Reprint 814 度 掠 李 年
大 氣 中 氡 氣 濃 度 在 颱 風 黑 格 比 掠 過 香 港 時 的 變 化 陳 兆 偉 李 中 和 徐 傑 志 香 港 天 文 台 摘 要 香 港 天 文 台 自 2007 年 底 利 用 一 台 Pylon 微 量 氡 氣 監 測 儀 開 始 測 量 香 港 大 氣 中 氡 氣 的 濃 度 氡 氣 是 一 種 由 地 殼 不 斷 釋 放 到 大 氣 層 中 的 放 射 性 氣 體 氡 氣 的 監 測 提 供 了 關 於 氣 流 的 有 用 資 料, 包 括 氣 流 的 可 能 來 源 ( 海 洋 或 大 陸 性 氣 流 ) 此 文 介 紹 氡 氣 測 量 的 初 步 結 果, 以 及 分 析 2008 年 9 月 颱 風 黑 格 比 掠 過 香 港 時 大 氣 中 氡 氣 濃 度 的 變 化 及 其 與 各 種 氣 象 參 數 的 關 係 1
前 言 氡 (Rn 222 ) 是 鈾 (U 238 ) 衰 變 鏈 中 的 子 核 它 是 從 土 壤 釋 放 到 大 氣 中 的 放 射 性 惰 性 氣 體, 其 半 衰 期 約 為 3.8 天 氡 氣 及 其 子 核 是 環 境 天 然 輻 射 的 主 要 來 源, 國 內 外 均 有 研 究 它 所 引 致 的 劑 量 對 人 體 的 影 響 [1-2] 此 外, 氡 氣 的 惰 性 特 性 亦 有 助 作 為 大 氣 的 示 蹤 劑 來 追 蹤 氣 流 移 動 等 [3] 儘 管 香 港 早 已 有 研 究 測 量 氡 氣 在 室 內 的 濃 度 及 其 影 響, 但 過 去 並 沒 有 就 氡 氣 在 户 外 大 氣 中 的 濃 度 及 其 隨 天 氣 進 行 研 究 香 港 天 文 台 自 2007 年 11 月 至 2008 年 10 月 在 香 港 首 次 進 行 長 期 連 續 的 大 氣 中 氡 氣 監 測, 測 量 其 濃 度 在 全 年 的 變 化 此 研 究 宏 觀 掌 握 了 大 氣 中 氡 氣 隨 季 節 周 日 及 天 氣 變 化 的 關 係 本 文 較 詳 細 探 討 及 分 析 2008 年 9 月 底 颱 風 黑 格 比 掠 過 香 港 期 間 大 氣 中 氡 氣 濃 度 的 變 化, 從 而 了 解 極 端 天 氣 下 各 種 氣 象 參 數 對 氡 氣 濃 度 的 影 響 測 量 及 分 析 方 法 香 港 大 氣 中 氡 氣 監 測 在 天 文 台 京 士 柏 氣 象 站 進 行, 所 採 用 的 儀 器 為 加 拿 大 Pylon 廠 製 造 的 TEL 微 量 氡 氣 探 測 儀 此 探 測 儀 的 入 氣 口 安 裝 在 離 地 面 約 1.3 米 高 的 地 方, 探 測 儀 則 安 放 在 室 內 以 達 致 穩 定 的 測 量 環 境 ( 見 圖 1) 探 測 儀 以 每 分 鐘 1.5 公 升 的 流 速, 將 户 外 空 氣 經 過 濾 及 除 濕 後 抽 進 一 個 量 度 電 離 室 ( 容 積 約 19.6 升 ) 量 度 電 離 室 內 裝 有 ZnS(Ag) 閃 爍 探 測 器, 以 量 度 氡 氣 衰 變 時 所 產 生 的 信 號, 再 由 計 數 器 計 算 及 記 錄 每 小 時 氡 氣 的 平 均 濃 度 此 外, 氡 氣 的 子 核 會 產 生 伽 馬 輻 射 因 此, 氡 氣 濃 度 的 變 化 亦 會 引 致 環 境 伽 馬 輻 射 的 變 化 由 於 京 士 柏 氣 象 站 原 多 年 來 已 利 用 高 壓 電 離 室 ( 離 氡 氣 探 測 儀 約 三 十 米 ) 來 監 測 環 境 伽 馬 輻 射, 所 以 此 研 究 會 同 時 比 較 環 境 伽 馬 輻 射 的 變 化 以 作 參 考 大 氣 中 氡 氣 的 整 體 測 量 結 果 及 概 述 圖 2 顯 示 2007 年 11 月 至 2008 年 10 月 測 量 期 間 每 月 平 均 大 氣 中 氡 氣 濃 度 及 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 香 港 全 年 平 均 大 氣 中 氡 氣 濃 度 為 9.3 Bq m -3, 