Zwiększona koncentracja 14-C wskazuje jednoznacznie na nadmierną
emisję neutronów, spowodowaną nieszczelnością osłon rdzeni reaktorów.
Dzięki tej technice można odkryć awarie zatajane przez władze państwowe.

Piotr Kieraciński

Żeby zbadać drewno pod względem zawartości izotopów należy je najpierw pozbawić wszystkich widocznych właściwości, na podstawie których stwierdzamy na co dzień, że coś jest zrobione z drewna. Drewno, którym zajmuje się współczesny fizyk, to zupełnie coś innego. Aby badania były wiarygodne, próbka musi zostać pozbawiona wszystkich cech przypadkowych: barwników, garbników, żywicy.

DŁUTEM I SPEKTROMETREM

Fizyk interesuje się nie drewnem w ogóle, ale rocznymi przyrostami drzewa. A dokładniej – częścią słoja, która przyrosła latem. Do oddzielenia drewna przeznaczonego do badania od reszty pnia służy zwykłe dłuto stolarskie. Małe kawałeczki drewna wielkości zapałki poddawane są wielokrotnemu płukaniu w kolumnie Soxhleta. Przy pomocy benzenu i alkoholu etylowego wypłukuje się z próbek to, co fizyk traktuje jako zanieczyszczenia. W wyniku takiej preparacji otrzymujemy białą substancję, która przeciętnemu człowiekowi niekoniecznie będzie kojarzyć się z drewnem. Oczyszczone drewno spala się w specjalnym piecu w wysokiej temperaturze. Dopiero potem, w reakcji z litem, otrzymuje się węglik litu i acetylen, a po jego trymeryzacji – benzen. Ten materiał można badać w spektrometrze ciekłokrystalicznym.

Po co fizyk jeździ po Górnym Śląsku i zbiera pieńki drzew usuwanych z poboczy szos? Otóż, w tych drzewach zapisane są dzieje środowiska naturalnego i zmian, które w nim zachodziły na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat. Zapisane są one jako nagromadzenie izotopów węgla, ołowiu, cezu w rocznych przyrostach drzew.

Radiowęgiel (14-C) nieustannie tworzy się w górnych warstwach atmosfery w wyniku reakcji neutronów z azotem. Wchodzi w obieg węgla w środowisku. Można go spotkać we wszystkich jego elementach: biosferze, geosferze, hydrosferze, litosferze i, oczywiście, w atmosferycznym dwutlenku węgla. Ten ostatni jest asymilowany przez rośliny, a wraz z nim – izotopy węgla, m.in. 14-C i 13-C.

Ten pierwszy izotop ulega rozpadowi. Ilość drugiego nie zmienia się. Z tego względu izotop 13-C znajdziemy w węglu kamiennym czy brunatnym, wydobytym na powierzchnię dokładnie w tej ilości, w jakiej przed laty został zasymilowany przez rośliny, z których powstał węgiel. Natomiast izotop 14-C w węglu (a także w innych paliwach kopalnych) już nie występuje, ponieważ od czasu, gdy tworzyły się te paliwa, uległ całkowitemu rozpadowi.

Ilość radiowęgla (14-C) w atmosferycznym dwutlenku węgla nie jest stała. Zależy od wielu czynników naturalnych oraz antropogenicznych. Te pierwsze powodują nieznaczne zmiany w koncentracji radiowęgla. Jednak nawet na ich podstawie można wiele powiedzieć o klimacie. Działalność człowieka zmienia koncentrację radiowęgla w sposób znaczący, ale różnorodny: może powodować gwałtowny wzrost koncentracji 14-C, jak również zmniejszenie jego ilości.

WZORZEC SPOD AUGUSTOWA

Wzrost koncentracji radiowęgla spowodowany jest głównie wybuchami jądrowymi oraz awariami elektrowni atomowych. Podczas tych zdarzeń do atmosfery zostaje wyemitowana ogromna ilość neutronów, które w reakcji z azotem tworzą dodatkowy radiowęgiel. Wtedy ilość 14-C w atmosferycznym dwutlenku węgla gwałtownie rośnie. Zupełnie odwrotne zjawisko zachodzi, gdy emitujemy do atmosfery dodatkowy dwutlenek węgla, powstały w wyniku spalania paliw kopalnych. Taka emisja jest wynikiem działalności przemysłowej człowieka. W wyniku mieszania się przemysłowego dwutlenku węgla z dwutlenkiem węgla wytwarzanym przez naturę, następuje rozrzedzenie naturalnego 14-C, a tym samym zmniejszenie jego koncentracji w środowisku. Te dwa zjawiska antropogeniczne mogą się na siebie nakładać. Dlatego ocena skali efektu przemysłowego (rozrzedzanie koncentracji radiowęgla wskutek zanieczyszczeń przemysłowych) oraz skutków prób jądrowych i awarii elektrowni atomowych wymaga uwzględnienia szeregu dodatkowych czynników. Przede wszystkim bada się ruchy powietrza w skali całego globu oraz w skali lokalnej (np. regionu) i tworzy matematyczne modele przemieszczania się mas powietrza. Trzeba też dysponować wzorcem zawartości naturalnego radiowęgla w możliwie czystym od wpływów działalności człowieka miejscu. Jeden z takich wzorców – najczęściej stosowany – stworzył norweski uczony Nydal. Naukowcy z Zakładu Zastosowań Radioizotopów Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach, jako miejsce, gdzie można znaleźć radiowęgiel w ilości wytworzonej przez naturę, wybrali Puszczę Augustowską. Badają obecnie pień drzewa, liczącego ok. 140 lat i na jego podstawie starają się stworzyć wzorcową skalę koncentracji naturalnego radiowęgla w Polsce. Do niej będzie się porównywać wyniki uzyskane w różnych eksperymentach, aby ocenić wpływ działalności człowieka na środowisko.

