福岛核事故发生十年后，西北太平洋海域中的放射性铯

《Journal of Environmental Radioactivity》：Fukushima-derived radiocesium in the western North Pacific Ocean the decade after the accident

　　

熊本勇一郎|滨岛康纪|井上睦夫

日本海洋地球科学技术机构全球变化研究所，神奈川县横须贺市夏岛町2-15，邮编2370061，日本

摘要

2011年3月，受损的福岛第一核电站（FNPP1）向北太平洋释放了放射性铯（¹³⁴Cs和¹³⁷Cs）。本研究在2020年至2023年间对北太平洋西部和白令海的19个站点进行了放射性铯浓度的高程分布测量。通过整合这些数据以及先前的研究结果，我们分析了FNPP1事故发生后十年内放射性铯在北太平洋的传输路径和库存情况。在亚北极地区，¹³⁴Cs随气旋环流在表层完成了一次循环后，开始在海洋内部重新分布。在亚热带西部，由于亚热带模态水（STMW）的下沉作用，来自FNPP1的¹³⁴Cs被输送到深层。从2013年到2020年代初，¹³⁴Cs的浓度下降了约50%，这是因为这部分物质被从亚热带西部输送到了其他区域。然而，深层中的¹³⁴Cs浓度在2020年代初仍然较高，这表明在十年间，来自STMW的¹³⁴Cs随逆气旋环流多次在海洋内部循环。本研究估计的亚热带西部¹³⁴Cs总量表明，以往的研究可能低估了2011年放射性铯向北太平洋的排放量。

引言

2011年3月11日的东日本大地震及其引发的海啸导致福岛第一核电站（FNPP1）受损，放射性铯同位素（¹³⁴Cs和¹³⁷Cs）被释放到北太平洋（Buesseler et al., 2017）。从FNPP1释放到北太平洋的¹³⁴Cs和¹³⁷Cs的总放射性约为相等（Buesseler et al., 2011）。由于¹³⁷Cs的半衰期较长（30.17年），20世纪50至60年代核武器试验释放的¹³⁷Cs在21世纪00至10年代仍能在北太平洋被检测到（约2 Bq m^?3，Aoyama, 2018）。因此，FNPP1事故后北太平洋检测到的¹³⁷Cs浓度实际上是核武器试验和FNPP1事故释放的¹³⁷Cs的总和。相比之下，由于¹³⁴Cs的半衰期较短（2.06年），事故发生时原有的核武器试验释放的¹³⁴Cs已衰减到无法检测的水平。因此，¹³⁴Cs是明确指示FNPP1事故释放的放射性铯的示踪剂。

事故发生后一年内，通过对北太平洋的放射性铯测量及基于这些数据的模型模拟，估算出FNPP1释放的¹³⁴Cs（或¹³⁷Cs）的总放射性在14–18 PBq（10¹⁵ Bq）范围内（Takata and Kumamoto, 2022）。这种总放射性主要来自两个来源：3–5 PBq来自FNPP1的直接泄漏，9–12 PBq通过大气传输并主要沉积在北太平洋西北部（见图1）。由此可见，FNPP1释放的放射性铯主要通过大气沉降传播。直接泄漏的¹³⁴Cs的放射性估计具有相对较低的不确定性，因为FNPP1附近海域的放射性铯观测数据较为丰富。相比之下，广泛沉积在北太平洋开阔海域的¹³⁴Cs的放射性估计具有较高的不确定性，这是因为事故发生后整个北太平洋的观测数据不足以进行定量分析。

对北太平洋的流域尺度观测揭示了FNPP1释放的¹³⁴Cs在北太平洋及其邻近海域的传输路径。在黑潮延伸带（KEC）以北、大约35–40°N的亚北极地区，通过大气沉降的¹³⁴Cs随气旋环流在表层传播（见图1）。由于FNPP1位于日本北太平洋沿岸（37.4°N/141.0°E），靠近KEC，因此直接泄漏的¹³⁴Cs也随亚北极环流传播。2011年在日本沿海区域观察到高浓度的¹³⁴Cs水体，这些物质既包括大气沉降的¹³⁴Cs，也包括FNPP1直接泄漏的¹³⁴Cs（Kumamoto et al., 2019b）。该高浓度水体向东传播，沿着亚北极环流的南部路径（即KEC和北太平洋洋流，大约35°N至45°N）。2012年夏季到达国际日期变更线（Kumamoto et al., 2016），2014年到达150°W（Kumamoto et al., 2022），2016年左右到达北美大陆（Smith et al., 2017）。之后，它沿阿拉斯加湾转向西方向，通过亚北极环流的北部路径（即阿拉斯加洋流）进入白令海（Kumamoto et al., 2019a）。最终，在2020年，该高浓度水体可能通过东堪察加洋流和奥亚希奥洋流重新回到日本东北部海域（Inoue et al., 2023）。

