4. Вплив вологості та температури на міграцію радіонуклідів в профілі ґрунту

Міграція радіонуклідів, які знаходяться в ґрунті, приводить до їх перерозподілу по глибині ґрунту і в горизонтальному направленні, сприяє попаданню їх у рослини, ґрунтові води, водойми. Сили, які викликають міграцію радіонуклідів у ґрунтах в природних умовах, дуже різні по своїй природі й степені дії на міграцію. До них відносяться:

● фільтрація атмосферних опадів в глиб ґрунту;

● капілярний підтік вологи до поверхні в результаті випаровування;

● термопереніс вологи під дією градієнта температури;

● переміщення води по поверхні ґрунту;

● дифузія вільних і адсорбованих іонів;

● переніс на мігруючих колоїдних частинках;

● переніс по кореневих системах рослин;

● риюча діяльність ґрунтових тварин;

● господарська діяльність людини.

Природні фактори пов’язані з переносом внутрішньо-ґрунтової вологи, а саме — фільтраційний і капілярний струмені та термовологий переніс можна замінити одним сумарним рівнодіючим струменем. Його напрямок і величина залежить від пори року, часу доби, початкових умов і властивостей ґрунту. Перечисленні фактори не є рівнозначними, так як інтенсивність і час їх діяльності різні і, крім того, залежать від конкретних умов. Наприклад, переніс радіонуклідів, адсорбованих на колоїдних частинках, грає малу роль у вертикальній міграції радіонуклідів у більшості ґрунтів, оскільки переміщення колоїдних частин – процес більш повільний, ніж переміщення радіонуклідів в іонній формі. Однак при випаданні великої кількості опадів на поверхню сухого ґрунту, покритого тріщинами, змив у тріщини частинок ґрунту з адсорбованими на них радіонуклідами може визвати помітний перерозподіл по ґрунтовому профілю. Тому зрозуміло, що при вивченні міграції у природних умовах краще розглядати тільки головні з даних факторів і найбільш звичайні умови.

Природні фактори, зв’язані з переміщенням ґрунтової вологи: фільтраційний потік, капілярний потік і термовологий переніс можна розглядати як однакові фактори, оскільки, дія переміщення вологи на ⁹⁰Sr у ґрунті у всіх трьох випадках одне і теж саме. Воно зводиться до актів, що послідовно повторюються: переніс Sr²⁺ разом з ґрунтовим розчином, адсорбція на поверхні ґрунтових частинок, десорбція з переходом назад у ґрунтовий розчин. Різниця між видами потоку укладається лише в тих силах, які викликають потік і напрямлені переміщення вологи. Ці три потоки ґрунтової вологи можна замінити середнім сумарним потоком. Його напрямок і величина залежать від пори року, погодних умов і якостей ґрунту. В жаркі сухі дні літа, коли переважає капілярний потік вологи до поверхні, сумарний потік напрямлений догори. Після сильних опадів переважає фільтруючий стік і сумарний потік направлений униз.

З перемінним із часом сумарним потоком мати справу погано в результаті багатьох причин, а саме у зв’язку з великими труднощами його вимірювання. Тому спостерігаючи протягом довгого проміжку часу (років) є зміст рахувати потік у середньому сталим на проміжку сезону, року чи декількох років. Оскільки вертикальна міграція ⁹⁰Sr – достатньо повільний процес, це не вносить помітної помилки в результат.

Величина й напрямок середнього сумарного потоку вологи залежить тільки від типу водного режиму ґрунту. У ґрунтах із промивним водним режимом середній сумарний потік напрямлений униз, а в ґрунтах з іншим режимом – уверх. А також є значна група ґрунтів, для яких середній сумарний потік, близький до нуля, так як кількість профільтрованої протягом року вологи скомпенсована тією, яка піднялась до поверхні в результаті капілярного потоку і термовологого переносу.

Близький по змісту до середнього сумарного потоку вологи відношення річного випаду дощу і річного випаровування. Воно

використовується як показник кліматичного змочування ґрунтів в різних грунтово кліматичних зонах .

Різниця між цими величинами є в розмірності (перша має розмірність см/с, друга – безрозмірна величина), а також в тому, що середній сумарний потік різний на різній глибині, тоді як відношення опадів до їх випаровування характеризує ґрунтовий профіль в загальному.

Величина середньорічних потоків ґрунтової вологи невелика. Інтервал кількості опадів 100 – 600 мм/рік типовий для значної частини території. Із цього числа потрібно вичислити кількість поверхневого стоку і випаровування з поверхні ґрунту і рослинності. В результаті найбільш характерні середньорічні потоки можна рахувати в інтервалі 10^-8 – 10^-6 см/с.

Швидкість конвекційного переносу ⁹⁰Sr ґрунтовою вологою ще менша в результаті його адсорбції твердої фази: не адсорбований ⁹⁰Sr складає не більше 1 – 10% загального вмісту радіонуклідів у ґрунті. Враховуючи в першому припущенні, що швидкість конвекційного переносу V рівна:

V = v/ß*K₀ (1.17)

де

v – середня швидкість потоку ґрунтової вологи,

ß = 1 г/см³ - густина ґрунтового розчину,

К₀ ~ 10см³ /г – коефіцієнт розміщення.

В результаті отримуємо за рік ⁹⁰Sr зміщується на 0.03 – 3 см.

