книги из ГПНТБ / Перцов Л.А. Ионизирующие излучения биосферы

гона, криптона, ксенона, а также радон, торон и актинон. Кроме того, к пассивным воздушным мигрантам следует отнести и мелкодисперсные радиоактивные частицы, попадающие в воз­

калий, барий, рубидий, литий, бериллий, цезий, таллий, крем­ ний, фосфор, олово и германий.

Энергичная миграция в кислых и слабокислых водах и низ­ кая подвижность в нейтральных и щелочных водах характерны для радиоизотопов цинка, никеля, свинца, ртути и серебра. Хорошая миграция и в кислых, и в щелочных водах наблю­ дается у изотопов урана, молибдена и рения.

Слабая миграция с образованием химических соединений характерна для циркония, хрома, иттрия, ниобия, редкоземель­

зующих или почти не образующих химические соединения, от­ носятся рутений и родий [3].

тивных мигрантов, характерных для трофических цепочек. В эту

Важной стороной каждого возможного типа миграции, ока­ зывающей существенное влияние на их скорость, является и то, что в основе этих сложных и порой весьма длительных процес­ сов лежит характер взаимоотношений единых и в то же время противоположных по своему содержанию реакций. Так, биоген­ ная аккумуляция (ассимиляция) радионуклидов понижает их миграционный темп, в то время как минерализация органиче­ ских соединений (диссимиляция вещества) расширяет эти миг­ рационные возможности вещества. Аналогично этому растворе­ нию противостоит осаждение — десорбция и т. д.

§ 2. О С О Б Е Н Н О С Т И МИГРАЦИИ В А Т М О С Ф Е Р Е

Тропосферный цикл. Когда радиоактивное облако, образо­ вавшееся при ядерном взрыве или аварии, перемещается дале­ ко от места его возникновения, гравитационное осаждение ча­ стиц приобретает меньшее значение, так как в облаке остаются

только частицы малых размеров, которые можно рассматри­ вать как пассивную коллоидальную примесь в атмосфере.

Разрушению радиоактивного облака и распространению ра­ дионуклидов в тропосфере наряду с горизонтальными и верти­ кальными воздушными потоками способствует вместе с молеку­ лярной диффузией и постоянно действующая атмосферная тур­ булентность.

Схематично можно считать, что концентрация радионукли­ дов в облаке изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния и скорости ветра. Если находящиеся в воздухе ра­ дионуклиды попадают в область дождевого фронта, то значительная их часть может выпасть на землю вместе с дождем.

При воздушном взрыве большой мощности практически все радиоактивные продукты поднимаются выше дождевой облач­ ности, и поэтому раннее выпадение в этом случае обычно не на­ блюдается. Выпадение радиоактивных частиц вместе с дождем из грозовых облаков даже через много часов после взрыва мо­ жет быть причиной серьезного загрязнения местности на рас­ стоянии сотен километров от эпицентра взрыва.

Скорость выпадения радиоактивных продуктов из тропосфе­ ры в любой момент времени приблизительно пропорциональна количеству этих веществ, которое имеется в тропосфере в дан­ ное время. Поэтому важной характеристикой тропосферного вы­ падения является «период половинного оседания». Это период времени, необходимый для оседания половины радиоактивных продуктов взрыва в соответствующем районе земного шара. Если частицы облака на первоначальном этапе поднялись до верхней границы тропосферы, то период половинного оседания равен примерно 2—6 неделям.

Находясь в тропосфере в течение, например, одного месяца, радиоактивные частицы перемещаются в основном восточными ветрами. Большая часть радиоактивных продуктов взрыва вы­ падает в узкой широтной полосе вокруг земного шара, которая охватывает примерно 30°. Наблюдения при испытаниях, осу­ ществленных в зоне экватора, показали, что полоса максималь­ ного тропосферного выпадения смещается от широты места взрыва в сторону полюса [4]. Содержание 9 0 Sr в этих выпаде­ ниях не является величиной постоянной.

Обычно после воздушного взрыва количество 9 0 Sr в атмо­ сфере бывает больше, чем после взрыва, осуществленного на поверхности суши или воды: во-первых, в результате воздуш­ ного взрыва раннее выпадение почти не наблюдается, а, во-вто­ рых, частицы земли или воды, если они попадают в облако» после взрыва, снижают высоту подъема облака. Поскольку вы ­ сота облака с увеличением мощности взрыва возрастает, то1 соответственно повышается и количество 9 0 Sr, попадающее в стратосферу.