在KEC以南、大约35–40°N的亚热带地区，研究表明，大气沉降是FNPP1释放的¹³⁴Cs的主要来源，因为FNPP1释放的¹³⁴Cs向南传输受到KEC或黑潮锋面的限制（Kumamoto et al., 2014）。1月至3月期间，受亚洲大陆季风影响，KEC以南地区的表层混合层发生对流并下沉至约400米深度。这种深层对流使表层海水向uff nale?mi? 200–400米深度的深层输送，这些深层海水被称为北太平洋的亚热带模态水（STMW，Masuzawa, 1969; Suga and Hanawa, 1995）。2011年FNPP1事故刚发生后，KEC以南海表沉积的¹³⁴Cs因STMW的下沉作用迅速被输送到深层。随后，在事故后的几年内，FNPP1释放的¹³⁴Cs随STMW的逆气旋环流在整个亚热带地区扩散（Kumamoto et al., 2014; Kaeriyama et al., 2014; Yoshida et al., 2015）。

在KEC以北的亚北极地区，由于冬季的深层对流，表层海水也会下沉至约200–400米深度，这些深层海水被称为北太平洋的中央模态水（CMW，Suga et al., 1997）。因此，FNPP1事故后表层中的FNPP1释放的¹³⁴Cs也随CMW向东然后向南传播（见图1）。CMW的密度异常值（σ_θ，单位kg m^?3）通常在26.0至26.6之间，比STMW的密度（25.0至25.6 σ_θ）更高。结果，CMW中的¹³⁴Cs被输送到约300–500米深度的深层，而STMW的输送深度为200–400米（见图1）。2012年在亚北极地区观察到FNPP1释放的¹³⁴Cs随CMW下沉的现象（Kaeriyama et al., 2016; Aoyama et al., 2016）。虽然具体传输路径尚不确定，但Zhang et al.（2024）在事故七年后的2018年首次在亚热带西部发现了CMW中的¹³⁴Cs。

本研究在2020年至2023年间对北太平洋西部和白令海的19个站点进行了放射性铯（¹³⁴Cs和¹³⁷Cs）浓度的高程分布测量。通过整合这些新数据以及我们之前的研究结果（Kumamoto et al., 2025），我们分析了FNPP1事故后十年内FNPP1释放的放射性铯在北太平洋的分布情况。此外，还结合这些最近观测结果和先前的研究，探讨了事故发生后十年内FNPP1释放的放射性铯在北太平洋的传输路径和库存情况。

小节摘要

方法和数据

2020年10月的R/V "MIRAI"（MR20-05C）、2021年11月的MR21-06、2023年10月的MR23-07以及2022年8月的R/V “HAKUHO-MARU”（KH-22-7）航次中，在北太平洋西部和白令海采集了用于测量放射性铯（¹³⁴Cs和¹³⁷Cs）的海水样本（见图2a）。在三次"MIRAI"航次中，使用配备旋转式多采样系统（型号SBE 9 plus/11 plus，Seabird）的12-L Niskin型采样瓶收集了海水样本

结果

图3a显示了2022年沿图2a中A线（标称经度155°E）的¹³⁴Cs浓度（单位Bq m^?3）的经向剖面，但最北端的47°N站点的数据为2020年采集。位于35°N至40°N之间的黑潮锋面将北太平洋分为北亚北极区和南亚热带区。在FNPP1事故约十年后的2020/2022年，FNPP1释放的¹³⁴Cs同时出现在亚热带区和亚北极区

随表层洋流的传输

在大约35–40°N的亚北极地区，源自大气沉降和直接泄漏的高浓度¹³⁴Cs水体随表层洋流（KEC和NPC）向东传播（见图1）。2012年（见图3c–Kaeriyama et

结论

2020年至2023年间，在北太平洋的亚北极区和亚热带区检测到了FNPP1释放的¹³⁴Cs。通过整合这些最新观测结果和先前的研究，我们分析了FNPP1事故后十年内FNPP1释放的¹³⁴Cs在北太平洋的传输路径。在亚北极地区，FNPP1释放的¹³⁴Cs随气旋环流在表层完成了一次循环

CRediT作者贡献声明

熊本勇一郎：撰写初稿、进行研究、整理数据。滨岛康纪：制定研究方法。井上睦夫：制定研究方法。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了北极可持续发展挑战II（ArCS II）项目（项目编号JPMXD1420318865金泽大学自然与环境技术研究所的合作研究项目的支持（编号参见注解）。图3、图4和图5使用Ocean Data View软件（Schlitzer, 2025）绘制。