2.7. Радіаційне поле

Природне радіаційне поле, чи поле іонізуючих випромінювань (природна радіоактивність), що спостерігається на поверхні Землі, грає в екології велику роль. Нормальний радіаційний фон формується випромінюванням, що приходить до поверхні планети ззовні, з далекого космосу і навколоземного простору, а також наявністю в земній корі радіоактивних елементів і процесом дегазації планети, у ході якої на поверхню її виносяться радіоактивні гази — радон (²²²Rn) і торон (²²⁰Rn).

Космічний фон, на частку якого приходиться менше половини загального рівня радіоактивності, характеризується потужністю дози випромінювання 0,03—0,06 мкгр/год (3—6 мкр/ч). (Грей (Гр) — одиниця виміру дози випромінювання в Міжнародній системі одиниць СІ. 1 Гр = 100 Р (рентген).) У високогір'ї космічний радіаційний фон зростає на 0,015 мкГр/год (1,5 мкР/ч) на кожен кілометр перевищення відмітки рельєфу місцевості.

Нормальна радіоактивність гірських порід зумовлена кларковим вмістом у ній радіонуклідів (радіоактивних елементів). "Нормальними", у радіаційному відношенні, прийнято вважати гірські породи, у яких вміст радіоактивних елементів ²³⁸U (продуктом розпаду якого є ²²²Rn) і ²³²Тh (у результаті розпаду якого утвориться ²²⁰Rn, чи торон) не перевищує 2,5 г/т (2,5 кларка). Вміст урану в породах у кількості 0,001% створює аномалію радіоактивності, що характеризується потужністю дози випромінювання в 0,05 мкГр/год (5 мкР/ч), а підвищення вмісту до 2% зумовлює поле радіації на рівні 100 мкГр/год (10000 мкР/ч). Радіаційний фон у вугільних і інших "неуранових" шахтах фіксується на рівні 0,04—0,06 мкГр/год (4—6 мкР/ч), але може досягати 0,27—2,97 мкГр/год (27—297 мкР/ч). Крім згаданих вище радіоактивних сімейств урану і торію, концентрація яких у земній корі підвищена (2,510^-4 і 1,310^-3 % відповідно), високою радіоактивністю відрізняються породи, що містять ⁴⁰К, концентрація якого в земній корі складає 2,5%.

З радіоактивністю гірських порід тісно зв'язана радіоактивність природних вод і газів. У цілому в гідросфері й атмосфері вміст радіоактивних елементів мізерно малий. Підземні води можуть мати різну радіоактивність. Особливо велика вона в підземних водах радіоактивних родовищ і вод сульфатно-барієвого, хлоридно-кальцієвого складів.

До зон підвищеного радіоактивного ризику відносяться регіони, де на поверхню Землі виходять граніти, гнейси, вулканічні туфи, фосфорити й інші породи, вміст урану і торію який може досягати 100 г/т (100 кларков) і більш. Еманування радону істотно підвищуються там, де гірські породи дезінтегровани, тобто в зонах розламів, вивітрювання, тріщинуватості. Підвищене виділення радону з ґрунту спостерігається також у сейсмічно активних областях.

Тема 3. Техногенні фізичні і природні геофізичні поля та їх вплив на живі організми

3.1 Джерела, види і характеристики техногенних фізичних полів

3.2.1. Загальна характеристика техногенних фізичних полів.

Штучний техногенний фізичний (його можна також називати енергетичним) вплив являє собою опосередковану через штучно створені фізичні поля передачу енергії від об'єктів-джерел через деяке проміжне середовище (геологічне середовище, атмосферу, гідросферу) до інших об'єктів — складеним елементам природно-технічних екосистем. Воно зв'язано з присутністю в навколишнім середовищі (літосфері, атмосфері і гідросфері) додатково до природних геофізичних полів фізичних полів, створених людиною в процесі реалізації сучасних технологій. Такі фізичні поля звуться техногенними (технічними, технологічними).

Найбільш активними з геоекологічних позицій видами техногенних фізичних полів є статичне (квазіпостійне), динамічне (вібраційне), акустичне (шумове), температурне (теплове), електричне і радіаційне поля. У табл. 3.1 приводяться характеристики техногенних фізичних полів у зіставленні з їх природними аналогами.