Сезонные изменения тропосферных воздушных течений и свя­ занных с этим колебаний метеорологических факторов, как пра­ вило, сопровождаются соответствующими сдвигами в плотно­ сти радиоактивных выпадений. Весеннее повышение влажности воздуха, его запыленность и т. п. обусловливают усиление тро­ посферных выпадений [5, 6]. При этом установлено, что удель­ ная плотность радиоактивных выпадений на поверхность почвы во многом зависит от характера соотношений между количест­ вом радиоактивных аэрозолей, распределенных в слое воздуха, обмываемом дождем, и количеством самих дождевых осадков. Зависимость эта в основном имеет прямо пропорциональный характер. Из-за этих и других явлений, наблюдающихся в ниж­ них слоях воздуха, величина радиоактивного выпадения в одном пункте в разные дни может изменяться в тысячи раз [7].

Весеннее усиление атмосферных выпадений при прочих по­ стоянных условиях объясняется также увеличением в этот пе­ риод крупномасштабных вихревых процессов в нижней страто­ сфере, приводящих к перемешиванию ее воздушной массы с тропосферной и внесению в нее радиоактивных частиц [8].

Продолжительность и дальность миграции радиоактивных веществ, выбрасываемых в атмосферу при различных «радиа­ ционных авариях» на атомных установках, значительно меньше,

диоактивное облако стабилизируется на значительно большей высоте, чем при более вероятных авариях, сопровождающихся продолжительным выбросом и преимущественно газообразных радионуклидов [10—12].

Продолжительные выбросы, как ранее отмечалось, могут быть из-за нарушения герметичности твэлов или иных устройств реактора, вследствие чего находящиеся в нем в газообразном или парообразном состоянии радионуклиды начинают поступать в повышенных количествах в отводящие системы, фильтрующие У З Л Ы которых непременно уменьшают общую активность выбро­ са и изменяют его радиоизотопный состав [12].

Термин «радиационная авария» принят Всемирной Органи­ зацией Здравоохранения (ВОЗ) для аварий, представляющих опасность не только для отдельных лиц, но и для значительной части населения страны и даже, может быть, соседних стран. В этом отношении под «радиационной аварией» подразумевают критическую ситуацию, возникающую на различного рода ядер­ ных установках, а также при использовании и транспортировке радиоактивных веществ [13].

Однако при всех этих авариях распространение радиоактив­ ных веществ будет происходить вблизи поверхности земли и в

и при средних метеорологических условиях активности в облаке

Но если выброс происходит из высокой трубы, концентрация активности на уровне грунта в непосредственной близости от реактора может быть существенно меньше приведенных зна­ чений.

Бионт, попавший в зону движения радиоактивного облака, подвергается общему у-облучению и контактному в-облучению кожного покрова. При этом установлено, что дозы облучения, создаваемые у-излучением и (З-частицами, по величине равны между собой [12]. В то же-время доза внешнего у-излучения будет иметь большее функциональное значение, так как оно воздействует на весь организм.

На расстоянии 1 км от источника выброса горизонтальные и вертикальные размеры облака в большинстве погодных усло­

других наземных вероятных источников радиоактивного загряз­ нения воздуха продукты деления рассеиваются в нижних слоях тропосферы на расстояниях, измеряемых десятками и реже сот­ нями километров, то после взрывов ядерных бомб распростра­ нение мелкодиспергированных радиоактивных веществ приобре-

тает глобальный характер, особенно при воздушных взрывах большой мощности.

При таких взрывах радиоактивное облако захватывается стратосферными струйными воздушными течениями и перено­ сится преимущественно вдоль параллели со скоростью порядка

стью высотных фронтальных зон, образующихся между высо­ кими теплыми антициклонами и высокими холодными цикло­ нами. Они весьма подвижны, максимальные скорости ветра на оси струи достигают 200—300 км/ч, причем ось течения распо­ лагается на высоте 9 км зимой и И км летом [14].

Субтропические струйные течения возникают на северной пе­ риферии теплых и высоких субтропических антициклонов. Они менее подвижны по сравнению с внетропическими, их ось рас­ полагается на высоте 11 —13 км. В зимнее время струя распо­ лагается на 25—35° с. ш., в летнее время — на 35—50° с. ш. и соответственно в южном полушарии с учетом положения метео­ рологического экватора. Наиболее слабо субтропическая струя выражена в восточной части Атлантического и Тихого океанов, а наиболее сильно — в западных районах этих океанов.

Экваториальные струйные течения имеют восточное направ­ ление и образуются, как правило, на обращенной к экватору стороне субтропических антициклонов. Скорости внетропических и субтропических струйных течений они не достигают.

Скорость гравитационного осаждения в стратосфере из об­ лака мелких частиц диаметром 10 мкм — примерно 30 м/сек, а частиц с диаметром 0,01 мкм—16 см/сек. Из тропосферы эти частицы на землю попадают практически только в результате их вымывания дождем. Осаждение же под действием силы тя­ жести в нижних слоях атмосферы может наблюдаться преиму­ щественно для частиц диаметром 20 мкм и больше.

