Ilmastonmuutoksen vaikutukset radiocesiumin kulkeutumiseen ydinlaskeumasta vesi- ja metsäympäristöön

Vuoden mittaisessa projektissa tutkimme radioaktiivisen isotoopin ¹³⁷Cs pitoisuuden vaihtelua maa- ja vesiympäristössä. Yhdistimme meteorologisia ja hydrologisia havaintoja radioaktiivisuusdataan viideltä vuosikymmeneltä voidaksemme arvioida sääilmiöiden vaikutusta radiocesiumin esiintymiseen sisävesissä, maaperässä ja hirvenlihassa. Ilmastonmuutokseen liittyvät sademäärän kasvu ja lämpötilan nousu kiihdyttävät maaperän rapautumista sekä eroosiota. Nämä tekijät tulevat lisäämään ¹³⁷Cs:n kulkeutumista eri ympäristöissä ja mahdollisesti biologista rikastumista. Työ jatkuu hiljattain päättyneen projektin jälkeenkin mallin validoinnin, data-analyysin syventämisen sekä artikkelin kirjoittamisen muodoissa.

Tausta

Cesiumin radioaktiivista isotooppia ¹³⁷Cs eli ”radiocesiumia” on joutunut ympäristöön muun muassa Fukushiman sekä Tshernobylin ydinvoimalaonnettomuuksista vuosina 2011 ja 1986, vastaavasti, ja 1950–1970-luvuilla suoritetuista ilmakehän ydinpommikokeista. ¹³⁷Cs on sekä gamma- että beetasäteilijä ja sen fysikaalinen puoliintumisaika on noin 30 vuotta. ¹³⁷Cs:n kulkeutuminen ympäristössä on monimutkainen prosessi, johon vaikuttavat esimerkiksi meteorologiset, maantieteelliset, geokemialliset sekä fysikaaliset tekijät. Ihmisten kannalta kiinnostava kysymys on ¹³⁷Cs:n kulkeutuminen ja rikastuminen ravintoketjuissa, joiden päätepisteenä on ihminen. Yhdenarvoisena kationina useimmiten esiintyessään ¹³⁷Cs on kemiallisesti saman kaltainen kaliumin kanssa, hyvin liukoinen ja liikkuvainen. Joutuessaan ravinnon tai hengitysilman mukana eläinkunnan edustajan elimistöön ¹³⁷Cs rikastuu pehmyt- ja lihaskudoksiin.    

Helsingin ja Uppsalan yliopistojen sekä Ilmatieteen laitoksen yhteisprojektissa selvitettiin ¹³⁷Cs:n pitoisuuden vuosittaista vaihtelua sekä maa- että vesiympäristössä. Erityisiksi tutkimuskohteiksi valikoituivat sienet, hirvenliha sekä vesi. Tutkimuksessa hyödynnettiin Suomessa ja Ruotsissa kerättyä monipuolista radioaktiivisuusdataa sekä hydrologisia ja meteorologisia havaintoja viideltä vuosikymmeneltä. On odotettavissa, että ilmastonmuutoksen edetessä tapahtuvat muutokset lämpötilassa, sademäärässä ja äärimmäisissä sääolosuhteissa vaikuttavat myös maa- ja kallioperän eroosioon ja siten myös ¹³⁷Cs:n liikkuvuuteen sekä rikastumiseen ympäristössä. Tutkimuksessamme etsittiin mahdollisia poikkeavuuksia ¹³⁷Cs:n pitoisuuksissa edellä mainituissa näytemateriaaleissa ja pyrittiin löytämään niille yhteys poikkeaviin sääolosuhteisiin tarkastelemalla meteorologista dataa edeltävältä ja vastaavalta ajankohdalta.

Radiocesium Kymijoen valuma-alueen vesistöissä

Kymijoen laajan valuma-alueen suurin järvi on Päijänne, josta toimitetaan juomavesi noin miljoonalle suomalaiselle, lähinnä pääkaupunkiseudulle. Päijänne sijaitsee Suomessa eniten radioaktiivista laskeumaa saaneella alueella Tshernobylin onnettomuuden jälkeisinä viikkoina. Tässä tutkimuksessa hyödynnettiin maanviljelyksessä tavallisemmin käytettyä SWAT+-mallia (Soil & Water Assessment Tool) maaperän eroosion ja valuman mallintamisessa. Malliin syötetyt tiedot olivat muun muassa sedimentaationopeus ja veden virtaustilavuus Kymijoen valuma-alueella, sekä ¹³⁷Cs-pitoisuus sedimenteissä ja vedessä ajan funktiona.  

