اقیانوس شناسی

اقیانوس شناسی

روشهای ایزوتوپ­های محیطی جهت مطالعه دینامیک سیستم های بزرگ و پیچیده بسیار مناسب بوده و بطور قابل ملاحظه ای در فهم مشخصات زیادی از اقیانوس ها شرکت دارند. دو گروه از مطالعات همواره موجود است. در گروه اول فرایندهای حاصل از اثر سیستم های رودخانه ای که منجر به رهاسازی آلاینده­ها ی توسعه کشاورزی و صنعتی یا شهرنشینی می­شود، در منطقه ساحلی مورد بررسی قرار می­گیرند. گروه دوم الگوهای چرخشی را در میان اقیانوس های عمیق مورد مطالعه قرار داده و اثر آنها را در هوا و تغییرات آب و هوایی و ماهیگیری بررسی می­کند. دو گروه اصلی از رادیونوکلیدها در اقیانوس وجود دارند، هرچند هر دو گروه تنها با غلظتهای بسیار پایین حضور دارند. اولین گروه شامل ایزوتوپهای تریتیم و کربن-14 هستند که با ریزش باران و با تبادل با ₂CO¹⁴ اتمسفری به اقیانوس وارد می­شوند. منبع دوم توریوم و اورانیوم و دختران رادیواکتیو آنها هستند (شکل 1-5) که به منطقه ساحلی به شکل حل شده در آب رودخانه ها وارد شده و یا با رسوبهای رودخانه ای همراه می­شوند. بررسی های گسترده ای طی سالهای متمادی انجام پذیرفته تا غلظتهای تریتیم و کربن-14 تخمین زده شوند. تریتیم بخصوص در مطالعه فرایندهای اختلاط در اقیانوسهای فوقانی مفید است. شناخت کامل از الگوهای چرخش اقیانوسی از مطالعه تعداد زیادی از نمودارها بدست آمده است تریتیم و کربن-14 هر دو نشاندهنده "پالس بمب"    (بخش9-3) هستند. پالس بمب کربن-14 تا عمق تقریباً 1000 متری آشکارسازی می شود. پایین تر از این عمق منبع کیهانی غالب است.

مطالعه سیستماتیک نمودارها منجر به شناخت الگوهای چرخش اقیانوسی می­شود. بطور کلی زیر عمق چند صد­متر، اندازه کربن-14 با عمق کاهش پیدا می­کند. با وجود این، حرکت به سمت بالای آب ها در عمق اقیانوس که دارای مقدار کمی کربن-14 است منجر به مقادیر کمتری از مقادیر طبیعی در سطح می­شود. مقادیر کربن-14 بطور موثری بعنوان ردیاب برای این دسته از آبهای اقیانوس های عمیق بکار می­رود.

چنین داده­هایی به همراه اطلاعات بیشتر دیگری، الگوهای چرخش عمومی را به شکل تسمه نقاله ترسیم می­کنند. آب سرد در امتداد کف اقیانوس از اطلس شمالی از طریق ناحیه قطب جنوب به اقیانوس آرام شمالی منتقل می­گردد. آب برگشتی دارای آب سطحی گرم از اقیانوس آرام است که از طریق اقیانوس هند به اقیانوس اطلس می­رسد.

تعیین عمر آب های زیر زمینی

تعیین عمر آب های زیر زمینی

عمر نمونه های آب زیر زمینی، مدت زمان حرکت آب از محل تغذیه (سفره های زیر زمینی) تا حفره استخراج است. آب زیر زمینی دور از محل تغذیه در آهنگی که بستگی به اختلاف در سطوح سفره های آب (شیب پیزومتری) و خواص لایه های حمل کننده آب دارد، حرکت می­کند. عمر آب­های زیر زمینی از داده های هیدرولیکی یا روشهای ایزوتوپی اندازه گیری شده محاسبه می­شود.

