3.1 Источники ионизирующих излучений в окружающей среде

3.1.1 Естественные источники излучений

Основную дозу облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения проникают к поверхности земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (в этом случае говорят о внешнем облучении) или они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или воде и попасть внутрь организма (такой способ облучения называют внутренним).

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли. Это зависит, в частности, от того, где люди живут. Уровень радиации в некоторых местах земного шара, особенно там, где залегают радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах – ниже. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом, путем внешнего облучения.

Космические лучи. Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи в основном приходят из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце, образуя «солнечный ветер». Через магнитопаузу происходит электромагнитные излучения Солнца, ультракоротковолновая часть спектра которого губительна для живых организмов. Экраном, не пропускающим эту опасную радиацию является верхняя, над тропосферная часть атмосферы Земли, ее главные газы азот и кислород (рис.10).

Самая коротковолновая часть спектра солнечного излучения с длинной волны 0,1150 – 0,1250 мкм расходуется на ионизацию и диссоциацию атомов молекулярного азота, которые при высоте выше 300 км над поверхностью Земли оказывается полностью диссоциированными:

N₂+h → N+N

Рисунок 10. Взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли.

Проходящая ниже радиация с большей длинной волны (до 0,2245 мкм) расходиться на диссоциацию молекулярного кислорода О₂:

О₂+h → O+O

В результате, на расстоянии выше 150 км над поверхностью Земли, весь молекулярный кислород оказывается диссоциированным на атомы. Из оставшейся части спектра солнечного излучение, так называемый, жесткий ультрафиолет (до 0,2990 мкм) расходует свою энергию, главным образом, на высотах 15-25 км над поверхностью Земли, вызывая образование озона и нагревая при этом атмосферу:

О₂+h → O₂ (возб.)+O₂ → O₃+O (возб.)

O₂+O → O₃

Озоновый слой является последним экраном, отсекающим последнюю часть спектра солнечного излучения опасного для живых организмов (Прилож.6).

Ниже озонного слоя происходит излучение только с длинной волны более 0,2900 мкм, оказывающее на живые организмы благоприятные действия. Это – видимый свет, ФАР (фотосинтетическая активная радиация), инфракрасная радиация, трансформирующаяся во все виды энергии биосферы (Прилож.7).

Солнечный ветер – истечение плазмы солнечной короны в межпланетарное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см³ (Прилож.8).

Космические лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с веществом ее атмосферы, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов. Одни участки земной поверхности более подвержены действию космического излучения, чем другие. Северный и Южный полюсы получают большие дозы радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном состоят космические лучи). Мощность дозы излучения растет с высотой, поскольку при этом остается все меньше вещества атмосферы, играющего роль защитного экрана за счет взаимодействия с космическим излучением.

Земная радиация. Самые долгоживущие природные радиоактивные изотопы- ²³²Тh и ²³⁸U, а также ²³⁵U (периоды полураспада Т_1/2 этих радиоактивных изотопов равны 1,410¹⁰, 4,510⁹ и 710⁸ лет соответственно). Эти радионуклиды являются родоначальниками трех радиоактивных рядов: ряда тория (²³²Тh), урана (²³⁸U) и актиния (²³⁵U). В результате радиоактивного распада этих радионуклидов образуется ряд короткоживущих радиоактивных изотопов различных химических элементов. Некоторые из них в тех или иных количествах содержатся в животных и растительных организмах. К таким радионуклидам относятся, например, ²¹⁰Ро, ²¹⁰Рb,²²⁶Rа,²³⁰Тh, периоды полураспада которых составляют 138,4 дня, 22 года, 1600 лет и 810⁴ лет соответственно. Несмотря на сравнительно небольшое время жизни эти изотопы относятся к природным, так как они могут быть получены из урановых и ториевых минералов, откуда попадают в почву, воду и далее – в животные и растительные организмы. В природе существуют также радиоактивные изотопы ⁴⁰K с периодом полураспада Т_1/2 = 1,2610¹⁰ лет и рубидия ⁸⁷Rb с Т_1/2 =510¹⁰ лет. Что касается чрезвычайно важного, с точки зрения биологии, радионуклида ¹⁴С с периодом полураспада Т_1/2 =5730 лет, то его образование связывают с протеканием реакций под воздействием космического излучения в верхних слоях атмосферы. Нейтроны, образовавшиеся при взаимодействии космических лучей с молекулами газов земной атмосферы, взаимодействуют с молекулами азота, в результате чего ежегодно образуется ~ 3,410²⁶ ядер изотопа углерода ¹⁴С:

Под воздействием космического излучения образуется также тритий, общее содержание которого в биосфере планеты не превышает 1,8 кг, и изотоп бериллия ¹⁰Ве. В результате захвата нейтронов ядрами изотопа урана ²³⁸U образуется изотоп плутония ²³⁹Ри, содержащийся в следовых количествах в урановых рудах (соотношение U:Ри равняется примерно 1:10^-12). Таким образом, современную природную радиоактивность Земли определяют в основном радионуклиды ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th и ⁴⁰К, радиоактивный распад которых сопровождается  и -излу-чением. Ниже представлены брутто-уравнения сложного процесса их распада:

(54)

Радиоактивный распад радионуклидов сопровождается, кроме того, выделением тепловой энергии. Удельное количество тепла, выделяемого основными природными радионуклидами, составляет:

²³⁸U - 2,97;

²³⁵U – 18,8;

²³²Th – 0,84;

⁴⁰K – 1,110^-4

Тепловая энергия, выделяемая при радиоактивном распаде урана и тория, играет существенную роль в тепловом балансе Земли. Природная радиоактивность – один из наиболее важных факторов, определяющих современную структуру нашей планеты и, в частности, наличие внутри нее расплавленного металлического ядра.

Внутреннее облучение. В среднем 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников ионизирующего излучения, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом. Совсем небольшая часть этой дозы приходится на радиоактивные изотопы типа углерода-14 и трития, которые образуются под действием космической радиации. Остальная часть дозы поступает из источников земного происхождения. В среднем человек получает около 1809 мкЗв в год за счет калия-40, который усваивается вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и - в меньшей степени – от радионуклидов ряда тория-232.

Некоторые из них, например нуклиды свинца-210 и полония-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и морепродуктов, могут получить относительно высокие дозы облучения.

Прежде чем попасть в организм человека, радиоактивные вещества мигрируют в окружающей среде по сложным маршрутам, которые необходимо учитывать при оценке доз облучения, полученных от какого-либо источника.

Радон. Наиболее значительными из всех естественных источников радиации являются радиоактивные изотопы инертного тяжелого (в 7,5 раза тяжелее воздуха) газа радона. Радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответствен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину дозы, получаемой от всех естественных источников радиации. Большую часть этой дозы человек получает от радионуклидов, попадающих в организм вместе с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых помещениях.

В природе радон встречается в двух основных формах: в виде радона-222 – члена радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада урана-238, и в виде радона-220 (иногда называемого тороном) – члена радиоактивного ряда тория-232. Большая часть облучения исходит от дочерних продуктов распада радона, а не от самого радона. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается для различных точек земного шара. Радон распадается с испусканием α- и γ-излучения, физические периоды полураспада составляют у Rn -219 – 4 секунды, Rn -220 – 55,6 секунды, Rn -222 – 3,8 суток.