Μελέτη ραδιενεργού διασποράς του 137Cs σε βαθιές λεκάνες του Αιγαίου πελάγους

Abstract

Η ραδιενέργεια υπήρχε ανέκαθεν και θα συνεχίσει να υπάρχει ως κομμάτι του φυσικού μας περιβάλλοντος. Μέρος όμως της ραδιενέργειας βρίσκεται συνεχώς στο περιβάλλον μας και από ανθρωπογενείς δραστηριότητες του 20ου και 21ου αιώνα, όπως πυρηνικές δοκιμές, λειτουργία πυρηνικών αντιδραστήρων και διαχείριση πυρηνικών αποβλήτων. Η μέτρηση και η εξέλιξη των επιπέδων ραδιενέργειας σε ένα οικοσύστημα καθίσταται αναγκαία τόσο για θέματα ραδιοπροστασίας, όσο και για τις επιπτώσεις της περιβαλλοντικής μεταβλητότητας του ίδιου του οικοσυστήματος στον άνθρωπο και γενικότερα στο περιβάλλον του. Πρωταρχικός σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μέτρηση των επιπέδων ραδιενέργειας 137Cs που υπάρχει στις Ελληνικές Θάλασσες λόγω των πυρηνικών δοκιμών και του ατυχήματος Chernobyl. Επίσης η μελέτη της διάχυσης και μεταφοράς του 137 Cs στις βαθιές λεκάνες θα συνεισφέρει σημαντικά στην ερμηνεία και κατανόηση των φυσικών μηχανισμών ανάμειξης νερών που λαμβάνουν χώρα τόσο στο Αιγαίο όσο και στο Ιόνιο Πέλαγος. Οι μετρήσεις περιλαμβάνουν τη ραδιοανίχνευση τριανταέξι θαλάσσιων δειγμάτων συνολικά, τα οποία αντιστοιχούν σε διάφορα βάθη για κάθε λεκάνη. Η συλλογή των δειγμάτων έγινε στα πλαίσια του ευρωπαϊκού προγράμματος «SESAME» και πραγματοποιήθηκε με το Ωκεανογραφικό Σκάφος «ΑΙΓΑΙΟ» του Ελληνικού Κέντρου Θαλασσίων Ερευνών (ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε). Η παρούσα εργασία διαμορφώνεται σε τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται μία σύντομη αναφορά στο θεωρητικό υπόβαθρο, που αποτελεί αναγκαίο κομμάτι για την κατανόηση των εννοιών οι οποίες διαπραγματεύονται στη μελέτη αυτή. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζονται τα δεδομένα που αφορούν στον τόπο της έρευνας και τον τρόπο ανίχνευσης, για να ακολουθήσει το τρίτο μέρος, στο οποίο περιγράφονται οι διαδικασίες της ανάλυσης των αποτελεσμάτων και τα συμπεράσματα που εξάγονται. Συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 1, γίνεται αναφορά στο πυρηνικό ατύχημα του Chernobyl, το οποίο αποτέλεσε έναν από τους κυριότερους ρύπους στην περιοχή του Αιγαίου Πελάγους και στο πώς η αρνητική αυτή επίπτωση στο περιβάλλον αποτέλεσε έναν εναλλακτικό τρόπο μελέτης των θαλασσίων μαζών για τους ωκεανογράφους, χρησιμοποιώντας το 137Cs ως ιχνηθέτη. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των πυρηνικών συστημάτων που αφορούν στην πυρηνική ευστάθεια και αστάθεια, οι τρόποι αποδιέγερσης και τα είδη ακτινοβολίας, οι φυσικές ραδιενεργές σειρές και η τεχνητή ραδιενέργεια, σε συνδυασμό με τη μαθηματική ανάλυση των διαδοχικών αποδιεγέρσεων. Τέλος δίδονται μερικά στοιχεία για τις εφαρμογές της ραδιενέργειας εστιάζοντας κυρίως σε εκείνες που αφορούν στο θαλάσσιο περιβάλλον. Ακολουθεί το Κεφάλαιο 3, που περιλαμβάνει τα απαραίτητα τοπολογικά στοιχεία του Αιγαίου και Ιονίου Πελάγους, καθώς και τη μεθοδολογία και τις ακριβείς τοποθεσίες της δειγματοληψίας. Η όλη εργασία αφορά σε δύο δειγματοληψίες που έγιναν τον Απρίλιο και τον Αύγουστο του 2008. Την 1η περίοδο έγιναν πέντε δειγματοληψίες: δύο από τις οποίες σε βαθιές λεκάνες (μία στο Βόρειο Αιγαίο με μέγιστο βάθος 1550m και μία στο Νότιο Αιγαίο Πέλαγος με μέγιστο βάθος 1790 m) και άλλες τρεις λεκάνες στην έξοδο των Δαρδανελίων (Α2), βορειανατολικά της Λήμνου (ΝΑ1) και βορειοδυτικά της Σαμοθράκης (ΝΑ8). Την 2η περίοδο έγιναν τρεις δειγματοληψίες σε βαθιές λεκάνες: στο Νότιο Αιγαίο Πέλαγος (Α10), στο Λιβυκό Πέλαγος (L4) και στα στενά των Αντικυθήρων (Ι1) με μέγιστο βάθος 1805 m, 2902 m και 2151 m, αντίστοιχα. Η συνέχεια του Κεφαλαίου 3 αφορά στην αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με την ύλη και την ανίχνευσή της με τα υπάρχοντα ανιχνευτικά συστήματα, που περιλαμβάνει τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά τους, δίνοντας έμφαση στους ανιχνευτές HPGe και NaI(Tl). Στη συνέχεια πριν ακολουθήσει η ολοκλήρωση του κεφαλαίου με την περιγραφή του τρόπου μορφοποίησης των δειγμάτων σε ανιχνεύσιμη μορφή, γίνεται μία αναλυτική παρουσίαση της ανιχνευτικής διάταξης του HPGe και των χαρακτηριστικών της, καθώς και των απαραίτητων βαθμονομήσεων του ανιχνευτικού συστήματος προκειμένου να συλλεχθούν τα πειραματικά φάσματα. Στο τρίτο μέρος, αρχικά αναφερόμαστε στα χαρακτηριστικά των δύο διαφορετικών διατάξεων που χρησιμοποιήσαμε, μιας και μέρος των μετρήσεων έγινε στο εργαστήριο του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. και σε αυτό του Ε.Μ.Π. Επιπλέον αναφερόμαστε στη φασματική ανάλυση των πειραματικών φασμάτων, μέσω του προγράμματος SPECTRW. Στο τέλος του Κεφαλαίου 4 παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα των βαθμονομήσεων των συστημάτων που χρησιμοποιήθηκαν για την εργασία αυτή. Στο Κεφάλαιο 5, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη φασματική ανάλυση των δειγμάτων μας και υπολογίστηκαν οι αβεβαιότητες που καθόρισαν τα όρια ακρίβειας αυτών. Πιο συγκεκριμένα οι μετρήσεις έδειξαν ότι τα μέγιστα επίπεδα 137Cs μετρήθηκαν στο Βόρειο Αιγαίο Πέλαγος και κυρίως στις περιοχές που αλληλεπιδρούν με τα νερά που εκβάλλουν από τα στενά των Δαρδανελίων. Επιβεβαιώνεται ότι η κυκλοφορία του νερού μεταφέρει θαλάσσιες μάζες που εκβάλλονται από τα στενά προς το θαλάσσιο οικοσύστημα της Βόρειας (A1) και Βορειοανατολικής Λήμνου (NA1). Η κυκλοφορία