همانگونه که در بالا اشاره شد، تریتیم محیطی برای شناسایی آبی که در زمانهای "پس- هسته ای" تجدید شده بکار رفته است. با وجود این، روشهای پیشرفته جهت اندازه گیری تریتیم تا اندازه های خیلی کم بکار می رود، که سالیابی آب زیر زمینی را تا 100 سال امکان پذیر می سازد. کربن-14 (با نیمه عمر 5730) بطور گسترده برای سالیابی نمونه های آب زیر زمینی با زمانهای ماند (R_s) از چند صد سال تا 30000 سال مورد استفاده قرار می گیرد.

برخلاف تریتیم H³،  کربن جزئی از آب نیست بلکه یک محلول است. محاسبه عمر آب های زیر زمینی از اکتیویته­های اندازه گیری شده نه تنها مستلزم ارزیابی اندازه کربن-14 در شارژ مجدد است، بلکه فهمی از منبع و رفتار بعدی کربنات محلول در در سیستم آب زیرزمینی را در بر می گیرد. با تعیین عمر تعداد زیادی از نمونه ها در یک آبگیر، طرحهای با عمر یکسان (ایزوکرونها) از آنچه که خطوط جریان آب زیر زمینی نتیجه می دهد قابل استنتاج هستند.

کلر-36 (با نیمه عمر 302000 سال) ممکن است برای عمر سنجی آب با زمانهای ماند متجاوز از یک میلیون سال بکار رود. بعنوان مثال حوضچه آرتزین بزرگ استرالیا، تقریباً یک سوم قاره را پوشش می دهد. منطقه اصلی سفره های آب زیر زمینی در شرق بوده و آب در جهت جنوب و جنوب غربی جریان دارد. اندازه آبگیر به اندازه ای است که عمر آب زیر زمینی در نزدیکی بعضی از نواحی تخلیه به دو میلیون سال می­رسد.

جهت اعتبارسنجی کلر-36 بعنوان یک روش تعیین عمر آب­های زیر زمینی، یک مقایسه داخلی بین عمرهای ایزوتوپی صورت پذیرفت و از مدل هیدرولیکی محاسبه شدند. در پایان نیز توافق رضایت بخشی به دست آمد.

نسبت اتمی Cl/Cl³⁶ نه تنها بستگی به عمر و خواص هیدرولیکی آب زیر زمینی دارد بلکه به وسعت انحلال کلرید زیر سطحی نیز وابسته است. روشهای کلر-36 بطور گسترده جهت مطالعه نمکین بودن و تنزل کیفیت آب زیر زمینی بکار می­رود.

مطالعات فرسایش کاربرد جدیدی از سزیم-137

 

مطالعات فرسایش

کاربرد جدیدی از سزیم-137

داشتن کشاورزی در خاک های حاصلخیز جهت رسیدن به توسعه پایدار در جهانی که جمعیت آن رو به افزایش است یک امر ضروری بشمار می­آید. در حال حاضر تلاش زیادی در حال انجام است تا بتواند خسارات ناشی از آب و باد را که باعث فرسایش می­شوند کاهش دهد. بخشی از این تلاش مستلزم توسعه روشهای اندازه گیری مطمئن می­باشد، و تا اندازه زیادی بوسیله عکسبرداری های ماهواره­ای حاصل می شود.  با این وجود، ضروری است که اطلاعات تصویری با تخمین های مستقل الگوهای فرسایش در مقیاس آبریز (Catchment) تفسیر و اعتبارسنجی شود. اینچنین روشی مستلزم استفاده از ایزوتوپ محیطی سزیم-137 است که آهنگ فرسایش در کل منطقه آبریز را تخمین بزند. سزیم-137 محصول شکافت بوده که در طی آزمایشات هسته ای به تروپوسفر فوقانی و استراتوسفر زیرین تزریق شده است. این رادیونوکلیدها بوسیله گردش جوی در سراسر جهان توزیع و با گذشت زمان در سطح زمین پخش می شود. سزیم-137 در بخش رسی خاک جذب سطحی شده و بعنوان یک ردیاب رادیو اکتیو طبیعی برای فرسایش بعدی و فرایند های تجمعی عمل نموده است.

