三位一体核试验如何将放射性尘埃扩散到全美

1945年7月16日的三位一体核试验是热门电影《奥本海默》以及人类历史上的一个关键事件。许多科学家认为它标志着“人类世”的开端，这是一个以人类对地球影响为特征的新地质时代。这是因为三位一体核试验产生的放射性沉降物将永远出现在地质记录中，形成一个可以精确测年的人类活动独特标志。

但这里有一个问题。1945年，放射性监测技术尚处于起步阶段，因此除了试验场外，直接的沉降物测量数据很少。更重要的是，当时人们对天气模式的理解也较少，因此无法轻易确定沉降物的扩散范围。

因此，没有人真正知道三位一体核试验的沉降物在美国境内扩散了多广，甚至其他在美本土举行的大气核试验的沉降物是如何扩散的。

核谜团

如今，普林斯顿大学的Sébastien Philippe及其同事的研究改变了这一现状。该团队利用核试验后5天的最先进天气模拟，来模拟沉降物的扩散情况。

结果是迄今为止对美国境内放射性沉降物扩散范围的最精细估算。它以非凡的精度标志着人类世的开端，并带来了一些重大的惊喜。已知美国一些地区受到了高水平沉降物的污染，这项新研究与此一致。但该研究还揭示了美国一些未被发现受到了显著沉降物影响的地区。

菲利普及其同事表示，这些发现“为重新评估大气核试验对公众健康和环境的影响提供了机会”。

1945年至1962年间，美国进行了94次大气核试验，其当量最高达74千吨TNT。（另外七次试验则效果甚微。）其中93次试验在内华达州进行，但第一次试验，即《奥本海默》电影中展示的三位一体核试验，则在新墨西哥州举行。

美国政府记录了每次试验的各种细节，包括时间和地点、爆炸当量、离地高度以及产生的蘑菇云大小。在所有这些试验之后，核科学家对每次爆炸产生的放射性裂变产物及其颗粒大小有了很好的了解。

菲利普及其团队将这些数据输入一个模拟大气中粒子扩散的计算机模型。然后，他们又将此输入一个天气模型。

该模型由位于英国的欧洲中期天气预报中心开发，该中心一直致力于利用21世纪的计算技术来模拟20世纪的天气和气候。菲利普及其团队使用了该模型的最新版本ERA5，该模型基于当时收集的任何气象数据，模拟了1940年以来的天气。

该团队工作的主要成果是一张高分辨率地图，显示了94次大气试验在整个美国大陆沉降的裂变产物密度。菲利普及其团队表示，这张地图比以往的研究更为详细，例如，它显示了落基山脉造成的辐射通道和阴影。

由于三位一体核试验是第一次也是最重要的爆炸，该团队比其他试验更详细地对其进行了建模。他们展示了辐射云如何在几天内扩散到美国各地，特别是如何于7月20日到达加拿大一个偏远的水体，称为克劳福德湖。

黄金标准

这具有重要意义，因为一个名为“人类世工作组”的国际科学家团体最近选择了克劳福德湖作为衡量人类世的标准。这个湖是一个不错的选择，因为它相对平静，允许大气中的尘埃沉降到底部，形成明确的层，记录了多年来的人类活动。

该团体还决定，人类世应该从1950年开始，那时人类活动对地球的影响开始加速。

但如果大气核爆炸产生的放射性粒子测量也是衡量人类世开始的一个指标，那么菲利普及其同事的工作表明，这必须从7月20日星期五开始计算。这使得重新考虑人类世的确切开始日期成为可能。

这项新研究还对辐射暴露受害者获得赔偿的方式产生了影响。《美国辐射暴露赔偿法》（RECA）为各种县和部落地区提供经济赔偿。

但新研究揭示了该法案未覆盖但同样受到高强度辐射的地区。研究人员表示：“在新墨西哥州以及美国其他地区，包括犹他州、内华达州、怀俄明州、科罗拉多州、亚利桑那州和爱达荷州，放射性核素的沉积水平超过了我们在RECA覆盖的一些县中的估算水平。”

这是一项具有重要意义的有趣工作。而且，它恰好与《奥本海默》电影一同发布，大概是为了获得最大的关注度，而且理所应当。

参考：美国新墨西哥州和内华达州的大气核试验沉降物（1945-1962）：arxiv.org/abs/2307.11040