Voisi olettaa, että ¹³⁷Cs-pitoisuudessa näkyisi selkeä laskeva trendi, koska uutta radiocesiumia ei ole vapautunut ympäristöön merkittävissä määrin vuoden 2011 Fukushiman onnettomuuden jälkeen. Lisäksi ¹³⁷Cs:n puoliintumisajan ollessa 30 vuotta, on Tshernobylistäkin vuonna 1986 kulkeutuneen ¹³⁷Cs:n aktiivisuus jo kertaalleen puoliintunut. Kuvassa 1 nähdään ¹³⁷Cs-laskeuma ajan funktiona neljässä havaintopisteessä Kymijoen valuma-alueella tai sen läheisyydessä. Laskevan ¹³⁷Cs-pitoisuustrendin lisäksi nähdään Jyväskylän havaintosarjassa lievästi kohonnut ¹³⁷Cs-pitoisuus vuosina 1994–1998 ja Kotkan havaintosarjassa vuonna 2007. Syytä näihin lieviin poikkeavuuksiin aktiivisuuspitoisuudessa ei tämän tutkimuksen aikana pystytty selvittämään. Vuoden kestänyt tiivistahtinen projekti osoitti mallinnuksen haasteet, koska erilaista hyödynnettävää dataa oli erittäin runsaasti ja sen karsiminen vei aikaa. Lopulta emme ehtineet toteuttaa tässä projektin pilottivaiheessa hydrologisten ulosvirtausten tarvitsemia SWAT+ mallin kalibrointia ja validointia. Seuraavaksi tullaankin jatkamaan SWAT+ mallin kehittämistä ja sen soveltamista ¹³⁷Cs:n kulkeutumistutkimukseen kalibroimalla sekä validoimalla malli.

Radiocesiumin rikastuminen hirviin ruotsalaisessa metsäympäristössä

Gävle valikoitui ruotsalaisista kaupungeista erityiseen tarkasteluun, koska se sijaitsee maan eniten Tshernobyl-laskeumaa saaneella kaistaleella. Yhdistimme havaintodataa vuosittaisista sademääristä, lämpötiloista, ¹³⁷Cs-laskeumasta ja ¹³⁷Cs-pitoisuudesta sienissä sekä hirvenlihassa nähdäksemme sääolojen mahdollisen vaikutuksen hirven ruokavalioon ja elinympäristöön ja edelleen hirvenlihaan kertyneeseen radiocesiumin määrään. Tutkimme myös maaperän eroosion ja rapautumisen aiheuttamaa muutosta moreenimaan ¹³⁷Cs-pitoisuudessa vertaamalla sitä muihin samassa maaperässä oleviin metalleihin. Otimme huomioon myös hirven erilaisen ruokavalion kesä- ja talviaikaan, sekä reviirin keskimääräisen laajuuden. Hirvi vaeltaa kesä- ja talviympäristön välillä, sääolojen ja ravintomieltymysten mukaisesti, ja tämä reviirin laajuus on hyvin yksilöllinen.

Vertailimme moreenin sisältämien cesiumin tapaisten liukoisten metallien pitoisuuksia zirkoniumin kaltaisten huonosti liukenevien metallien pitoisuuksia toisiinsa. Tällöin voitiin havaita ¹³⁷Cs:n poistuminen moreenista eroosion ja rapautumisen myötä Gävlen ympäristön luoteisalueella (kuva 2). Toisaalla idässä ja etelässä voitiin todeta ¹³⁷Csn kertyminen moreeniin. On todennäköistä, että ilmaston lämpeneminen kiihdyttää edelleen rapautumista ja eroosiota lisäten ¹³⁷Cs:n uudelleen jakautumista Gävlen alueen maaperässä. Tällä on taas edelleen paikasta riippuen joko positiivinen tai negatiivinen vaikutus ¹³⁷Cs:n kulkeutumiseen tietyn maa-alueen sieniin, kasveihin ja edelleen maaeläimiin.