與 鄰 近 地 區 如 中 國 大 陸 [4](~9 Bq m -3 ) 韓 國 [5](~15 Bq m -3 ) 日 本 [6](~6 Bq m -3 ) 台 灣 [7](~10 Bq m -3 ) 及 全 球 平 均 10 Bq m -3 相 近 [8] 此 外, 在 測 量 期 間 的 每 小 時 平 均 氡 氣 濃 度 的 範 圍 介 乎 1.8 Bq m -3 至 43.6 Bq m -3 總 的 來 說, 香 港 大 氣 中 氡 氣 濃 度 有 著 明 顯 的 季 節 變 化, 是 冬 高 夏 低 的 形 態 月 平 均 濃 度 最 高 為 一 月 的 16.9 Bq m -3, 而 最 低 為 七 月 的 2
5.7 Bq m -3 這 變 化 與 季 節 性 氣 候 變 化 有 莫 大 的 關 係 冬 季 時, 源 自 大 陸 的 季 候 風 將 充 沛 的 氡 氣 帶 到 沿 岸 地 區 而 海 洋 氣 流 則 通 常 在 夏 季 影 響 此 區, 令 氡 氣 濃 度 相 對 減 少 [9] 大 氣 中 氡 氣 濃 度 的 周 日 變 化 可 從 圖 3 中 看 見 該 圖 表 示 測 量 期 間 每 小 時 平 均 大 氣 中 氡 氣 濃 度 及 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 氡 氣 濃 度 從 午 夜 起 穩 定 上 升, 在 早 上 八 九 時 左 右 達 至 最 高 峯, 然 後 迅 速 下 降 及 在 下 午 至 午 夜 期 間 保 持 在 較 低 水 平 這 現 象 與 大 氣 接 近 地 面 的 穩 定 度 有 關 與 之 比 較, 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 有 滯 後 現 象 此 現 象 的 解 釋 有 待 進 一 步 探 討 圖 4 顯 示 測 量 期 間 京 士 柏 氣 象 站 的 草 温 和 氣 温 的 平 均 差 別 (Delta T 等 於 ` 草 溫 ( 0 C) 氣 溫 ( 0 C)') 在 晚 間, 地 表 温 度 一 般 比 氣 温 為 低, 因 此 在 地 面 形 成 一 層 很 淺 薄 的 逆 温 層, 令 泥 土 中 釋 放 出 來 的 氡 氣 積 聚 在 地 面 附 近 日 出 後, 温 度 逐 漸 上 升 該 淺 薄 的 逆 温 層 很 快 消 失, 使 地 面 積 聚 的 氡 氣 有 效 地 擴 散 至 大 氣 層, 氡 氣 濃 度 便 從 早 上 最 高 峯 迅 速 下 降 傍 晚 時 分, 地 面 冷 卻 較 快, 從 而 開 始 下 一 個 循 環 [10] 除 了 以 上 觀 測 到 的 季 節 和 周 日 變 化, 降 雨 也 可 使 氡 氣 濃 度 在 短 時 間 內 有 明 顯 轉 變 一 般 情 況 下, 降 雨 令 氡 氣 濃 度 增 加 這 主 要 是 由 於 降 雨 的 洗 涮 效 應 (scavenging effect)[11] 將 氡 氣 及 帶 有 氡 氣 子 核 的 氣 溶 膠 往 大 氣 底 層 下 沉, 從 而 使 地 面 附 近 的 氡 氣 濃 度 及 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 上 升 在 十 二 個 月 的 測 量 期 間,95% 的 明 顯 降 雨 個 案 中 量 度 得 氡 氣 濃 度 有 所 增 加, 大 部 份 上 升 一 半 左 右, 個 別 情 況 甚 至 可 高 達 六 倍 2008 年 9 月 颱 風 黑 格 比 掠 過 香 港 時, 大 氣 中 氡 氣 濃 度 的 變 化 是 一 個 很 特 別 的 例 外, 以 下 會 作 較 詳 細 描 述 及 分 析 颱 風 黑 格 比 的 路 徑 及 香 港 的 天 氣 概 況 颱 風 黑 格 比 於 9 月 19 日 在 北 太 平 洋 西 部 形 成 ( 見 圖 5) 黑 格 比 於 隨 後 兩 天 初 時 向 西 南 偏 西 移 動, 然 後 向 西 北 移 動 受 黑 格 比 前 沿 的 炎 熱 下 沉 氣 流 影 響,9 月 20 日 至 