مقادیر قابل اندازه گیری از سزیم-137 در طی اواسط سالهای 1950 در خاک ظاهر شده و در اواسط سالهای 1960 به حداکثر رسیده و بدنبال امضاء پیمان منع آزمایش های هسته ای اتمسفری در سال 1964 کاهش یافت. تغییرات سال به سال مقادیر سزیم-137 رسیده به زمین مشابه دیگر محصولات ریزش همچون تریتیم و کربن-14 بوده و بنام یک تابع ورودی در نظر گرفته می شود. سزیم-137 دارای نیمه عمر طولانی (1/30 سال) بوده که می تواند برای مقاصد کنونی تا چندین سال آینده  مفید باشد.

سزیم-137 ابتدا بعنوان ردیاب جهت اندازه گیری آهنگ رسوبگیری در دریاچه ها و آبهای پشت سد بکار برده شد. رسوب های ناشی از فرسایش در مناطق آبریز محیط های اطراف بهمراه سزیم-137 در کف دریاچه انباشته می­شوند. چنانچه فرسایش طبیعی در آبریز وجود داشته باشد شکل تابع ورودی سزیم-137 در رسوب ها حفظ می­شود. این شکل پروفایل است و نه فروپاشی رادیونوکلید که بعنوان اساس سالیابی انباشت رسوب ها عمل می­کند. اولین ظهور سزیم-137 محیطی در اواسط سالهای 1950 و حداکثر آن در اواسط سالهای 1960 بود که هر دو براحتی دارای مشخصات قابل شناسایی هستند. این اطلاعات ممکن است با نتایج دیگر روش های سالیابی و با سوابق تاریخی معلوم جهت بدست آوردن فهم بهتر با الگوهای فرسایش مقایسه شوند.

نمودار (پروفایل) سزیم-137 با روشهای تجربی زیر اندازه گیری می­شود:

 

* جمع آوری و بخش بخش کردن نمونه حاصل از خاک در منطقه مورد نظر،

* قرار دادن هر بخش خشک شده و توزین آن در یک ظرف مارینلی (ظرف های مخصوصی که نمونه خاک را در آن ریخته و بر روی آشکارساز برای شمارش قرار می دهند) که بر روی آشکارساز با توان تفکیک بالا (شکل 9-6 (پ)) قرار دارد،

* اندازه گیری آهنگ شمارش در قله پرتو γ  با انرژی keV 662،

* محاسبه اکتیویته ویژه سزیم-137 و مقایسه آن با نتایج حاصل از یک استاندارد کالیبره شده.

Normal 0 false false false EN-US X-NONE AR-SA

روشها و کاربرد­­ها

اندازه گیری و بویژه پیش بینی آهنگ فرسایش خاکهای حاصلخیز کلیدی برای توسعه کشاورزی پایدار در بلند مدت است. آهنگ فرسایش سطح بستگی به پارامترهایی همچون توزیع، مقدار و شدت ریزش باران، شیب زمین، طبیعت و وسعت کشاورزی و قابلیت فرسایش خاک دارد.     تلاش­هایی جهت توسعه معادلات مرتبط با آهنگ های فرسایش برای این پارامترها و بکار بردن معادلاتی جهت پیش بینی فرسایش در ناحیه گسترده جغرافیایی انجام پذیرفته است (Ritchie و IAEA 1995). یکی از آنها که بطور گسترده بکار رفته معادله(Uinrversal Soil Loss E quation) USLE  است. با این وجود، این معادله بطور نامناسبی در ایالات متحده توسعه یافته و در سراسر جهان بکار رفته است. یک روش مستقل برای اعتبارسنجی چنین معادلاتی لازم است. برنامه های دقیق و اندازه گیری های انجام شده بر روی نمودارهای (پروفایل های) سزیم-137 در شیب های آبریز، پایه ای را برای تخمین مستقل آهنگ های فرسایش ارایه می کند. این مبانی بصورت شماتیک در شکل (9-6 (ت)) نشان داده شده است.