LEPIEJ W CHORZOWIE?

Od 1994 r. prowadzone są badania dotyczące efektu przemysłowego na Górnym Śląsku. Młodzi pracownicy Laboratorium 14-C badają zanieczyszczenia w Rudzie Śląskiej i Chorzowie. Czy warto wydawać pieniądze na badania metodą 14-C, skoro zawartość dwutlenku węgla można ocenić przy pomocy znacznie tańszych technik? Miejscowe pomiary metodami chemicznymi wskazują zawartość CO2 tu i teraz. Natomiast ilość dwutlenku węgla może w danym miejscu zmieniać się z godziny na godzinę, wraz z ruchem powietrza. Radiowęgiel akumulowany w rocznych przyrostach drzew wskazuje na średnią roczną ilość zanieczyszczeń przemysłowych w określonym rejonie. Poza tym, metodą radiowęglową możemy badać koncentrację radiowęgla nawet kilkadziesiąt lat wstecz oraz w miejscach, gdzie pomiary innymi technikami nie były prowadzone. Pozwala to stwierdzić, jakie zmiany zanieczyszczenia środowiska dokonywały się na przestrzeni wielu lat. Okazuje się, że niekoniecznie najbardziej zanieczyszczone są tereny położone w bezpośrednim sąsiedztwie zakładów przemysłowych. Czasami osiedle mieszkaniowe, położone w teoretycznie bezpiecznej odległości od źródła emisji spalin, może – wskutek ruchów powietrza – być zanieczyszczone bardziej niż najbliższa okolica truciciela. Przeprowadzone dotychczas badania uspokajają mieszkańców Chorzowa, Ruda Śląska jest bardziej zanieczyszczona.

AWARII NIE UKRYJESZ

Metoda radiowęglowa jest regularnie stosowana do badania okolic elektrowni atomowych. Zwiększona koncentracja 14-C wskazuje jednoznacznie na nadmierną emisję neutronów, spowodowaną nieszczelnością osłon rdzeni reaktorów. Dzięki tej technice można odkryć awarie zatajane przez władze państwowe. W ostatnich latach, podczas badań koncentracji radiowęgla w drzewach, odkryto na Syberii ślady takiej utajnionej awarii sprzed lat. Do tej pory w słojach drzew zapisane są pozostałości próbnych wybuchów jądrowych, prowadzonych na przełomie lat 50. i 60. Na podstawie koncentracji radiowęgla – stopień rozpadu jest tu nieistotny ze względu na niewielkie oddalenie czasowe – można stwierdzić nie tylko sam fakt przeprowadzenia wybuchu. Dzięki istnieniu matematycznych modeli ruchów mas powietrza można stwierdzić dokładnie, gdzie wybuch miał miejsce, dzięki zakłóceniu naturalnej koncentracji radiowęgla – ile neutronów zostało wyemitowanych do atmosfery, a na tej podstawie można już określić siłę wybuchu. Największe nasilenie prób jądrowych miało miejsce w 1963 r. W 1965 r. zakazano prób na powierzchni Ziemi. Koncentracja radiowęgla w przyrostach drzew od tego roku gwałtownie maleje.