22 日 香 港 陽 光 充 沛 及 天 氣 酷 熱 黑 格 比 於 9 月 22 日 傍 晚 進 入 南 海 9 月 23 日, 黑 格 比 以 約 每 小 時 30 公 里 的 高 速 靠 近 華 南 沿 岸, 並 於 當 日 下 午 十 時 至 十 一 時 在 香 港 西 南 偏 南 約 180 公 里 處 掠 過 9 月 24 日 凌 晨 黑 格 比 開 始 移 離 香 港, 於 早 上 在 廣 東 西 岸 登 陸 受 黑 格 比 影 響,9 月 23 日 及 24 日 風 勢 頗 大 及 有 雨 本 港 風 勢 普 遍 達 烈 風 至 暴 風 程 度, 而 香 港 天 文 台 於 這 兩 天 共 錄 得 77.8 毫 米 雨 量 颱 風 黑 格 比 期 間 大 氣 中 氡 氣 濃 度 的 變 化 圖 5 下 方 顯 示 2008 年 9 月 香 港 大 氣 中 氡 氣 濃 度 的 變 化, 圈 中 更 突 顯 黑 格 比 期 間 的 影 響 這 段 期 間 氡 氣 濃 度 的 變 化 幅 度 非 常 之 大, 每 小 時 3
平 均 最 高 可 超 過 20 Bq m -3, 而 最 低 值 只 有 3.5 Bq m -3 高 低 值 相 差 約 六 倍 圖 6 聚 焦 於 9 月 21 日 至 25 日 的 情 況, 顯 示 氡 氣 濃 度 伽 馬 輻 射 劑 量 率 及 香 港 盛 行 風 速 風 向 和 雨 量 變 化 圖 7 的 地 面 天 氣 圖 顯 示 9 月 20 日 到 9 月 25 日 此 地 區 的 天 氣 形 勢 9 月 21 日, 黑 格 比 位 於 呂 宋 以 東 海 域, 華 南 沿 岸 氣 壓 梯 度 偏 弱, 香 港 主 要 吹 輕 微 西 南 風 由 於 氣 流 源 自 海 洋, 當 天 的 大 氣 中 氡 氣 濃 度 及 伽 馬 輻 射 劑 量 率 均 處 於 偏 低 水 平 隨 著 黑 格 比 於 22 日 進 入 南 海, 風 向 轉 為 西 北 風, 氣 流 將 內 陸 的 氡 氣 帶 至 沿 岸 地 區, 氡 氣 濃 度 及 伽 馬 輻 射 劑 量 率 同 時 穩 定 上 升 氡 氣 濃 度 在 23 日 上 午 2 時 達 至 最 高 的 21.1 Bq m -3 當 日 其 後 的 變 化 頗 為 特 別, 以 下 再 作 詳 細 的 討 論 9 月 23 日 當 天 上 午 香 港 普 遍 吹 偏 北 風, 風 速 並 逐 漸 增 強 氡 氣 濃 度 非 但 沒 有 因 偏 北 風 的 補 充 而 增 加, 反 而 隨 風 速 增 加 而 下 降 ( 請 參 考 圖 8) 單 從 風 向 方 面 來 看, 是 難 以 全 面 解 釋 氡 氣 減 少 的 原 因 簡 單 的 說, 測 量 結 果 顯 示 大 風 能 有 效 地 將 氡 氣 稀 釋 及 吹 散 此 外, 當 風 力 增 加, 地 面 和 低 空 的 風 速 差 異 亦 逐 漸 增 大, 促 使 大 氣 的 湍 流 和 垂 直 混 合 運 動 較 為 活 躍 大 氣 底 層 的 氡 氣 在 劇 烈 的 大 氣 垂 直 運 動 下 可 以 上 移 到 大 氣 層 中 較 高 的 位 置, 因 而 降 低 了 地 面 附 近 的 氡 氣 濃 度 黑 格 比 於 當 晚 在 香 港 西 南 方 掠 過, 風 向 由 偏 北 漸 轉 東 北 至 偏 東 翌 日 黑 格 比 移 離 香 港, 本 港 轉 吹 東 南 風, 風 速 亦 逐 漸 減 弱 由 於 氣 流 主 要 從 海 路 而 來, 氡 氣 濃 度 持 續 處 於 約 4 Bq m -3 偏 低 水 平, 與 風 速 的 關 係 便 變 得 並 不 明 顯 另 一 特 殊 之 處 即 黑 格 比 於 23 日 下 午 及 24 日 所 帶 來 的 降 雨 並 未 如 預 期 般 令 氡 氣 濃 度 增 加, 但 伽 馬 輻 射 劑 量 率 卻 仍 然 有 顯 著 起 伏 ( 見 圖 9) 這 表 示 降 雨 的 洗 涮 效 應 對 氣 溶 膠 依 然 存 在 [12] 一 般 相 信 降 雨 天 氣 改 變 泥 土 濕 度, 或 有 助 提 高 泥 土 的 氡 氣 釋 放 率 [13] 此 外, 降 雨 天 氣 帯 來 的 下 沉 氣 流 亦 令 大 氣 低 層 較 穩 定, 把 高 空 中 的 氡 氣 往 下 移 以 致 地 面 氡 氣 濃 度 增 加 黑 格 比 所 帶 來 的 降 雨 並 沒 為 氡 氣 濃 度 帶 來 顯 著 影 響, 可 能 是 被 前 述 的 風 速 風 向 效 應 所 掩 蓋, 或 其 濃 度 也 受 其 他 參 數 影 響, 這 有 待 更 多 數 據 及 其 他 研 究 4
