موارد، افزایش سرعت باد با افزایش غلظت همراه بوده (ناشی از تقویت اختلاط و انتقال از نواحی دوردست) و در برخی موارد منجر به رقیق سازی و کاهش غلظت گردیده است. اگرچه بارش به عنوان عامل موثر در حذف ذرات معلق شناخته می شود، اما نتایج این مطالعه نشان داد که تاثیر مستقیم و چشم گیری بر تغییرات غلظت کل ذرات معلق و بریلیوم-۷ ندارد. میانگین غلظت کل ذرات معلق (TSP) در طول دوره نمونه برداری دارای نوسانات قابل توجهی بود؛ بیشینه آن در مهرماه (mBq/m۳ ۲/۱۰±۶/۱۷۷) و کمینه آن در اردیبهشت ماه (mBq/m۳ ۶/۱۰±۶/۱۱۰) ثبت شد. تحلیل همبستگی پیرسون بین غلظت کل ذرات معلق و غلظت بریلیوم-۷ نشان دهنده یک همبستگی مثبت با شدت متوسط (۵۵/۰=r) بود که در سطح اطمینان ۹۰% معنادار (۰۶۶/۰=p) بوده، هرچند به سطح اطمینان ۹۵٪ نرسیده است. این رابطه مثبت از دیدگاه فیزیکی به اتصال ترجیحی بریلیوم-۷ به ذرات ریز آئروسل نسبت داده می شود، اما عدم معنی داری کامل آماری و پراکندگی داده ها حاکی از آن است که فرآیندهای جوی پویاتر (مانند اختلاط عمودی و کارایی حذف) نقش تعیین کننده تری در کنترل نوسانات فصلی بریلیوم-۷ ایفا می کنند.نتیجه گیری: پژوهش حاضر به وضوح نشان داد که غلظت بریلیوم-۷ در هوای تهران تحت تاثیر ترکیبی از عوامل هواشناسی قرار دارد و تغییرات فصلی آن عمدتا توسط فرآیندهای دینامیکی جو همچون اختلاط عمودی، پایداری جو و کارایی نهشت مرطوب کنترل می شود. اگرچه همبستگی مثبت متوسطی بین غلظت بریلیوم-۷ و ذرات معلق وجود دارد، اما بریلیوم-۷ را نمی توان صرفا تابعی از جرم ذرات معلق دانست. شرایط اقلیمی محلی (مانند وارونگی دما در زمستان) نقش بازدارنده در انتقال عمودی بریلیوم-۷ داشته و منجر به کاهش غلظت آن در سطح زمین می شود. این مطالعه همچنین بر اهمیت و ضرورت انجام پژوهش های بومی در زمینه رادیواکتیویته اتمسفری با در نظر گرفتن محدودیت های فنی و ابزاری موجود در کشور تاکید می کند و نشان می دهد که شناخت دقیق رفتار بریلیوم-۷ می تواند به عنوان ابزاری کارآمد برای درک بهتر فرآیندهای انتقال و حذف آلاینده ها در جو شهری تهران مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه ها:

غلظت ذرات معلق ، بریلیوم -۷ ، پارامترهای جوی ، آلودگی هوا