海洋放射性核素在气候变化研究中的应用：太平洋及边缘海域

《Journal of Environmental Radioactivity》：Marine radionuclides in climate change studies: Pacific Ocean and marginal seas

　　帕维尔·P·波维内茨（Pavel P. Povinec）|广濑胜美（Katsumi Hirose）|洪基勋（Gi-Hoon Hong）|侯晓琳（Xiaolin Hou）|稻田弥生（Yayoi Inomata）|雅库布·凯泽（Jakub Kaizer）|津沼大辅（Daisuke Tsumune）|赵雪（Xue Zhao）
科梅尼乌斯大学，数学、物理与信息学学院，斯洛伐克布拉迪斯拉发

**摘要**
观测到的全球变暖对世界海洋产生了深远影响，海洋热浪频发，全球南向翻转环流（GMOC）速度减缓。这些变化扰乱了海洋环流模式，改变了生物地球化学循环，加剧了海洋表面酸化，并推动了海洋生物向极地的迁移。自20世纪40年代以来，由于核活动释放的海洋放射性核素（如3H、14C、90Sr、129I、134Cs、137Cs和钚同位素）因其明确的输入函数和独特的化学行为，成为追踪海洋过程的时间分辨示踪剂。它们在海水、底泥和海洋生物中的分布记录了气候变化对海洋环流和分层的影响。作为地球上最大的海洋盆地，太平洋在过去几十年中在持续的气候强迫下发生了变化。长期放射性核素观测表明，北太平洋上层的垂直混合作用减弱，这可能与分层加剧有关。与亚洲季风系统和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件相关的变异性也明显体现在西北太平洋边缘海域的放射性核素记录中。放射性核素数据集为校准和验证未来气候情景下的海洋通用环流模型（OGCMs）和地球系统模型提供了重要参考。为了提高预测能力，需要开展覆盖整个世界海洋的协调国际高分辨率采样计划，并采用新开发的超灵敏分析技术进行测量。特别需要关注南冰洋、北冰洋和亚北极海洋，因为它们在全球气候系统中起着关键作用，但目前这些地区的综合性放射性核素数据较为匮乏。

**引言**
气候是指30年内的平均天气模式，即气象和海洋变量（如温度、降水、风、海表温度、海洋环流、海水化学成分等）的统计描述（IPCC，2023）。气候变化被定义为当前气候的偏离，表现为气候变量的变化。随着水温升高，热带海洋生物向温带地区扩展，温带物种向极地海洋迁移（Marzyczny等人，2024）。工业革命期间开始的海洋表面和次表层酸化是由大气中二氧化碳浓度增加引起的，影响了形成钙质壳的生物（Knor等人，2025；Wu等人，2018a）。因此，海洋气候变化可以定义为几十年来海表温度和表面风场的持续变化，以及随之而来的海表盐度、海表高度、海洋电流、海冰覆盖、次表层和表层水的上升流和下降流的变化，以及营养物质、海洋初级生产力、海洋生物多样性的变化（例如，从远洋渔业向底栖渔业的转变）、河流排放的水和沉积物以及其他相关现象。

**海洋在地球系统中的作用**
海洋具有较大的热容量，能够吸收热量而不显著升温，通过海洋环流在海洋盆地内重新分配热量，并吸收大气中的二氧化碳，占人为二氧化碳排放量的四分之一以上（Ford等人，2024），尽管温室气体仍在持续排放（IPCC，2023）。海洋经历了频繁的海洋热浪、冰川融化带来的淡水流入（Li等人，2024；Pan等人，2022），以及全球南向翻转环流（GMOC）的减缓（McPhaden和Zhang，2002），这些变化扰乱了海洋环流，并引发了包括海洋表面酸化和脱氧在内的生物地球化学过程的连锁反应（Bijma等人，2013；Bakker等人，2016）。GMOC的变化对十年或更长时间尺度上的地球气候变化至关重要（Talley，2013）。海表的直接加热导致水柱分层（Li等人，2020），进而引起海洋环流的水平和垂直变化。全球变暖的加剧还导致陆地降水模式的变化，如山洪暴发、干旱、野火、冰川融化以及海平面上升（Retallack和Conde，2020；Miao和Wang，2020；Sillmann等人，2019；Zickfeld等人，2017；Ford，2024）。陆地物质（包括放射性核素）向海洋的输送也随之变化。

**放射性核素在海洋中的应用**
人为放射性核素（ARs）早在20世纪40年代末就通过大气核武器爆炸的近距离和全球性沉降进入太平洋。20世纪50年代在太平洋上空进行了大气武器试验（约93百万吨），70年代主要在热带南太平洋岛屿进行，1961至1962年主要在俄罗斯西部北极地区（约2.4百万吨，全球性沉降）。1963至1980年间，在大陆中纬度地区也进行了大气试验（Severi等人，2023；Johnston，2009）。来自空气爆炸的放射性碎片主要注入平流层，爆炸点附近的沉降量很少（例如，239+240Pu不到0.3%，137Cs不到0.1%（Kudo等人，2001））。通过哈德莱环流在高层大气中，以及通过布鲁尔-多布森环流在平流层中，沉降的ARs向极地输送（Garny等人，2024）。平流层中的ARs通过亚热带中纬度的季节性对流层折叠下降到对流层。ARs在西北太平洋的海表沉积主要通过降水实现（Tsumune等人，2023）。来自美国太平洋试验场（PPG）和法属波利尼西亚的地面或大气爆炸产生的放射性碎片沿着半球信风路径沉积（Machta等人，1956；Dicen等人，2025；Shin等人，2025）。对于较重的同位素（如钚同位素），近距离沉降的贡献大于全球性沉降，在南太平洋尤为明显（Dicen等人，2025）。因此，西北太平洋和PPG附近的赤道北部地区表现出钚浓度最高（Bowen等人，1980；Povinec等人，2003）。