結 語 本 文 討 論 香 港 首 次 大 氣 中 氡 氣 監 測 的 結 果, 概 述 了 氡 氣 濃 度 隨 季 節 周 日 及 天 氣 變 化 的 關 係 本 文 並 較 詳 細 分 析 颱 風 黑 格 比 掠 過 香 港 期 間 氡 氣 濃 度 的 變 化, 發 現 在 強 偏 北 風 環 境 下, 氡 氣 濃 度 非 但 沒 有 因 偏 北 風 的 補 充 而 增 加, 反 而 隨 風 速 增 加 而 下 降 此 外, 黑 格 比 所 帶 來 的 降 雨 亦 未 如 預 期 般 令 氡 氣 濃 度 增 加 以 上 觀 測 結 果 顯 示, 須 進 一 步 理 解 熱 帶 氣 旋 襲 港 時 近 地 面 的 氡 氣 濃 度 變 化 與 大 氣 運 動 的 關 係 參 考 資 料 [1] Cohen, B. L. 1995. Test Of The Linear-No Threshold Theory Of Radiation Carcinogenesis For Inhaled Radon Decay Products. Health Physics 68:157-174. [2] 盧 新 衛, 李 貴 斌, 室 內 氡 暴 露 及 其 對 人 體 健 康 影 響 輻 射 防 護 2005 年 02 期. [3] 樂 仁 昌, 賈 文 懿, 吳 允 平, 氡 運 移 實 驗 研 究 與 氡 團 簇 運 移 機 理 輻 射 防 護 2002 年 03 期. [4] Iida, T., Y. Ikebe, K. Suzuki, K. Ueno, Z. Wang, and Y. Jin. 1996. Continuous measurements of outdoor radon concentrations at various locations in East Asia. Environment International 22:S139-S147. [5] Chung, W. H., S. Tokonami, and M. Furukawa. 1998. Preliminary survey on radon and thoron concentrations in Korea. Radiation Protection Dosimetry 80:423-426. [6] Oikawa, S., N. Kanno, T. Sanada, N. Ohashi, M. Uesugi, K. Sato, J. Abukawa, and H. Higuchi. 2003. A nationwide survey of outdoor radon concentration in Japan. Journal Of Environmental Radioactivity 65:203-213. [7] Iimoto, T., T. Kosako, and N. Sugiura. 2001. Measurements of summer radon and its progeny concentrations along with environmental gamma dose rates in Taiwan. Journal Of Environmental Radioactivity 57:57-66. [8] UNSCEAR. 2000. Ionization Radiation Sources and Biological Effect, Reports of the United Nations Scientific Committee on the Effects of Ionization Radiation. 5