Скорость осаждения частиц с трех различных высот в зави­ симости от их размера иллюстрируется данными, приведенны­ ми в табл. 69.

В целом по мере приближения к земной поверхности ско­ рость гравитационного оседания убывает. В результате этого для частиц каждого сорта определяется такой уровень, где ско­ рость их оседания становится незначительной в сравнении со скоростью турбулентного движения воздушных масс, приводя­ щего к хорошему перемешиванию воздуха [16]. Медленное осе­ дание частиц радиоактивного облака из стратосферы объяс­ няется еще и небольшой скоростью вертикальных потоков, а также низкой влажностью воздуха. Поэтому продолжительность

пребывания в стратосфере радиоактивных продуктов эквато­ риальных взрывов — примерно 5 лет. Для взрывов, проведенных в северных широтах, за исключением очень мощных, этот пе­ риод определяется несколько меньшим одного года [17]. Един­ ственная возможность выноса радиоактивных частиц из воздуш­ ных масс стратосферы заключается в переходе их в тропосферу, откуда они выпадают вместе с осадками. В самой стратосфере вертикальный обмен воздушных масс выражен слабо. При этом обнаружено, что наиболее слабый обмен происходит зимой и

.летом, когда температурное поле обусловливает постоянный го­ ризонтальный ветровой перенос радиоактивных частиц.

Смена сезонов года приводит к изменению направления вет­ ров в нижней части стратосферы и к связанному с этим более интенсивному проникновению радиоактивных веществ в тропо­ сферу. Однако между стратосферой и тропосферой распола­ гается тропопауза — слой, который необходимо пройти радиоак­ тивным аэрозолям, чтобы проникнуть в тропосферу. Высота тропопаузы непостоянна. Над холодными циклонами уровень тропопаузы ниже, над теплыми (высокими) антициклонами — выше. В этих случаях разность высот может составлять несколь­ ко километров. Установлено, что только субтропические струй­ ные течения сопровождаются разрывом тропопаузы, при кото­ ром радиоактивные частицы могут переходить в тропосферу [18].

и для самых верхних слоев стратосферы и для мезосферы (33— 75 км) —60 месяцев [19].

Испытательные взрывы большой мощности, проведенные в районах Арктики и северной части умеренного пояса, показали, что выпадение радиоактивных продуктов из стратосферы проис­ ходило здесь быстрее, чем в тропических районах Тихого океа­ на. При прочих равных условиях время выпадения радиоактив-

ных частиц наиболее велико при взрывах, произведенных вес­ ной. Особенно важно это влияние сезона года на период поло­ винного оседания радиоактивных частиц из полярной страто­ сферы. Для Северного полярного круга период половинного оседания считается равным трем месяцам, если стратосферное радиоактивное облако образовалось в декабре, и 8 месяцам, если оно образовалось в апреле [19].

рия. Если стратосферное радиоактивное облако поднимется на высоту 30 км где-либо вне полярного района, то можно предпо­ ложить, что воздушный обмен между двумя полушариями будет происходить более эффективно.

В связи с тем, что частицы радиоактивного облака удержи­ ваются в стратосфере от нескольких месяцев до нескольких лет, активность их к моменту выпадения на грунт заметно убывает. В то же время количество изотопов с большим периодом полу­ распада, например 9 0 Sr и 1 3 7 Cs, сколько-нибудь существенно не изменяется. Это обстоятельство является одной из важнейших характеристик глобальных выпадений, в составе которых в ос­ новном определяются только долгоживущие радионуклиды.

Рядом исследований было установлено, что степень радио­ активности частиц, выпадающих из атмосферы, может варьиро­ вать в существенных пределах. При этом частицы, отличаю­ щиеся особенно высокой удельной активностью, получили назва­ ние «горячих», хотя размер их часто не превышает 1 мкм [21]. Появление в природе этих горячих частиц связывают с ядерны­ ми взрывами, при которых возникают условия неравномерного

перемешивания продуктов деления в огненном шаре и неодно­ родного их включения в застывающие частицы грунта. Радио­

лиз воздуха, проведенный в 1959 г. в ФРГ, позволил установить, что средняя концентрация числа горячих частиц в 1 ж3 в этой

Некоторые считают, что горячие частицы образуются в ат­ мосфере в результате адсорбции радиоактивных ядер на пер­ вичных природных аэрозолях. Найдено, что радиоактивные аэрозоли диаметром 1 мкм и более отличаются большей удель­ ной радиоактивностью, чем аэрозоли меньшего размера. Пола­ гают, что в этом проявляется функциональная зависимость удельной активности от площади поверхности аэрозоля [25].

