Lodowce postrzegamy jako piękne, groźne, błękitno-białe elementy krajobrazu regionów polarnych lub wysokogórskich. Są one magazynem wody słodkiej, tarczą odbijającą promienie słoneczne od Ziemi, elementem kształtującym funkcjonowanie ekosystemów morskich i lądowych. Niestety, w dobie epoki człowieka, znanej jako Antropocen, stają się także śmietnikiem, magazynem odpadów, które powstały w konsekwencji nie zawsze dobrego kierunku rozwoju cywilizacji.
Wiele z tych zanieczyszczeń możemy zobaczyć bez wykorzystania wyszukanych technik laboratoryjnych. Na lodowcach deponowane są m.in. czarny węgiel, czyli produkt niepełnego spalania biopaliw, mikroplastik, śmieci pozostawione przez turystów, pozostałości po bitwach, takie jak kule ołowiane w Alpach, czy infrastruktura naukowa często porywana przez wiatr, zwłaszcza w wietrznych regionach górskich i polarnych. To, co widzimy na lodowcach, to tylko jedna strona medalu. Problem tkwi także w tym, czego nie widzimy, a czym zanieczyściliśmy te piękne komponenty przyrody.
Promieniotwórczość
Słowo promieniotwórczość budzi sporo emocji. Przecież pamiętamy ze szkoły, co regularnie w nas utrwalają także produkcje kinowe, że odpady radioaktywne (promieniotwórcze), a dokładnie promieniowanie emitowane przez te odpady, wpływa na mutacje i działa kancerogennie. Zwykle w filmach powstają w ten sposób supebohaterowie, jednak taki efekt promieniotwórczości jest daleki od prawdy. Rozpocznijmy tę historię od podstaw. Izotopy to warianty tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów w jądrze. Wyróżniamy izotopy stabilne, których jądra nie ulegają rozpadowi oraz niestabilne, których jądra atomów ulegają przemianie i uwalniają energię (promieniowanie). Formy niestabilne nazywane są pierwiastkami promieniotwórczymi, czyli radioizotopami. Radioizotopy towarzyszyły życiu na Ziemi od samego jego początku. Formy takie jak niestabilny izotop węgla 14C znajdują się w naszych organizmach, a my ani nie stajemy się supebohaterami, ani nie chorujemy z tego powodu. Energia emitowana w trakcie ich rozpadu nie uszkadza w żaden istotny sposób naszych tkanek i komórek. Niektórzy naukowcy nawet śmiało sugerują, że niewielkie dawki promieniowania wpłynęły na rozwój i ewolucję życia na naszej planecie. Poza radioizotopami naturalnymi mamy całą, nieco ponurą, gamę radioizotopów sztucznych. Powstają one na skutek awarii elektrowni atomowych (Czarnobyl, Fukushima), testów broni jądrowej (Nevada, Nowa Ziemia) czy nawet dezintegracji satelit w atmosferze. Taką radioaktywną pozostałością działalności człowieka są sztuczne izotopy m.in. cezu, plutonu, czy ameryku.
Czy są dla nas groźne? Odpowiedź brzmi tak. Każdy przecież słyszał o chorobie popromiennej związanej ze zbyt długą ekspozycją organizmu na działanie szkodliwego radioizotopu. Emitują one promieniowanie alfa, beta lub gamma, które ma zdolność jonizowania materii tzn. odrywania elektronów od jąder atomowych. Cząstki energii uwolnionej z jądra tracą energię podczas “kolizji” z tkankami organizmu, tym samym wpływają negatywnie na nasze zdrowie. Żeby ochronić się przed promieniowaniem alfa wystarczy kartka papieru lub minimalny dystans od emitera. Przed promieniowaniem beta chroni odległość kilku metrów. Z kolei, aby uchronić się przed promieniowaniem gamma potrzebujemy grubej ołowianej ściany lub kilku metrów betonu. Przykładowo izotop plutonu 239Pu emitujący promieniowanie alfa może wywołać raka płuc, izotop strontu 90Sr emitujący promieniowanie beta może wywołać raka kości, podobnie jak izotop Cezu 137Cs, czyli emiter gamma, ma właściwości rakotwórcze i nie tylko. Dotychczasowe badania and cezem wskazują, że istotnie uszkadza m.in. płuca i trzustkę oraz negatywnie wpływa na działanie układu sercowo naczyniowego.