[9] Balkanski, Y. J., D. J. Jacob, R. Arimoto, and M. A. Kritz. 1992. Distribution Of Rn-222 Over The North Pacific - Implications For Continental Influences. Journal Of Atmospheric Chemistry 14:353-374. [10] 田 麗 霞, 葛 良 全, 程 鋒, 李 利 紅, 李 丹, 氡 濃 度 的 時 間 和 空 間 變 化 特 征 中 國 輻 射 衛 生 2006 年 04 期. [11] Fujitaka, K., M. Matsumoto, K. Kaiho, and S. Abe. 1992. Effect Of Rain Interval On Wet Deposition Of Radon Daughters. Radiation Protection Dosimetry 45:333-336. [12] Nishikawa, T., Y. Tamagawa, M. Aoki, and S. Okabe. 1995. Analysis Of The Time-Variation Of Environmental Gamma-Radiation Due To The Precipitation. Applied Radiation And Isotopes 46:603-604. [13] Menetrez, M. Y., R. B. Mosley, R. Snoddy, and S. A. Brubaker. 1996. Evaluation of radon emanation from soil with varying moisture content in a soil chamber. Environment International 22:S447-S453. 6
圖 1 京 士 柏 氣 象 站 位 於 香 港 市 區 中 心 插 圖 ( 從 左 到 右 ) 展 示 用 作 量 度 戶 外 氡 氣 的 TEL 微 量 氡 氣 探 測 儀 及 其 置 於 室 外 的 入 氣 口 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 11.07 12.07 1.08 2.08 3.08 4.08 5.08 6.08 7.08 8.08 9.08 10.08 每 月 平 均 大 氣 氡 氣 濃 度 (Bq m -3 ) 月 份 ( 由 2007 年 11 月 至 2008 年 10 月 ) 圖 2(a) 平 均 值 香 港 大 氣 中 氡 氣 濃 度 2007 年 11 月 至 2008 年 10 月 香 港 大 氣 氡 氣 濃 度 的 月 7
0.145 0.144 0.143 0.142 0.141 0.140 0.139 0.138 0.137 0.136 11.07 12.07 1.08 2.08 3.08 4.08 每 月 平 均 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 (ugyh -1 ) 5.08 6.08 7.08 8.08 9.08 10.08 月 份 ( 由 2007 年 11 月 至 2008 年 10 月 ) 圖 2(b) 率 的 月 平 均 值 香 港 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 2007 年 11 月 至 2008 年 10 月 香 港 大 氣 伽 馬 輻 射 劑 量 10.6 10.4 大 氣 中 氡 氣 濃 度 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 0.1411 0.1410 大 氣 氡 氣 濃 度 (Bq m -3 ) 10.2 10.0 9.8 9.6 9.4 9.2 9.0 0.1409 0.1408 0.1407 0.1406 0.1405 0.1404 0.1403 0.1402 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 (ugy h -1 ) 8.8 0.1401 8.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0.1400 小 時 圖 3 2007 年 11 月 至 2008 年 10 月 香 港 大 氣 氡 氣 濃 度 和 伽 輻 射 劑 量 率 的 每 小 時 平 均 值 8