**放射性核素在海洋中的行为**
到达海洋表面的ARs根据其水化学性质会发生水解、光化学反应，被生物体吸收，附着在悬浮和下沉的颗粒物上，随后通过海洋环流和水混合扩散（Hirose和Aoyama，2002）。通过随时间重复测量，我们可以利用精确的时间标记（放射性衰变）来描绘变化过程。海洋中ARs的浓度通常为每千克海水中不到飞克级，远低于其他海洋化学示踪剂（Anderson，2020），但这不会改变这些海洋成分中的过程。因此，海洋中的ARs使我们能够确定近几个世纪的变化时间尺度。

**放射性核素在气候变化研究中的应用**
人为放射性核素已被用作敏感的示踪剂，用于记录气候变化对世界海洋的影响，如海洋环流、碳储存，并基于现代档案预测可能的气候变化情景（例如，Hong和Povinec（2021），Hong等人（2011），Hong等人（2022），Hou等人（2013），Povinec等人（2013），Povinec等人（2021），Povinec等人（2026）。海洋中的ARs（如3H、14C、90Sr、129I、137Cs和钚同位素）可以追踪海洋过程，例如海水与大气接触后的年代测定、颗粒物下沉速度、海底沉积物积累、水体混合速率以及近几十年来海洋中水体的运动路径（Povinec和Hirose，2020；Hong等人，2011）。得益于加速器质谱（AMS）和三重四极杆电感耦合等离子体质谱（ICPMS）的进步，一些ARs（14C、129I、钚同位素）可以在少量海水中（<0.2升）进行常规分析，从而进行高分辨率的时间和空间研究（Povinec，2004；Povinec等人，2020；Wang等人，2024）。最近还开发了新的长寿命AR示踪剂，如135Cs（半衰期=2.3×10^6年）和236U（半衰期=2.342×10^7年），也被用于海洋环流研究（Zheng等人，2014；Zhu等人，2020，2021；Magre等人，2023；Wang等人，2021；Zhao和Francico，2025）。

**放射性核素与自然放射性核素和稳定同位素的结合**
AR研究通常结合自然放射性核素（如10Be、14C、210Pb、226Ra、228Ra、U和Th同位素）和稳定同位素（如2H、3He、4He、13C、15N、32P）的同步测量（例如，Lewis等人，2024；Stark等人，2004；Benitez-Nelson和Karl，2002）。AR在气候研究中的实用性源于：（1）已知的输入历史（时间和位置）；（2）异常高的测量灵敏度（优于阿托摩尔/升）；（3）固有的时间标记（放射性衰变）；（4）根据其在海水中的物理状态（颗粒态、胶体态或离子态）和水化学性质在海洋中的行为；（5）随时间可重复的测量；（6）由于参与实验室采用的质量管理体系，AR测量数据的兼容性；（7）海洋AR数据的时间和空间分布与复杂的OGCMs相结合，提供了关于长期气候变化可能引起的海洋现象的宝贵见解。过去五十年或更长时间的海洋盆地尺度AR测量构成了研究太平洋气候变化的主要数据库。本综述为未来的研究提供了方向。

**太平洋的特点**
太平洋位于深海洋输送带（GMOC）的末端，不像北大西洋那样形成深层水。太平洋的海洋环流较浅且较弱。炸弹产生的Δ14C很少穿透1500米深度（Kawasaki等人，2021）。太平洋是世界上最大的海洋（165.384×10^6平方公里），几乎占全球海洋表面积和体积的一半，北太平洋平均深度为4641米，南太平洋为3993米。

**放射性核素作为太平洋边缘海域气候变化的示踪剂**
与海洋相比，边缘海域面积较小，对大陆和海洋引起的外部力量非常敏感。陆地环境通过大气和邻近核设施的直接排放接收了各种来源的ARs。沉积在陆地上的ARs根据其化学性质被纳入表层土壤颗粒和河水中。这些ARs通过洪水和河流被输送到海洋。

**结论**
人为放射性核素（ARs）被引入地球表面，包括世界海洋和边缘海域，已被证明是理解和管理海洋环境的无价示踪剂。它们为追踪海洋盆地之间以及全球海洋中的水体输送提供了精确的时间标记。ARs显著推进了我们对水体形成、下沉流和上升流过程及其与全球南向翻转环流联系的理解。

**作者贡献声明**
帕维尔·P·波维内茨（Pavel P. Povinec）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。
广濑胜美（Katsumi Hirose）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
洪基勋（Gi-Hoon Hong）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证。

**关于生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明**
在准备本工作时，作者使用了AI辅助技术进行英语校正。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
作者感谢已故的青山道夫（Michio Aoyama）长期以来的宝贵合作。我们还要感谢来自摩纳哥国际原子能机构海洋环境实验室、筑波气象研究所、横滨JAMSTEC富士山环境研究实验室、上海华东师范大学、西安中国科学院地球环境研究所、金泽大学、筑波大学和科梅尼乌斯大学的同事们的长期合作。