Zwykle awarie elektrowni jądrowych są postrzegane jako źródło sztucznych radioizotopów, szczególnie radioaktywnego cezu. Jednak największą dawkę tych szkodliwych radioizotopów nasza planeta otrzymała podczas testów broni jądrowej w okresie zimnej wojny. Jak ma się to do lodowców?
Lodowce i sztuczne radioizotopy
Niestety nawet lodowce nie uchowały się przed globalnym opadem sztucznych radioizotopów (=radionuklidów). Wręcz przeciwnie, okazało się, że lodowce doskonale potrafią przechwytywać radioaktywne zanieczyszczenia, przez co ich ilość w lodzie jest skutecznym markerem zmian w ekosystemach górskich i polarnych. Powierzchnia lodowców jest zamieszkana przez różne grupy organizmów, których chociaż nie widzimy, odgrywają rolę w akumulacji zanieczyszczeń. O tych organizmach pisaliśmy wcześniej na EDU-ARCTIC.PL (czytaj). Ciemny osad, który często możemy zobaczyć na powierzchni lodowców to nie tylko pył z okolicznych moren i zboczy górskich, ale też pigmentowane organizmy jak sinice lub lodowe algi, które odpowiadają za produkcję ciemnej materii organicznej. Materia ta to pewien “zlepek” różnych form życia jak np. zimnolubnych bakterii heterotroficznych czy grzybów. Przykładowo, sinice żyjące na powierzchni lodowców (znane także jako cyjanobakterie), produkują zewnątrzkomórkowe substancje polimeryczne, które są właściwie śluzową i lepiącą otoczką. Pełnią one rolę krioprotekcyjną, a także chronią przed wysokimi dawkami promieniowania UV, ale z drugiej strony, działają jak klej, który zlepia nawiany na lodowce pył, a także skutecznie przechwytuje zanieczyszczenia. Osad mineralny, organizmy i pozostała materia organiczna na powierzchni lodu to tzw. kriokonit. W miejscach nagromadzenia kriokonitu, ze względu na jego ciemniejszą od lodu barwę, skupia się promieniowanie słoneczne, które wpływa na wytapianie małych oczek wodnych nazywanych otworami kriokonitowymi. Organizmy oraz pozostała materia organiczna w kriokonicie na powierzchni lodu oraz w otworach kriokonitowych doskonale akumulują zanieczyszczenia. Jak się okazuje – także sztuczne radioizotopy.
Jednostką miary aktywności promieniotwórczej są bekerele [Bq], których nazwa pochodzi od nazwiska Henriego Becquerela. Aktywność promieniotwórcza radionuklidów w glebie suchej tundry wynosi ponad 100 Bq/kg 137Cs, a w glebach przedpola lodowca na Svalbardzie ponad 3 000 Bq/kg. Ale niepokój budzi koncentracja radionuklidów w kriokonicie lodowca w Norwegii: ponad 20 000 Bq/kg 137Cs.
Polskie badania radioaktywności na lodowcach
Historia badań radioaktywności lodowców jest ściśle związana z działalnością polskich naukowców w regionach polarnych i górskich. Pierwsze badania obecności izotopów cezu były prowadzone przez polskiego radiologa Zbigniewa Jaworowskiego, który w latach 70-tych zbadał zawartość izotopów, będących pokłosiem testów broni jądrowej, zachowanych w lodzie z lodowców w Antarktyce, Ameryce Południowej, Afryce, Europie i w Arktyce. Były to – jak na ówczesne czasy – pionierskie i zdecydowanie wielkoskalowe badania. Wyniki tych badań, w przeciwieństwie do sporej większości wyników badań prowadzonych w socjalistycznej Polsce, zostały opublikowane w języku angielskim i trafiły do międzynarodowego środowiska naukowego. Obecnie liderem badań zanieczyszczeń lodowców sztucznymi radionuklidami jest prof. Edyta Łokas z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, która realizuje projekty międzynarodowe, dotyczące skażenia lodowców. Pomiary koncentracji radionuklidów prowadzone w IFJ PAN dotyczą lodowców z całego świata. Jednak zamiast lodu, naukowcy w Polsce skupiają się na kriokonicie, który okazał się być doskonałą matrycą do badania koncentracji i rozmieszczenia sztucznych radionuklidów w regionach polarnych i wysokogórskich. Jeśli jakieś zanieczyszczenia docierają na odległe lodowce i jest ich tam niezwykle dużo, to oznacza to, że w innych typach ekosystemów zawartość tych zanieczyszczeń musi być zdecydowanie wyższa, czyli jest niedoszacowana.