Таблиця 3.1

Порівняльні характеристики природних і техногенних фізичних полів

Фізичне поле	Одиниця виміру	Рівень поля
		фоновий	Технологіч-ний	санітарна межа	технічна межа
Акустичне	дб(А)	25-30	80-120	45-60	—
Статичне	МПа	0,1	0,01-2,0	0,2	1,8-7,5*
Вібраційне	мм/с	0,02-0,50	0,02-160	0,12	0,20-0,40
Температурне	0С	від -2 до +10	від -160 до +1500	16-24**	—
Електричне: атмосферна електрика
	+іон/-іон	1,15-1,2	1,0-1,5	—	—
електрична складова електромагнітного поля Землі блукаючі струми	кВ/м	10-6	2,5-10,0	5,0	—
	мВ/м	5-10	10-300	—	3-5
Радіаційне	мЗв/рік***	0,3-2,2	1,6	2,1	—

* Для ґрунтів в основі фундаментів.

** Санітарні норми для службових і житлових приміщень

*** 1 мЗв = 1 мГр = 100 мР

3.2.2. Статичне і геодинамічні техногенні поля. Статичні і динамічні навантаження на гірські породи сприяють виникненню і (чи) інтенсифікації геологічних процесів, зв'язаних зі зміною напруженого стану масивів гірських порід, ослабленням сил зчеплення і внутрішнього тертя, що утримують масив у стані рівноваги. До такого роду процесам відносяться стиск і ущільнення ґрунтів з наступним просіданням земної поверхні, випиранням ґрунтів, проявом обвалів і зсувів, розрідженням ґрунтів, проявом наведеної сейсмічності і т.п.

Питомий тиск від ваги будинків і інших споруд, насипів і відвалів може досягати 0,01—2,0 МПа і більш. Масивні спорудження створюють своєю вагою депресії просідання, замкнуті контури яких відстоять від периметра спорудження на відстань до 50—120 м. Нерівномірне осідання внаслідок ущільнення гірських порід, які служать підставою фундаментів споруд, являє собою найбільшу загрозу інженерним спорудженням, оскільки саме вона приведе до деформацій і, як граничний випадок, до руйнування цих споруджень з неминучими небезпечними з екологічних позицій наслідками.

Вібрація, чи динамічний вплив на середовище, виявляється у вигляді поля змушених механічних коливань, що сприймаються і передаються нею від джерел до різних об'єктів, у тому числі і до об'єктів живої природи. Поле вібрації створюється численними і різноманітними джерелами, найбільш значимими з яких є транспортні засоби, що рухаються, устаткування промислових підприємств, будівельні машини і механізми, технічне обладнання будинків і інженерних споруд. На рис. 3.2 приведені графіки, що ілюструють поширення вібраційного поля в околицях різних джерел і зміна рівня вібрації в залежності від відстані до цих джерел. Видно, що деякі джерела (рейковий транспорт, будівельні машини) генерують віброполе, рівень якого навіть на значній відстані від джерела (20 м для рейкового транспорту і до 100 м для механічного будівельного копра) перевищує безпечний інженерний (73 дБ чи 0,225 мм/с) і фізіологічний (67 дБ чи 0,12 мм/с) рівні.

Основна частина коливальної енергії від віброгенеруючих об'єктів-джерел переноситься поверхневими хвилями, що поширюються в межах верхньої частини ґрунтової товщі (10—15 м). У силу цього в сфері впливу поля вібрації виявляються фундаменти будинків і інженерних споруд, багато комунікацій. Під впливом динамічного навантаження (вібрації) будинку й інші інженерні спорудження, що розташовуються уздовж вулиць і магістралей з інтенсивним рухом автомобільного й особливо рейкового транспорту, як правило, випробують додаткову до розрахункового осаду.

Безпечний фізіологічний рівень

Джерела вібрації:

1 Вентиляційна шахта

2 Швидкісна автомагістраль

3 Залізниця

4 Трамвайна лінія

5 Палебійна машина

Рис. 3.2. Залежність рівня вібрації від відстані до різних джерел .