αυτή του νερού δημιουργεί ένα πιο επιβαρυμένο οικοσύστημα σε 137Cs (με τιμές από 6 έως 8.5 Βq/m3) στο επιφανειακό στρώμα νερού (0-80m), σε σχέση με άλλες περιοχές του Αιγαίου Πελάγους. Επίσης, τα επίπεδα ραδιενέργειας 137Cs στην έξοδο των Δαρδανελίων ή της Νοτιοανατολικής Λήμνου (Α2) είναι χαμηλότερα σε σχέση με της Βόρειας Λήμνου αφού τα νερά των στενών αμέσως μετά την έξοδό τους δεν κατευθύνονται προς τη Νότια Λήμνο. Τα αποτελέσματα αυτά του 137Cs επιβεβαιώνονται και από τιμές θερμοκρασίας και αλατότητας που μετρήθηκαν και αναδεικνύουν ότι τα νερά της περιοχής Α2 δεν είναι κατά το ίδιο ποσοστό νερά της Θάλασσας του Μαρμαρά σε σχέση με τις περιοχές της Βόρειας (Α1) και Βορειανατολικής Λήμνου (ΝΑ1) αφού παρουσιάζουν μεγαλύτερη θερμοκρασία και υψηλότερη αλατότητα. Τέλος στην περιοχή της βορειοδυτικής Σαμοθράκης (ΝΑ8) οι μετρήσεις ήταν χαμηλότερες κατά 20% (με μέση τιμή 137Cs 6.5 Βq/m3) σε σχέση με τις περιοχές Α1 και ΝΑ1, ενώ οι τιμές της αλατότητας και της θερμοκρασίας ήταν σχεδόν ίδιες. Όσον αφορά στο Νότιο Αιγαίο Πέλαγος οι τιμές του 137Cs ήταν χαμηλότερες σε σχέση με εκείνες του Βορείου Πελάγους και κυμαίνονται από 3 έως 5 Βq/m3. Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το Κρητικό Πέλαγος (Α10) όπου οι μετρήσεις 137Cs παρουσίασαν τη μέγιστη τιμή στα επιφανειακά νερά ενώ η ελάχιστη συγκέντρωση παρατηρήθηκε σε βάθη 800 m λόγω της εισβολής θαλάσσιων μαζών που έρχονται από τη Δυτική Μεσόγειο. Επίσης στο Νότιο Κρητικό ή Λιβυκό Πέλαγος (L4) οι τιμές του 137Cs είχαν μέση τιμή 2.7 Βq/m3 κατά μήκος όλης της στήλης νερού. Αντιθέτως στο Ιόνιο Πέλαγος (στενά Αντικυθήρων, Ι1) οι τιμές ήταν κάτω από το ελάχιστο όριο ανιχνευσιμότητας στα επιφανειακά νερά της βαθιάς λεκάνης. Στην λεκάνη Ι1 το 137Cs γίνεται εμφανές κάτω από τα 1000m με μέση συγκέντρωση 2.6 Βq/m3 λόγω της απουσίας μηχανισμών ανάμειξης των επιφανειακών νερών με θαλάσσιες μάζες περιέχουν 137Cs. Η παρατήρηση του 137Cs στα βαθιά νερά οφείλεται στην καθίζησή του τα τελευταία χρόνια ύστερα από το ατύχημα του Chernobyl. Τα δεδομένα 137Cs συσχετίστηκαν με δεδομένα αλατότητας και θερμοκρασίας με σκοπό την διεξαγωγή συμπερασμάτων για την ταυτοποίηση των θαλασσίων μαζών τόσο στο Αιγαίο όσο και στο Ιόνιο Πέλαγος (όπως νερά της Μαύρης Θάλασσας, της Λεβαντίνης, της Δυτικής Μεσογείου και των πυκνών θαλασσίων μαζών). Επίσης τα δεδομένα 137Cs που προέκυψαν στην εργασία αυτή αφορούν σε δεδομένα πριν το ατύχημα της Fokushima και θα αποτελέσουν τη θεμελιώδη βάση δεδομένων για τιμές 137Cs δύο χρόνια πριν το ατύχημα. Σύγκριση των τιμών αυτών με μελλοντικές μετρήσεις θα δώσουν σημαντική πληροφορία για ενδεχόμενη επιρροή του ατυχήματος στις Ελληνικές Θάλασσες.