هر میزان آهنگ فرسایش بزرگتر باشد، آهنگ از بین رفتن خاک بیشتر و سزیم-137 باقیمانده در نمودار خاک کمتر خواهد بود. از طرف دیگر، آهنگ بیشتر انباشت خاک در آبریز نشاندهنده مقدار بیشتری سزیم-137 را در نمودار نشان می­دهد. نمودارهای اکتیویته مشابه با آن نمودارهایی که در شکل طراحی شده اند برای مشاهده مشکل نیستند. کلیدی برای تفسیر قابل اطمینان از اطلاعات حاصل، شناسایی یک محل مرجع روی شیب است که در آنجا حداقل فرسایش یا رسوب در چند دهه گذشته وجود داشته است. شناسایی محل مرجع معمولاً بر اساس قضاوت متخصصین محلی است. یک فاکتور پیچیده این است که آهنگ شمارش نسبت داده شده به قله keV 663 (که به سزیم-137 نسبت داده می شود) اغلب در بالای زمینه کوچک است. از نظر تجربی، تابش زمینه ممکن است با استفاده از یک طیف سنج پرتو γ با حفاظ مناسب و با قابلیت از بین بردن کامپتون کاهش یابد. با وجود این، چنین وسیله ای ویژه بوده و پر هزینه است. دسترسی به روشهای ریاضی برای محاسبه اکتیویته ویژه ایزوتوپهای گسیلنده گاما در سطوح خیلی پایین در نمونه های طبیعی امکان پذیر بوده ولی بحث در مورد آنها خارج از چارچوب این کتاب می­باشد.

 

یک نتیجه جالب

کاربرد سزیم-137 برای مطالعه فرسایش، نه تنها جهت مطالعات در مقیاس منطقه ای بلکه در سطح یک مزرعه اختصاصی و در مناطق جنگلی نیز مفید واقع شده است. اندازه گیریها می­توانند با مطالعات اثر مدیریت مصرف زمین در فرسایش مشارکت نمایند. بعنوان مثال، مطالعه ای بر روی یک تاکستان نشان داد که به ازای تولید هر بطری از شراب، تقریباً یک بطری خاک حاصلخیز در منطقه زیر کشت از دست رفته است. برای رسیدن به توسعه پایدار، ضروری است که فهمی از کل هزینه های محیطی تولید به دست آید.

 

تکنیک های دیگر

روش برای بکار بردن سزیم-137 بعنوان یک روش تعیین عمر (سالیابی)، متفاوت از آن است که برای اکثریت روشهای رادیومتریک بکار می رود. این بستگی به اندازه گیری فروپاشی رادیواکتیو ندارد بلکه به شناسایی مشخصات ویژه تابع ورودی همچون شروع اکتیویته سزیم-137 (در اواسط سال های 1950) و حداکثر مقدار آن (در اواسط سال های 1960) بستگی دارد. همچنین روشهای مرسوم تعیین عمر با استفاده از مواد رادیواکتیوی همچون سرب-210 (با نیمه عمر 2/22 سال)، کربن-14(با نیمه عمر 5730 سال) یا Th/²³⁴U²³⁰  (شکل 1-5) وجود دارد که جهت اندازه گیری تجمع رسوب در مقیاس های زمانی ده­ها و صدها هزار سال قابل استفاده هستند. در این روش ها، بینش در تکامل مدخل دریاچه ها یا دیگر مشخصات زمین شناسی در دوره اخیر زمین شناسی بدست آمده است.

 

مثالهای اولیه کاربردهای ردیابی

مثالهای اولیه کاربردهای ردیابی

قبل از جنگ جهانی دوم، کاربردهای ردیابی رادیوایزوتوپ در مقیاس نسبتاً پایینی و محدود به زمینه های شیمی، بیولوژی و کشاورزی بود. بلافاصله پس از دوران جنگ، سرعت استفاده از این روش در صنعت گسترش جدی یافت. و در گزارشات مربوط به دو کنفرانس مشهور بین المللی که در ارتباط با استفاده صلح آمیز از انرژی اتمی بوسیله سازمان برگزار گردید نتایج استفاده و گسترش این روش در صنعت UN) ،1956 ، 1958) ارایه گردید.