Samalla tapaa kuin näkyi Kymijoen valuma-alueen vuositarkastelussa, niin myös maaympäristössä Gävlen seudulla nähdään jatkuvasti laskeva trendi radiocesiumin pitoisuudessa hirvenlihassa. Pitoisuusdataa voidaan tarkastella muun muassa jakamalla hirvenlihan ¹³⁷Cs-pitoisuus saman alueen laskeuman ¹³⁷Cs-pitoisuudella ja huomioimalla tässä Tshernobylin onnettomuudesta laskeutuneen ¹³⁷Cs:n hajoaminen ajan myötä. Näin saadaan ¹³⁷Cs:lle laskettua siirtokerroin eli hirvenliha/maaperä -suhde, joka on esitetty kuvassa 3. Hirven cesiumpitoisuudessa on kolme poikkeavaa vuotta, 1997, 2003 ja 2006, jolloin pitoisuudet sekä siirtokertoimet ovat tavallista korkeammat (kuva 3). Nämä poikkeavuudet eivät riipu hirven iästä ja samoille vuosille osuvat cesiumpitoisuuden kasvut nähdään myös samoilta alueilta kerättyjen metsäkauriiden lihassa. Mitään selkeitä säätilan trendejä ei löytynyt selittämään poikkeavia ¹³⁷Cs-pitoisuuksia, vaikka vuosina 1996 ja 1997 nähdäänkin selkeä yhteys lumipeitteen paksuuden ja ns. pakkanen-suojasää-syklin (freeze-thaw cycle) välillä. Vuonna 1996 Gävlessä oli lumipeite paksumpi ja lämpötila matalampi kuin seuraavana vuonna, jolloin lumipeite oli ohuempi ja pakkanen-suojasää-sykli voimakkaampi ja useammin toistuva. Pakkasen ja suojasään vuorottelu osaltaan edesauttaa maaperän eroosiota sekä ¹³⁷Cs:n kulkeutumista ympäristössä. Gävlen seudun hirvi- sekä säädatan analysointi jatkuu edelleen ja siitä tullaan julkaisemaan tieteellinen artikkeli lähiaikoina.

Ilmastonmuutoksen vaikutus radiocesiumin kiertokulkuun

Kahden eri tapaustutkimuksen, eli Kymijoen valuma-alueen sekä Gävlen metsäympäristön perusteella voimme todeta lyhyesti, että ilmastonmuutokseen liittyvät sääilmiöt sekä lämpötilan nousu tulevat lisäämään maaperän eroosiota ja rapautumista, mikä on omiaan vapauttamaan maaperään sitoutuneen radiocesiumin ja edistämään sen siirtymistä maa- ja vesiekosysteemeissä. ¹³⁷Cs:n fysikaalinen puoliintumisaika on kuitenkin niinkin lyhyt, että isotooppi katoaa aivan itsestään vuosikymmenten kuluessa ympäristön kiertokulusta, mikäli sitä ei joudu ympäristöön lisää jostakin uudesta lähteestä. On kuitenkin hyvä muistaa, että radiocesiumin lisäksi ympäristössämme on lukuisia muita radioaktiivisia isotooppeja, jotka vastaavasti kulkeutuvat, kerääntyvät ja hajoavat fysikaalisesti omien yksilöllisten ominaisuuksiensa mukaisesti. Osa näistä radioaktiivisista isotoopeista on luonnollisia, kuten uraanista ja toriumista lähtöisin olevat luonnon hajoamissarjojen jäsenet, ja osa on ihmisen valmistamia, esimerkiksi uraania raskaammat alkuaineet, joita vapautui Tshernobylin räjähdyksessä. Ilmastonmuutos voi vaikuttaa kaikkien radioaktiivisten alkuaineiden kulkeutumiseen ja niiden määriin ympäristössä sekä eliöissä. Vaikutusten tarkempi selvittäminen vaatii runsaasti uutta tutkimustyötä.

Kirjallisuusviitteet

Abigail K. Barker, Vanda Jakabová, Emma Nilsson, Erik Andersson-Sundén, Cecilia Gustavsson, Mattias Lantz, Jussi Paatero, Susanna Salminen-Paatero. The impact of climate change on radiocesium mobility. Report 2024. https://urn.kb.se/resolve?urn=urn%3Anbn%3Ase%3Auu%3Adiva-540461

Vanda Jakabová, Emma Nilsson, Mattias Lantz, Erik Andersson-Sundén, Susanna Salminen-Paatero, Cecilia Gustavsson, Abigail K. Barker. Investigating the impact of climate change on radiocesium from moose in Västernorrland and Gävleborg counties, Sweden. Konferenssiesitys, Pohjoismainen Säteilysuojeluseura/Nordic Society for Radiation Protection NSFS, 5.-9.6.2023 Malmö, Ruotsi.

Susanna Salminen-Paatero¹, Jussi Paatero², Abigail K. Barker³, Vanda Jakabová³, Emma Nilsson³, Erik Andersson-Sundén³, Cecilia Gustavsson³ ja Mattias Lantz³

1 FT, Kemian osasto, Helsingin yliopisto

2 Ilmatieteen laitos

3 Uppsalan yliopisto