用极地冰芯中的钚-239追踪平流层物质的移动

钚-239（239Pu）是1945至1980年大气核武器试验释放的放射性核素，因其半衰期长（24100年）、化学性质稳定且自然丰度极低，成为研究平流层传输的有效示踪剂。极地冰芯因其偏远位置和未受干扰的层理结构，能保存大气传输的详细记录。本研究首次获取了格陵兰（NEEM）和南极（GV7、Styx、Hercules Névé）冰芯中1940至1980年的亚年尺度钚-239沉降记录，以揭示平流层传输的季节动态和长期过程。

研究发现，冰芯中的钚-239沉降模式与核武器试验当量密切相关。格陵兰冰芯因靠近北半球核试验场，沉降通量显著高于南极，且空间差异较大，反映了局部大气环流和试验位置的影响；而南极冰芯的钚-239分布更均匀，表明平流层传输导致大范围沉降的均一性。通过高分辨率分析，南极冰芯还揭示了明显的季节波动：南半球夏季钚-239沉降增强，这与夏季平流层-对流层交换过程活跃有关，与 cosmogenic核素（如10Be、35S）的夏季沉降峰值模式一致，经统计检验（P<0.02）证实夏季沉降显著更高。

值得注意的是，1952年“常春藤麦克”（Ivy Mike）核试验的钚-239在南极的沉降有限或延迟，而1954年“城堡行动”（Operation Castle）虽引爆地点相近，却导致显著沉降。这一差异主要归因于平流层环流和季节动态：“常春藤麦克”在北半球冬季引爆，处于准两年振荡（QBO）的西风相位，平流层传输受限；而“城堡行动”在北半球春季引爆，处于QBO东风相位，更利于向极地传输。

这些发现不仅改进了全球气溶胶扩散模型，还为理解火山喷发、地球工程等自然和人为活动对大气过程的影响提供了关键数据。例如，地球工程中向热带平流层注入SO2的策略可能受QBO相位影响，本研究结果可为制定减少极地影响的地球工程部署策略提供参考。此外，钚-239还可作为极地冰芯定年的可靠工具，尤其在低积累区或火山信号微弱的时段。