The radioactivity existed always and it will continue existing as piece of our natural environment. Part of the radioactivity in our environment is due to anthropogenic activities of the 20th and 21th century, like nuclear tests, nuclear plants and manipulation of nuclear waste. In every case, it is necessary to measure and monitor the levels of activity in an ecosystem, not only for radioprotection issues, but also to draw conclusions for the environmental changes and their influence to the mankind. Primary aim of this work is the measurement of 137Cs activity levels at Hellenic Seas due to nuclear tests and the Chernobyl accident. Furthermore, the study of diffusion and transfer of 137 Cs in deep basins will contribute significantly to the explanation and understanding of physical mixing water mechanisms at Aegean and Ionian Sea. The measurements include the radiodetection of thirty-six marine samples, in total, from deep basins and from different depths in each basin. The samples’s collection was carried out within the frame of the European project «SESAME» using the Oceanographic Boat «AEGEAN» of Hellenic Centre of Marine Research (H.C.M.R.). The present work has been structured in three parts. First part refers to the essential theoretical background for the comprehension of significances that negotiates the study. At second part are presented the data that concern the place of research and the way of detection. Afterwards the third part follows, where are described the analysis processes of the results and the configuration of specific conclusions. Concretely, in Chapter 1, there is a short report concerning the nuclear accident of Chernobyl, which was one of the major contributors at the radio-pollution of Aegean Sea and how this incident became an alternative process for the study of marine masses using 137 Cs as a tracer. In Chapter 2, is given on the reference the basic characteristics of the nuclear systems referring to the nuclear stability and instability, the ways of deexitation and the types of radiation, the natural radioactive series and the artificial radioactivity, in combination with the mathematical analysis of successive deexitation and finally some information are given for the uses of radiation, especially those in the submarine environment. Chapter 3 follows and consists of the essential topological description of Aegean and Ionian Sea, as well as the methodology and the precise localities of sampling. This work includes two explorations, which were carried out in April and August 2008. In 1st season there were five samplings, two of them from deep basins (one at North Aegean (A1) with bottom depth 1550m and the other at South Aegean Sea (A10) with depth 1790m). The other three basins were at Dardanelles Straits estuary (A2), southeast of Lemnos Island (NA1) and southwest of Samothrace Island (NA8). In 2nd season the samplings were from deep basins of South Aegean Sea (A10) with bottom depth 1805m, Libyan Sea (L4) with bottom depth 2902m and Kythira Straits (I1) with 2151m as bottom depth. Furthermore, the interaction of radiation with matter is presented, along with its implementation for the radiation detection. The main principles and technical characteristics of radiation detectors are described, stressing out the main γ-ray detectors HPGe semiconductor and NaI(Tl) scintillation detector. Detailed presentation is also provided for the detector’s calibration so as to collect the experimental data. More information is given for the two detection systems that we used at the laboratory of H.C.M.R and that of N.T.U.A. Furthermore we refer to the spectrum analysis of the experimental spectra with the use of the program SPECTRW. In the end of Chapter 4 we present the results of detector’s calibration, while in Chapter 5, the results of the sample’s spectrum analysis and are calculated uncertainties are presented. The measurements indicate that the maximum 137Cs levels were observed in South Aegean Sea, especially at the regions where waters invade from Dardanelles Straits. This validates that the water circulation transfers water masses through Dardanelles Straits towards the ecosystem of North (A1) and Northeast (NA1) Lemnos Island. The water circulation creates a high 137Cs concentration (6 – 8.5 Βq/m3) at surface water (0-80m), in comparison with the other regions of Aegean Sea. Furthermore, the levels of 137Cs activity at the estuary of Dardanelles Straits or Southeast Lemnos (A2) were lower than those of North Lemnos, since the waters from Dardanelles Straits are not transferred towards North Lemnos Island. These results are consistent with the measured salinity and temperature for this region and indicate that waters from A2 region do not originate mainly from Black Sea, due to their higher salinity and temperature, in comparison with those from North (A1) and Northeast (NA1) Lemnos Island. As far as the southwest Samothrace Island is concerned, measurements were 20% lower (with mean concentration of 137Cs at 6.5Βq/m3) than those of regions A1 and NA1, while salinity and temperature were almost stable. On the other hand, 137Cs concentrations in South Aegean Sea were lower than those of North Aegean and ranged between 3 to 5 Βq/m3. Cretan Sea (A10) presents the major interest. The highest concentration was observed on surface waters and the lowest at 800m, due to invasion of water masses from Western Mediterranean. Moreover, in South Cretan or Libyan Sea (L4) the concentrations of 137Cs were about 2.7Βq/m3 all over the water column. On the contrary, in Ionian Sea, 137Cs could be observed below 1000m with mean value 2.6 Βq/m3, due to no mixing mechanism of water masses with considerable 137Cs concentration. These data were obtained two years before the accident in Fokushima, so they can be considered as a data base for this period. These data can also be compared with future measurements, and can give us valuable information of potential influence of Fokushima accident to the Hellenic Sea.