Тривалий вплив вібраційного поля може приводити до ушкоджень дорожнього покриття транспортних магістралей і рейкових шляхів, до зсуву мас ґрунту на схилах і укосах виїмок і насипів. Емпірично встановлене, що порушення стійкості гірських порід у масиві внаслідок динамічного впливу може спостерігатися при віброколиваннях зі швидкістю переміщення часток ґрунту, що перевищує 0,225—3,16 мм/с. Вібрація такого рівня може спостерігатися, наприклад, при русі трамваїв і потягів залізниці.

Вплив техногенного поля вібрації безпосередньо на ґрунтові масиви може приводити до зміни рельєфу поверхні, зниженню механічної міцності чи порід, навпаки, до їхнього ущільнення і поліпшення міцних характеристик. Тривалий вібраційний вплив здатний викликати чи активізувати екзогенні геологічні процеси, такі, наприклад, як зсуви й обвали на крутих схилах, карст, просідання поверхні, утворення порожнин у насипах на залізничних магістралях і т.п. При впливі через ґрунтові масиви на фундаменти будинків вібрація може серйозно їм зашкодити. Так, при віброколиваннях зі швидкістю переміщення часток ґрунту 0,4—1,2 мм/с можуть відбуватися наднормативні опади фундаментів, виникати ушкодження в старих будинках, а при швидкості 5—8 мм/с можливі серйозні ушкодження будинків з дерев'яними і бетонними перекриттями.

3.2.3. Акустичне (шумове) техногенне поле. Шумове, або акустичне, забруднення середовища відноситься до категорії чисто екологічних факторів (прямого екологічного впливу) оскільки впливає безпосереднє і винятково на живі організми.

Основним і повсюдним джерелом шуму є наземний автомобільний і залізничний транспорт, хоча інші джерела, такі, як повітряний транспорт, промислові підприємства, будівельні машини і механізми, роблять свій внесок у створення шумового поля. Рівень шуму, створений окремими джерелами (виміряється в децибелах дБ(А) - відносних одиницях, що показують перевищення звукового тиску над граничним значенням цього параметра, що складає 2  10^-5 Па), може значно перевищувати санітарний рівень, встановлений для житлових і виробничих приміщень, шкіл і лікувальних закладів.

3.2.4. Температурні техногенні поля. Вплив, викликаний техногенною зміною температурного режиму верхніх шарів літосфери, у даний час являє собою серйозну геоекологічну проблему. Джерелами теплового забруднення можуть служити гарячі цехи і підземні газоходи металургійних підприємств, теплотраси, збірні колектори, комунікаційні тунелі і тунелі метрополітену, підземні спорудження, які обігріваються, а також скидання гарячих технологічних вод у ріки і відкриті водойми. З іншого боку, як охолоджувачі ґрунтової товщі можуть розглядатися установки, використовувані для проморожування слабких і пливунних ґрунтів при будівництві, підземні сховища зрідженого газу.

Концентрація великого числа джерел теплової енергії у верхніх частинах літосферного простору (наприклад, під великими містами-мегаполісами) створює передумови формування так званих теплових куполів — прогрітих об’ємів геологічного простору, частково або цілком охоплюють своїми контурами території мегаполісів у багатьох районах земної кулі. У межах територій великих міст на невеликих глибинах (10—30 м) формуються великі техногенні геотермічні аномалії з перевищенням температури над фоновою на 6—10°С.

У регіонах, де поширені багаторічні мерзлі породи, температура яких варіює від —0,6 до —4,2°С, навіть невеликі флуктуації температури (усього на 2—3°) у верхніх частинах ґрунтової товщі можуть приводити до помітних змін міцних і деформаційних властивостей ґрунтів, до погіршення їхньої несучої здатності. Штучне проморожування ґрунтів при будівництві в складних гідрогеологічних умовах приводить до формування тимчасових кріолітозон (масивів мерзлих порід) шириною до декількох метрів чи навіть десятків метрів.

3.2.5. Електричні і електромагнітні штучні поля. Електричне забруднення середовища виявляється у формуванні електричного поля блукаючих струмів і в перенасиченні приземного шару атмосфери іонами (аероіонами) різної полярності, у першу чергу позитивними іонами важких елементів. Джерелами електричного забруднення служать промислові підприємства, електрифіковані залізниці, станції катодного протикорозійного захисту.