TAJEMNICA JEZIORA

Na terenie Polski znajduje się jedno z najciekawszych jezior w Europie, a może nawet na świecie. Jest to jezioro Gościąż, położone w pobliżu Włocławka. Na pozór niczym nie różni się od innych jezior polskich. Jednak jego dno kryje niesamowite tajemnice. Pozostało ono bowiem niezaburzone ani przez żadne czynniki naturalne, ani w wyniku działalności człowieka w okresie około 13 tysięcy lat. Na dnie jeziora każdego roku gromadzą się warstwy osadów podobne do słojów drzewa. Inaczej wygląda – podobnie jak w drewnie – osad letni, inaczej zimowy. W efekcie osiadania substancji organicznych i mineralnych powstają tzw. laminy, w których zapisane są zdarzenia z kolejnych lat. Każdego roku na dnie jeziora osadza się kilka centymetrów różnych substancji. Z czasem substancje organiczne ulegają rozkładowi, inne zostają ściśnięte przez kolejne osadzające się warstwy i w ten sposób stają się coraz cieńsze. Pozostają jednak wyraźnie widoczne. Tylko w jeziorze Gościąż laminacja pozostała niezakłócona przez tak długi czas. W Szwecji i Szwajcarii istnieją jeziora, w których można badać laminy z okresu kilku tysięcy lat, ale nie z okresu 12 tysięcy.

Jak wyciągnąć fragment dna jeziora, nie zakłócając jego naturalnego ułożenia? Służy do tego specjalna aluminiowa lanca. Wlewa się do niej ciekły azot i schłodzoną do temperatury minus 80 st. C, wbija się w dno jeziora. Po około pół godziny na klinie obmarza osad denny. Wtedy wyciąga się urządzenie z wody, wylewa ciekły azot i napełnia je gorącą wodą. To pozwala zsunąć osad z aluminiowego rdzenia. Teraz znów trzeba pobraną próbkę włożyć do zamrażarki, aby tam ją wysuszyć. Wysuszony muł zostaje rozdzielony na poszczególne warstwy – odpowiadające kolejnym latom – i sproszkowany. Dopiero w tej postaci nadaje się do prowadzenia badań. Tą metodą wydobywa się jedynie młode (kilkudziesięcioletnie) osady denne.

Zanim jednak rozpocznie się badania radiowęgla, należy ustalić, z jakiego okresu pochodzą wyciągnięte z jeziora laminy. Naukowcy odwołują się do jakiejś skali porównawczej. Wskaźnikiem czasu może tu być np. koncentracja cezu-137, który w 1986 r., podczas awarii czarnobylskiej elektrowni jądrowej, został wyemitowany do atmosfery i natychmiast osadził się na dnie jeziora. O ile bowiem cez natychmiast opadał na dno wody, o tyle radiowęgiel wówczas powstały najpierw wchodził w obieg w przyrodzie, a dopiero po jakimś czasie pojawiał się w laminacji osadów dennych. To bardzo ważny element badań. Radiowęgiel, który osadził się w danym roku na dnie jeziora, powstał w atmosferze kilka lat wcześniej. Znajomość tego faktu ma niebagatelne znaczenie dla poznania zasad obiegu węgla w przyrodzie.

Tomasz Goslar z PŚ od dawna interesował się najstarszymi laminacjami z jeziora Gościąż. Ich badania pozwoliły mu prześledzić, w jaki sposób koncentracja radiowęgla zmieniała się w zależności od zmian klimatycznych. O znaczeniu tych badań świadczy fakt, iż praca Goslara, dotycząca zmian klimatu na przełomie vistulianu i holocenu, została w 1997 r. wyróżniona przez Wydział VII Polskiej Akademii Nauk.

OD ARCHEOLOGII DO EKOLOGII

Pierwszy etap prac nad koncentracją radiowęgla i jej związkami z emisją przemysłową został zakończony latem 1997 r. Kosztował 20 tys. zł. Teraz Zakład Zastosowań Radioizotopów, kierowany przez prof. Annę Pazdur, zamierza rozszerzyć zakres badań. Po pierwsze, do nowego programu zostaną włączone kolejne miasta Górnego Śląska. Po drugie, w szerszym zakresie niż dotychczas, w badaniach zostaną uwzględnione zmiany koncentracji pod wpływem czynników naturalnych – wymagają one bardzo dużej precyzji. Zakład zamierza rozszerzyć eksperymenty na izotop 13-C, który mówi wiele o zmianach klimatycznych (jego koncentracja jest związana ze zmianami temperatury). Planowane jest też podjęcie badań nad koncentracją ołowiu-210. Jego ilość w atmosferze związana jest ściśle z ilością zwykłego ołowiu. Badania takie umożliwią określenie zanieczyszczenia ołowiem w czasie, gdy nie prowadzono jeszcze regularnych prac z tej dziedziny innymi metodami. Prace naukowców z Politechniki Śląskiej wskazują na bardzo ważne nowe zastosowanie metody radiowęglowej. Do tej pory używano jej głównie do datowania różnych przedmiotów i znalezisk. Najistotniejszy w tym przypadku był okres połowicznego rozpadu 14-C. Teraz otwiera się perspektywa zastosowania tej techniki w badaniach ekologicznych i klimatologicznych – tu najważniejsze będą zmiany koncentracji radiowęgla.

Uwagi.