Расчеты показали, что при попадании горячих частиц в лег­ кие с вдыхаемым воздухом в прилегающих к месту их локали­ зации тканях могут возникать большие дозы облучения. При отложении такой частицы диаметром 1 мкм и активностью при­ мерно 0,1 нкюри интенсивность облучения прилегающего слоя клеток будет соответствовать ориентировочно 100 000 рад/ч [26]. Однако количество таких высокоактивных частиц в атмосфер­ ном воздухе весьма ограниченно.

Систематические наблюдения за степенью радиоактивности атмосферного воздуха показали, что имевшие место испытания ядерного оружия привели к тотальному загрязнению воздуш­ ного океана долгоживущими продуктами деления. В окрестно­ стях Ленинграда в 1961 г. концентрация отдельных радионук­ лидов в приземном воздухе колебалась в следующих пределах

(пкюри/м3) [27]:

Постоянно оседая на землю, эта пыль приводит к кумулятивно­

В предшествующие годы, когда ядерные испытания прово­ дились достаточно часто, плотность выпадения радионуклидов из атмосферы была более существенной и достигала в разных районах земного шара сотен милликюри на квадратный кило­ метр [30]. Как показывают многочисленные исследования, про­ веденные на всех континентах, в последние годы в связи с за­ ключением Московского моратория, уровень радиоактивных вы­ падений резко упал. Так если еще в 1963 г. концентрация 1 4 С в воздухе превышала естественный уровень примерно на 110%,

суммарной (З-активности атмосферных выпадений в районе Мос­

почву были обнаружены в Подмосковье: в 1963 г. эта плотность

Поведение радионуклидов в водоемах значительно сложнее, чем в атмосфере, так как здесь на скорость перемещения, на­ правленность и характер их рассеивания влияет значительно большее число факторов. Кроме того, в водоемах наряду с процессами рассеивания одновременно протекают и явления концентрирования радиоактивных веществ, что в атмосфере не может иметь места.

Установлено, что распространение радионуклидов в воде осуществляется под действием постоянных и переменных тече­ ний, турбулентной диффузии, изотопного разведения и биотиче­ ского переноса. Концентрирование радионуклидов в гидросфере происходит под влиянием двух факторов, каждый из которых имеет свою систему составляющих:

а) физико-химические факторы: адсорбция, ионный обмен, соосаждение, седиментация (осадок), флокуляция (хлопьеобразование);

б) биотические факторы: поглощение непосредственно из воды, накопление алиментарным путем [36].

Распространение в реках. Наряду с особенностями русла, скоростью течения и температурой воды на поведение радиоак­ тивных веществ в реках существенное влияние оказывают хими­ ческий состав воды, степень ее минерализации, количество и характер взвешенных примесей и т. п.

Специальными исследованиями обнаружено, что при сбросе радиоактивных отходов в реки даже с небольшим твердым сто­ ком (2,7-10~3 %) около 70% 1 4 1 Cs адсорбируется на взвешенных частицах, а затем вместе с ними оседает на дно. Степень адсорб­ ции других радиоизотопов несколько меньше и составляет для

продуктов будет неравномерно задерживаться на дне, создавая тем самым локальные очаги его загрязнения.

Так как в большинстве случаев гидрохимический режим рек не вполне однороден по всей длине или в поперечном профиле, то обычно интенсивность процессов разбавления, перемешива­ ния, диффузии и т. п. в различных участках реки неодинаково. Кроме того, ниже точки сброса загрязненная радиоактивными веществами вода вначале течет отдельной струей и только на некотором расстоянии ниже происходит полное перемешивание. Это также способствует образованию локальных очагов радио­ активного загрязнения дна разной плотности.

Расстояние, которое необходимо для полного смешивания, зависит от ширины реки, ее глубины, скорости течения и др. Весьма важную роль в этом процессе играет величина уклона русла. При малом уклоне полное перемешивание воды проис­ ходит на большом расстоянии от точки сброса, при большем уклоне — на меньшем расстоянии.

При изучении скорости разбавления жидких отходов ханфордских заводов, сбрасываемых в р. Колумбию, было установ­

р-активность других рек США гораздо ниже (несколько пикокюри на литр [38]).

Перемешивание в устьевых областях. Разбавление и рассеи­ вание радионуклидов в устьевых областях (эстуариях) во мно­ гом зависят от степени и характера перемешивания морской и пресной речной воды. В некоторых эстуариях, в особенности там, где рельеф дна сложный или наблюдаются сильные прили­ во-отливные течения, речная вода, как правило, довольно бы­ стро и равномерно перемешивается с водой моря. Но в тех случаях, когда пресная вода растекается поверх соленой из-