Поряд N конвекційним переносом ґрунтової вологи в міграції ⁹⁰Sr велику роль відіграє дифузія як фактор, безпосередньо викликаючий переміщення не тільки, які знаходяться в розчині, але адсорбованих іонів. Звичайно, відносна роль дифузії буде різною у випадках різних ґрунтів і різних кліматичних умов. Але вважають, що вона буде тим більшою, чим більша доля ⁹⁰Sr від загального його числа в ґрунті, яка знаходиться в адсорбованому вигляді і чим менша середня швидкість потоку ґрунтової вологи.

Щоб охарактеризувати наслідки дифузійної міграції, можна представити середнє зміщення, дифундуючих іонів Х:

Х = (2/П^1/2) (D(t))^1/2 (1.18)

На відстані, більше, ніж Х, за час t попадає 42.5% від загальної кількості іонів. Коефіцієнт дифузії ⁹⁰Sr в ґрунті при нормальних умовах дорівнює 10^-8 – 10^-7 см²/с. Звідси середнє зміщення складає 0.5 – 2 см/рік.

Відмітимо різниці в характері дії двох факторів: конвекційного переносу з потоком вологи і дифузії. Якщо в початковий момент ⁹⁰Sr знаходиться в дуже тонкому шарі ґрунту і в процесі міграції із зовні не поступає, то перший з факторів приводить до переміщення зони знаходження ⁹⁰Sr зі зміщенням максимуму концентрації нукліда в глибину

ґрунту. Другий фактор викликає розширення зони знаходження ⁹⁰Sr з одночасним зменшенням величини максимуму концентрації.

Перенесення ⁹⁰Sr по корінних системах рослин також вносить вклад в міграцію радіонукліда. Значення цього фактору залежить від глибини розміщення і густини коренів у ґрунті. Оскільки адсорбційна здатність коренів в розрахунку на одиницю їх об’єму менша від адсорбційної здатності ґрунту, то в умовах, коли сумарний об’єм коренів складає незначну долю від всього об’єму коренів, які знаходяться в даному слою ґрунту, вклад корінного переносу невеликий.

В тих випадках, коли роль корінного переносу в міграції є помітною, дія цього фактора по своїх наслідках аналогічна дії двох попередніх факторів: конвекційного переносу з потоком вологи і дифузії. Дійсно, при ареальному доступі радіонуклідів на поверхню ґрунту корінний перенос, як і два інших фактори, призводить до розмиття зони початкового знаходження радіонукліда і в результаті цього – до його проникнення в глибину ґрунту. Переніс, напрямлений з глибини ґрунту до поверхні можна не враховувати, так як він викликає перенос малої кількості радіонуклідів із шарів, де його кількість мала, в горизонти, де концентрація його велика, що практично не відображається на загальній картині міграції. [12]

На відміну від біогенних процесів (корінний перенос і переміщення ґрунтовими тваринами) переміщення з ґрунтовою вологою дифузія піддаються достатньо точному математичному опису. Тому, враховуючи схожість в характері наслідків процесів, можна розглядати головні процеси конвекційного переносу ⁹⁰Sr з ґрунтовою вологою і іонною дифузією ⁹⁰Sr. Вертикальна міграція ⁹⁰Sr з підвищенням рівня ґрунтової вологи, що пов'язано з його можливістю в великих кількостях переходити в фільтруючу гравітаційну воду. Наявність потоку гравітаційної води не приводить до збільшення темпів вертикальної міграції ¹³⁷Cs, так як при десорбції він залишається переважно в тій категорії ґрунтової вологи, яка утримується ґрунтовими частинками з допомогою капілярно-сорбційних сил.

Експериментально було показано, що з підвищенням зволоження ґрунту загальний вміст радіонуклідів в рідкій фазі збільшується, внаслідок чого збільшується їх рухливість в системі грунт-розчин. При цьому в умовах надмірного зволоження рухливість таких радіонуклідів, як ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs, в значній степені вирівнюються. [13]

Існує припущення, що сезонні перепади ґрунтової вологи в звичайних умовах виступають одною з причин перепаду темпів вертикальної міграції досліджуваних радіонуклідів в ґрунті.

Більшість експериментальних робіт, що вивчають поведінку радіоізотопів в системі ґрунт – розчин проводиться з ґрунтовими суспензіями. Результати таких досліджень сприяють розумінню первинних фізико-хімічних механізмів, що лежать в основі процесів мікро кількостей хімічних елементів в ґрунтах з ґрунтовими розчинами і надходження їх у рослини через кореневу систему. За останні роки з’явились дані, які свідчать, що кількісні характеристики переходу деяких радіоізотопів в розчин у вологих ґрунтах суттєво інші, ніж в ґрунтових суспензіях. При сильному зволоженні відносна рухливість Cs в системі ґрунт - розчин виявляється вище рухливості Sr або приблизно такою ж, а при малому зволоженні, навпаки, Sr проявляє значно більшу рухливість. Існують дані, які показують, що параметри вертикальної міграції цих радіоізотопів в ґрунтах природних біогеоценозів часто є дуже близькими . [14]

Температура здатна змінювати напрямок сумарної міграції радіонукліду. Зі збільшенням температури міграція стає інтенсивнішою. Коефіцієнт дифузії знаходиться в прямій залежності від вологості ґрунту, її температури і щільності, а в зворотній – від частки фізичної глини, ємності і вмісту гумусу.

РОЗДІЛ ІІ МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ ТА РОЗРАХУНКІВ