این دو کنفرانس با نام" اتم ها برای صلح "در سال 1955 و 1958 مشهور شدند. در ادامه چند مثالی از کاربردهای اولیه این روش در بخش نفت توضیح داده می­شود.

(1) مطالعه میدان نفتی: تعجب آور نیست، رادیوایزوتوپها اولین بار در صنایعی بکار رفت که در آنها ردیابهای شیمیایی به خوبی تثبیت شده بود. بعنوان مثال، در مهندسی میدان نفتی، تزریق آب بطور گسترده جهت افزایش بهره هیدروکربنهای استخراج می­شوند بکار می­رود. اطلاعات دقیق در مورد شرایط مخازن آب در نزدیکی چنین چاههایی از حفاری چاهها و دیگر آزمایشات قابل دستیابی است. با وجود این، ردیابها جهت بدست آوردن اطلاعات حیاتی در مورد الگوهای جریان در لایه های حامل نفت بین چاه های تولید و تزریق مورد نیاز می­باشند.

فلورسین و دیگر رنگها، و نیز سدیم و سلنیوم بطور سنتی و معمول بکار می­روند، ولی به دلیل جذب سطحی زیاد بر روی سطوح جامد بندرت دارای نتایج موفقیت آمیز بوده اند. در ابتدا  واتکینز و دانینگ (Watkins و  Dunning  (UN، 1956)) گزارش دادند که ردیابهای رادیواکتیو شامل ید-131 و ایریدیم-192 در یک فرم شیمیایی مناسب (جدول 8-1) نتایج موفق آمیزتری داشته­اند.

(2) نقش ردیابها در صنعت پالایش نفت: کاربرد تکنیک های رادیوایزوتوپ در پالایش نفت از اوایل سالهای 1950خود را نشان داده است. Hull  و Fries  (UN، 1956) مطالعات قدیمی را بازبینی کردند، که این مطالعات نیز شامل بسیاری از کارهای قبلی آنها بود پس از آن، روشهای ردیاب رادیواکتیو در طی زمان برای موارد یاد شده زیر توسعه یافت.

یافتن محل نشتی در خطوط لوله، اندازه گیری جریان تحت یک شرایط وسیع خاص، و مطالعه رفتار کاتالیزور در ستونهای پالایش. بین دو کنفرانس "اتمها برای صلح "( 1955 و 1958 )، کاربردهای صنعتی گسترش یافت. IAEA که در سال 1958 بنیان گزاری شد، نقش اصلی در گسترش و توسعه کاربردهای فنآوری ردیاب­ها را بویژه در کشورهای در حال توسعه ایفاء نمود.

 

پیشرفت های اخیر

از اوایل سالهای 1960 پیشرفت بزرگی در زمینه های میکرو الکترونیک، پردازش اطلاعات و تجسم و مدلسازی عددی فرایند های پیچیده دینامیکی صورت پذیرفته است.

هرچند این پیشرفت و توسعه بطور مستقیم مرتبط با علم تابش و رادیوایزوتوپ نبود، اما تاثیر بسزایی در حوزه فنآوری ردیاب داشته است. قابل ذکر است بسیاری از پیشرفت های اخیر در این حوزه، برای سلامت و بخشی برای صنعت گسترش یافت. مثالهایی در این باره شامل توموگرافی کامپیوتری (بخش 7-2-1)، کاربردهای صنعتی سیستم های دوربین پرتو گاما و SPECT (توموگرافی کامپیوتری گسیل تک فوتون) می باشد. درجدول (8-3) تعدادی از کاربردهای صنعتی و محیطی ردیابهای مصنوعی آورده شده است.