[论文解读] Fallout from U.S. atmospheric nuclear tests in New Mexico and Nevada (1945-1962)

Sébastien Philippe, Susan Alzner+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Radioactive contamination and transferEnvironmental Science被引用 3

一句话总结

本研究利用历史气象再分析和大气传输模型，重建了1945年至1962年期间美国新墨西哥州和内华达州94次大气核试验的放射性沉降物，实现每小时和10公里的空间分辨率，覆盖爆炸后五天的时间范围。研究发现，放射性核素沉降遍布美国全部48个本土州，包括超出美国辐射暴露补偿法案（RECA）覆盖范围的区域，并确认三位一体核试验的直接沉降物抵达了加拿大的克劳福德湖——这使该试验成为提议的“人类世”地质年代界线‘黄金标示点’的潜在成因。

ABSTRACT

One hundred and one atmospheric nuclear weapon tests were conducted between 1945 and 1962 in the United States, resulting in widespread dispersion of radioactive fallout, and leading to environmental contamination and population exposures. Accurate assessment of the extent of fallout from nuclear weapon tests has been challenging in the United States and elsewhere, due to limited monitoring and data accessibility. Here we address this deficit by combining U.S. government data, high-resolution reanalyzed historical weather fields, and atmospheric transport modeling to reconstruct radionuclide deposition across the contiguous United States, with 10-kilometer spatial and one-hour temporal resolution for five days following detonation, from all 94 atmospheric tests detonated in New Mexico and Nevada with fission yields sufficient to generate mushroom clouds. Our analysis also includes deposition estimates for 10 days following the detonation of Trinity, the first ever nuclear weapon test, on July 16, 1945. We identify locations where radionuclide deposition significantly exceeded levels in areas covered by the U.S. Radiation Exposure Compensation Act (RECA). These findings include deposition in all 48 contiguous U.S. states. They provide an opportunity for re-evaluating the public health and environmental implications from atmospheric nuclear testing. Finally, our findings also speak to debates about marking the beginning of the Anthropocene with nuclear weapons fallout. Our deposition estimates indicate that direct fallout from Trinity, a plutonium device, reached Crawford Lake in Canada, the proposed "golden spike" site marking the beginning of the Anthropocene epoch, starting on July 20, 1945.

研究动机与目标

• 解决由于监测数据有限和数据获取困难，导致美国大气核试验缺乏全面、高分辨率沉降物数据的问题。
• 量化新墨西哥州和内华达州94次核试验（其当量足以产生蘑菇云）在本土美国范围内造成的放射性核素沉降量。
• 评估显著沉降暴露区域是否超出美国辐射暴露补偿法案（RECA）的适用范围。
• 评估三位一体核试验在启动全球放射性沉降中的作用，特别是其与加拿大克劳福德湖提议的人类世边界之间的潜在关联。

提出的方法

• 整合美国政府试验记录与高分辨率历史气象再分析数据（如ERA5-Land），以重建试验发生时的大气条件。
• 应用大气传输模型，模拟每次试验爆炸后五天内放射性核素的扩散与沉降过程。
• 采用10公里空间分辨率和1小时时间分辨率，生成本土美国范围内详细的沉降估算。
• 整合三位一体核试验数据（1945年7月16日），模拟其沉降物在10天内的扩散，包括长距离输运至加拿大。
• 在有可用数据的情况下，通过已知沉降模式和历史监测数据验证模型输出结果。
• 采用拉格朗日粒子扩散模型，模拟每次爆炸后放射性核素的传输与沉降过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1945年至1962年期间，美国新墨西哥州和内华达州94次大气核试验后，放射性核素在本土美国范围内的空间与时间分布如何？
• RQ2 哪些地区接收到的沉降物水平超过了美国辐射暴露补偿法案（RECA）所认定的阈值？
• RQ3 1945年7月16日的三位一体核试验是否导致可测量的放射性沉降物抵达加拿大克劳福德湖——该地被提议作为人类世年代界线的‘黄金标示点’？
• RQ4 高分辨率沉降物重建如何改进以往对大气核试验环境与公共健康影响的评估？
• RQ5 美国核试验的沉降物在多大程度上扩展至试验区域以外，进入人口密集区或生态敏感区域？

主要发现

• 美国大气核试验的放射性核素沉降物已到达全部48个本土美国州，表明环境污染范围远超以往记录的区域。
• 识别出若干沉降水平显著的区域，其未被美国辐射暴露补偿法案（RECA）涵盖，提示受影响人群可能存在代表性不足。
• 1945年7月16日引爆的三位一体核试验，其直接沉降物抵达了加拿大的克劳福德湖，即提议的‘人类世’年代界线‘黄金标示点’。
• 沉降估算显示，三位一体核试验的沉降物于1945年7月20日开始抵达克劳福德湖，为人类世的起始提供潜在时间标记。
• 本研究的高分辨率建模（10公里，每小时）揭示了此前未记录的空间沉降模式，特别是在下风向与侧风向区域。
• 该重建表明，即使在历史监测数据有限的情况下，结合大气传输模型与历史气象再分析，仍可生成可靠且高分辨率的沉降估算。