Najnowsze wyniki badań z lodowców w Alpach pokazują, że kriokonit jest lepszym materiałem do badań radioaktywności w regionach górskich i polarnych niż dotychczas wykorzystywane substraty jak np. porosty, mszaki czy torfy. Badania prowadzone na lodowcach Werenskioldbreen i Hansbreen na Svalbardzie oraz lodowcach w Alpach i Kaukazie wykazały, że aktywności sztucznego cezu, plutonu czy ameryku przekraczają kilkusetkrotnie wartości stwierdzone w glebach na obszarze Europy, nawet w miejscach, które otrzymały wysoką ilość radioaktywnego opadu (jak np. Norwegia).
Wyniki badań polskich naukowców wpłynęły istotnie na zwiększenie świadomości i zainteresowania środowiska międzynarodowego niezwykle wysoką radioaktywnością lodowców i kriokonitu. Naukowcy zaczęli zadawać bardzo ważne pytania: Czy tak wysoka koncentracja radionuklidów na powierzchni lodowców może być stopniowo uwalniana wraz z topniejącym lodem? Czy zagraża to ekosystemom sąsiadującym z lodowcami? Czy w konsekwencji może to być niebezpieczne dla ludzi? Ekosystemy lodowcowe są obecnie badane pod kątem radioaktywności w coraz szerszej skali. Dlatego też, być może już niedługo poznamy odpowiedzi na przynajmniej część z tych pytań.
Schemat prezentuje główne źródła sztucznych i naturalnych radionuklidów oraz ich obieg w ekosystemie lodowca.
Tekst: dr Krzysztof Zawierucha
Bibliografia
Baccolo, G., Łokas, E., Gaca, P., Massabò, D., Ambrosini, R., Azzoni, R.S., Clason, C., Di Mauro,
B., Franzetti, A., Nastasi, M., Prata, M., Prati, P., Previtali, E., Delmonte, B., Maggi, V., 2020. Cryoconite: an efficient accumulator of radioactive fallout in glacial environments. Cryosphere 14, 657–672.
Buda, J., Łokas, Ł., Pietryka, M., Richter, D., Magowski, W., Iakovenko, N.S., Porazinska, D.L., Budzik, T., Grabiec, M., Grzesiak, J., Klimaszyk, P., Gaca, P. & Zawierucha, K., 2020. Biotope and biocenosis of cryoconite hole ecosystems on Ecology Glacier in the maritime Antarctic. Sci. Total Environ, 724, 138112.
Jaworowski, Z., Kownacka, L., Grotowski, K., Kwiatkowski, K., 1978. LEAD-210 from nuclear explosions in the environment. Nucl. Technol. 37, 159–166.
Łokas, E., Mietelski, J.W., Ketterer, M.E., Kleszcz, K.,Wachniew, P., Michalska, S., Miecznik, M., 2013. Sources and vertical distribution of 137Cs, 238Pu, 239+240Pu and 241Am in peat profiles from Southwest Spitsbergen. Appl. Geochem. 28, 100–108.
Łokas, E., Zaborska, A., Kolicka, M., Różycki, M., Zawierucha, K., 2016. Accumulation of atmospheric radionuclides and heavy metals in cryoconite holes on an Arctic glacier. Chemosphere 160, 162–172.
Łokas, E., Zawierucha, K., Cwanek, A., Szufa, K., Gaca, P., Mietelski, J.W., Tomankiewicz, E., 2018. The sources of high airborne radioactivity in cryoconite holes from the Caucasus (Georgia). Sci. Rep. 8, 10802.
