Transfer and Circulation of Radioactivity in the Atmosphere

Zusammenfassung

Die Bewegung der Atmosphäre ist außerordentlich kompliziert. Es gibt permanente Zirkulationsräder und ebenso turbulente Bewegungen von den großen Wirbeln, die von Zyklonen oder Antizyklonen gebildet werden, bis zu den kleinen Windböen von der Dauerhaftigkeit eines Bruchteils einer Sekunde. Es ist wichtig, diese verschiedenen Größenordnungen der atmosphärischen Bewegungen bei einer Diskussion über den Transport und die Zirkulation der Radioaktivität in der Atmosphäre zu unterscheiden. In der folgenden Diskussion wird eine Einteilung durchgeführt, bei der drei verschiedene Bereiche unterschieden werden:

• a) Der Bereich bis zu 10 km (z.B. die Grenzschicht der Atmosphäre zur Erde).

• b) Der Bereich 10 bis 1000 km (z.B. die Zerstreuung radioaktiver Wolken in der freien Atmosphäre).

• c) Der Bereich größer als 1000 km (z. B. die globale Verteilung der Radioaktivität in der Atmosphäre).

Zunächst wird eine kurze Zusammenfassung der modernen Turbulenztheorie gegeben mit Hinweis auf die in diesem Zusammenhang wichtigsten Arbeiten.

Bei der Behandlung der Verbreitung der Radioaktivität in der erdnahen Schicht der Atmosphäre wird die Anwendbarkeit von Suttons Diffusionstheorie diskutiert, weiterhin wird auf die modernen russischen Arbeiten betreffend die Anwendbarkeit der Gleichartigkeitstheorien für die Verbreitung in einer geschichteten Atmosphäre, auf Gesichtspunkte für die Bedeutung des Looping bei der Verbreitung von Rauchpilzen, den Zusammenhang zwischen den Korrelationsfunktionen von Lagrange und Euler sowie eine Diskussion des Begriffes Verbreitungsgeschwindigkeit und dessen Bedeutung, speziell im Zusammenhang mit der Absetzung von I¹³¹ hingewiesen. Eine zusammenfassende Behandlung der Verteilung von Rn und Tn und deren Tochterprodukte in der erdnahen Schicht wird mit besonderem Hinblick auf die Messungen von RaC und RaD gegeben.

Eine Diskussion über die Verbreitung und Zirkulation von Radioaktivität in der freien Atmosphäre weist vor allem auf die Bedeutung atmosphärischer Deformationsfelder für Strukturveränderungen radioaktiver Wolken über längere Zeitdauer hin. Eine Schätzung des Austausch-Koeffizienten für die Verbreitung von Wolken der Dimension 100 km ergibt K = 3 • 10⁸ cm² sec⁻¹. Weiter wird eine Zusammenfassung gegeben zu dem Versuch, die wahrscheinliche Position einer Wolke in der freien Atmosphäre zu verschiedenen Zeitpunkten zu berechnen, nachdem die Wolke beobachtet wurde.

Für die Diskussion über die globale Zirkulation von Radioaktivität in der Atmosphäre wird zuerst eine Zusammenfassung unserer Auffassung über die Zirkulation der Atmosphäre gegeben, die durch direkte Wind- und Temperatur- beobachtungen gewonnen wurde. Für das Studium der globalen Zirkulation der Atmosphäre werden 1. die natürliche Radioaktivität (Rn und Tn samt deren Tochterprodukte), 2. die durch kosmische Strahlung gebildete Radioaktivität und 3. die von Atombombenexplosionen herrührende künstliche Radioaktivität verwendet.

1. Durch Betrachtung eines vereinfachten Modells der Atmosphäre, in welchem die Auswaschung der Atmosphäre in den unteren 5 km vor sich geht, und turbulenten Transport in höheren Schichten kann man zeigen, daß die Verteilung natürlicher Radioaktivität in der Troposphäre zu einem Austausch- Koeffizient von K_z= 2 • 10⁵ cm² sec⁻¹ führt.

2. Die Radioaktivität, die durch kosmische Strahlung gebildet wird, ist besonders geeignet zum Studium der Zirkulation der Atmosphäre auf Grund der relativ guten Kenntnis der Verteilung der Produktion von Radioaktivität und weiter dadurch, daß die Produktion in der Stratosphäre pro Masseneinheit Luft 100- bis lOOOmal größer ist als die Produktion an der Erdoberfläche. Auf Grund dessen ist besonders ein Studium des vertikalen Luftaustausches möglich. Der C¹⁴- Gehalt und seine Veränderungen durch Verbrennung von Kohle und Öl einerseits und durch Neubildung bei Atombombenexplosionen andererseits geben Möglichkeiten zum Studium des Austausches zwischen nördlicher und südlicher Hemisphäre und des vertikalen Luftaustausches zwischen Stratosphäre und Troposphäre.

3. Es stößt auf große Schwierigkeiten, die Verteilung und den Ausfall von künstlicher Radioaktivität, Sr⁹⁰, Cs¹³⁷ usw. quantitativ auszuwerten, da Menge, Höhe und Zeitpunkt der freigegebenen Radioaktivität nicht bekannt sind. Die umfassenden Meßserien, die existieren, lassen jedoch gewisse allgemeine Schlußfolgerungen zu:

• a) Radioaktivität in der polaren Stratosphäre erreicht den Boden bedeutend schneller als Radioaktivität in der äquatoriellen Stratosphäre.

• b) Der turbulente Transport von Radioaktivität ist zumindest von gleicher Bedeutung wie der, verursacht von einer zeitlich konstanten meridionalen Zirkulationszelle.

• c) Die Aufenthaltszeit für bisher freigegebene Radioaktivität in der Stratosphäre ist wahrscheinlich zwei Jahre oder weniger.

• d) Tritium gibt die Möglichkeit zum Studium der globalen Zirkulation von Wasserdampf.

Zusammenfassend wird eine Methode angedeutet, nach der eine gleichzeitige Behandlung der Verteilung verschiedener (radioaktiver oder stabiler) Spurenelemente die Möglichkeit gibt, sowohl den großen turbulenten Austausch zwischen verschiedenen Breiten und Höhen zu bestimmen sowie das eventuelle Vorkommen von permanenten Zirkulationsrädern in der Meridionalfläche zu ermitteln.