Вплив блукаючих струмів на різні матеріали (як правило, метали, залізобетон і бетон) можна оцінити по швидкості електрокоррозії металу і по середньорічних втратах несучої здатності металевих і залізобетонних конструкцій, співвіднесеним з напруженістю поля блукаючих струмів. Напруженість електричного поля блукаючих струмів, що створена різними джерелами, варіює в межах від 10 до 1600 мв/м, що залежить від джерела, а також від будови і стану ґрунтової товщі. При зміні напруженості поля блукаючих струмів від 0,8 до 3,6 мв/м швидкість корозії металу зростає з 0,2 до 2,0 мм у рік, а втрати несучої здатності металевих і залізобетонних конструкцій збільшуються з 10 до 15% і з 5 до 8% відповідно.

Електричне забруднення у вигляді поля блукаючих струмів є опосередкованим діючим екологічним фактором, оскільки прямого впливу на живі організми, включаючи людину, як правило, не робить, але здатне викликати негативні зміни корозійної обстановки, що, у свою чергу, збільшує ступінь імовірності ушкодження із виходом з ладу підземних комунікацій (водопроводів, продуктопроводів, газопроводів, теплотрас, каналізації і т.п.). Порушення деяких з них може викликати важкі екологічні наслідки.

Електромагнітне забруднення являє собою біологічно дуже активний екологічний фактор прямого впливу, який спричиняється електромагнітним випромінюванням промислової частоти (50 і 400 Гц), а також випромінюванням у радіочастотному діапазоні (0,1 МГц — 300 ГГц). Джерелами електромагнітних полів промислової частоти можуть служити так звані передаточні шини (загальні струмові провідники) високовольтних електричних трансформаторних підстанцій, струмонесучі проводи повітряних ліній електропередачі (ЛЕП), тягові електромотори й енергетичні установки. Джерела електромагнітних полів у діапазоні радіохвиль — це антени радіомовних і телепередавальних станцій, випромінювачі спеціальних засобів зв'язку і радіолокаційних станцій, а також багато промислових установок, лабораторні прилади, побутова й оргтехніка

3.2.6. Штучні радіаційні поля. Радіаційний вплив залучає до себе найбільший інтерес, оскільки представляє дуже небезпечний з екологічних позицій, у чому переконує досвід нинішнього сторіччя, фактор прямого впливу на живі організми. Джерелами природного радіаційного поя є Космічні промені й іонізуюче випромінювання природних радіоактивних речовин, що містяться в ґрунті, гірських породах і воді. До природного радіаційного фону додається забруднення, що створює, техногенне іонізуюче випромінювання, що надходить у навколишнє середовище від новостворених (створюваних у процесі реалізації промислових технологій) радіонуклідів, використовуваних будівельних матеріалів, а також від складованих відходів атомного виробництва і т.п. Як ілюстрацію на рис. 3.7 приведені дані, що показують співвідношення часток природного радіаційного фону і радіації, яка створена різними джерелами, які використовуються людиною.

Штучні джерела:

Медицина 20,7%

Викиди від ядерної зброї 0,4%

Телебачення, авіація 0,4%

промислове виробництво 0,4%

викиди АЕС 0,1%

Природні джерела

Рис. 3.7. Кількісні співвідношення іонізуючого випромінювання (у відсотках), які одержують люди від різних джерел (Павлов, 1998)

Самим небезпечним на сьогоднішній день джерелом техногенного радіаційного забруднення є аварії, що відбуваються, на атомних електростанціях і інших об'єктах атомної промисловості, оскільки в цьому випадку завжди присутній сильно діючий фактор раптовості. На рис. 3.8 показаний розподіл поля радіації в околицях м. Прип’ять після катастрофи на Чорнобильської АЕС у травні 1986 р. Потужність дози іонізуючого випромінювання наступного дня після аварії, отримана розрахунковим шляхом, у межах 10-кілометрової зони в 2000 разів перевищила нормальний рівень радіації, що складає 24 мкр/ч.

Рис. 3.8. Схематична карта радіаційного випромінювання в ближній зоні Чорнобильської АЕС після аварії за станом на 29 травня 1986 р. (Вахромеев,1995):

розрахункові (1) і обмірювані на місцевості

(2) ізолінії потужностей іонізуючого випромінювання в мР/год