Delta T ( o C) 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 -2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 小 時 圖 4 在 測 量 期 間 京 士 柏 氣 象 站 的 草 溫 和 氣 溫 平 均 差 圖 5 化 颱 風 黑 格 比 的 移 動 路 徑 及 2008 年 9 月 大 氣 中 氡 氣 濃 度 變 9
24.0 氡 氣 濃 度 伽 馬 輻 射 劑 量 率 0.17 20.0 0.165 香 港 大 氣 氡 氣 濃 度 (Bq m-3) 16.0 12.0 8.0 0.16 0.155 0.15 0.145 0.14 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 (ugy h -1 ) 4.0 0.135 0.0 21/09 00 21/09 04 21/09 08 21/09 12 21/09 16 21/09 20 22/09 00 22/09 04 22/09 08 22/09 12 22/09 16 22/09 20 23/09 00 23/09 04 23/09 08 23/09 12 23/09 16 23/09 20 24/09 00 24/09 04 24/09 08 24/09 12 24/09 16 24/09 20 25/09 00 25/09 04 25/09 08 25/09 12 25/09 16 25/09 20 26/09 00 0.13 香 港 時 間 圖 6(a) 率 變 化 9 月 21 日 至 25 日 香 港 大 氣 氡 氣 濃 度 和 伽 馬 輻 射 劑 量 圖 6(b) 9 月 21 日 至 25 日 香 港 盛 行 風 速 風 向 和 雨 量 變 化 10
9 月 20 日天氣圖 9 月 21 日天氣圖 9 月 22 日天氣圖 9 月 23 日天氣圖 9 月 24 日天氣圖 9 月 25 日天氣圖 圖7 勢 香港地面天氣圖顯示 9 月 20 日到 9 月 25 日此地區的天氣形 11
25.0 香 港 大 氣 氡 氣 濃 度 (Bq m -3 ) 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 偏 北 風 的 風 速 (m s -1 ) 圖 8 9 月 23 日 偏 北 風 的 風 速 與 大 氣 氡 氣 濃 度 的 關 係 大 氣 氡 氣 濃 度 (Bq m -3 ) 及 雨 量 (mm) 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 每 小 時 雨 量 氡 氣 濃 度 伽 馬 輻 射 劑 量 率 17.5 mm 14 mm 23/09 00 23/09 02 23/09 04 23/09 06 23/09 08 23/09 10 23/09 12 23/09 14 23/09 16 23/09 18 23/09 20 23/09 22 24/09 00 24/09 02 24/09 04 24/09 06 24/09 08 24/09 10 24/09 12 24/09 14 24/09 16 24/09 18 24/09 20 24/09 22 25/09 00 時 間 0.17 0.165 0.16 0.155 0.15 0.145 0.14 0.135 0.13 環 境 伽 馬 輻 射 劑 量 率 (ugy h -1 ) 圖 9 在 颱 風 黑 格 比 影 響 香 港 期 間 的 降 雨 情 況 下 氡 氣 濃 度 和 伽 馬 輻 射 劑 量 率 的 變 化 12