Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология и радиационная безопасность. Пособие для студентов вузов
.pdf
но и, наоборот, энергично их кумулируют. Способность к значительному накоплению радионуклидов составляет выраженную
особенность гидробионтов. Вода для гидробионтов служит естественной средой обитания, с которой у них постоянно происходит
непосредственный и энергичный обмен. Именно поэтому многие
радионуклиды поступают в организм гидробионта даже не по пищевым цепям, а через жабры и поверхность тела, минуя кишечник. При этом некоторые гидробионты поглощают радионуклиды
не всей массой тела, а удерживают их лишь самым поверхностным
слоем, то есть не абсорбируют, а только адсорбируют. Именно
так морские водоросли фиксируют, например, Zг
144
Се
. Гидробионты поглощают или фиксируют преимуществен-
95
, Nb95, Ru
106
и
но те радионуклиды, которые легко сорбируются или осаждаются
с органическими веществами и образуют с ними прочные комплексы в форме частиц или коллоидов, уже мало участвующих в об-
54
131
, Fe
144
–Pr
и Cs
55, 59
144
131
,
.
,
мене веществ. К подобным радионуклидам относят: Mn
57, 58, 60
Co
, Zn65, Y
Гидробионты сравнительно меньше сорбируют Sr
90,91
, Zr95, Nb95, Ru
103
, Ru
106
–Rh
106
и Ce
90
, I
так как их соединения легко растворимы в воде и труднее концентрируются. Наземные же растения и животные преимущественно
90
137
поглощают только Sr
, Cs
131
и I
именно вследствие хорошей их
растворимости в воде. Таким образом, между наземными и водными организмами существует довольно четкие различия по «набору» радионуклидов, сорбируемых из окружающей среды.
90
При кормовом поступлении в организм глобальных Sr
и Сs
137
их постоянным неизотопным носителем являются для первого —
кальций, а для Сs
137
— калий. Кальций и калий в биоматериалах
представляют макроэлементы и уровень их концентрации хорошо
известен. При исследовании закономерностей передвижения Sr
137
и Сs
от одного объекта биосферы к другому было замечено, что
90
первый ведет себя сходно с кальцием, а второй (хотя и в меньшей
степени) — с калием. Это обстоятельство группового химического родства компонентов в каждой паре для радиохимической экспертизы имеет немалое практическое значение. Так, например,
при прочих равных условиях в объектах биосферы, загрязненных
радионуклидами, максимальная концентрация Sr
90
всегда будет
обнаруживаться в продуктах/органах, физиологически богатых
кальцием (кости, яичная скорлупа, клевер, листья свеклы), а
максимальная концентрация Сs
(мышцы). В ряде случаев соотношение Sr
137
— в объектах, богатых калием
90
/Са при переходе от
одного звена биологической цепи к другому изменяется мало или
101
90
не изменяется вовсе. Однако гораздо чаще между Sr
и его неизотопным носителем — кальцием, в определенных пределах существуют конкурентные отношения. Так, из почвы через корневую
систему в растения по сравнению с кальцием Sr
90
переходит меньше, а из загрязненного радиостронцием корма в организме преимущественно задерживается кальций. Далее из резорбированного
кишечником кальция и Sr
тельно быстрее. Поэтому Sr
90
последний выводится почками относи-
90
, введенный с кормом, откладывается
в скелете животного относительно меньше, чем кальций.
В целом исследование закономерностей, которым подчиняется переход радионуклидов в звеньях биологических цепей, еще
далеко от завершения.
Закономерности перемещения радионуклидов в атмосфере. Атмосфера находится в состоянии постоянного массообмена с литосферой, гидросферой и биосферой. Для нее характерна общая
циркуляция — преобладающая система больших воздушных течений планетарного масштаба. Атмосфера является основным резервуаром и переносчиком радионуклидов космического и искусственного происхождения, а ее приземный слой — переносчиком
естественных радионуклидов земного происхождения. Основными носителями радионуклидов в атмосфере являются радиоак-
тивные аэрозоли и радиоактивные газы, которые в течение сравнительно длительного времени не присоединяются к аэрозольным
частицам.
За последние полвека под воздействием все нарастающей антропологической деятельности радионуклидный состав атмосферы
существенно изменился и продолжает изменяться. По своему составу радионуклидные атмосферные выпадения делят на приземные, промышленные, дымовые, вулканические и космические, а по
происхождению – на природные и искусст венные. Концентрация
последних за период проведения испытательных ядерных взрывов
значительно возросла. По данным ООН в период с 1945 по 1980
годы произведено 423 ядерных взрыва суммарной мощностью
545,4 Мт. После испытаний в период с 1954 по 1962 годы в атмосферу поступило 2,4 · 10
гих долгоживущих радионуклидов, из них 2,5% — Sr
5,1% — Zr
134
Cs
95
; 5,2% — Ru
; 5,57% — Cs
20
Бк Н3; 2,2 · 1017 Бк С14; 17,1 · 1018 Бк дру-
103
137
; 5,18% — Ba
; 2,44% — Ru
106
140
; 4,58% —Ce
; 2,9% — S
141
; 4,69% — Ce
89
; 3,5% — Sr90;
131
; 0,036% —
144
.
Для сравнения: до начала испытаний в атмосфере ежегодно образовывалось 3,7 · 10
16
Бк трития и 1 · 1015 Бк углерода-14 кос-
могенного происхождения. До 1990 года на земную поверхность
102
17
выпало 5,99 · 10
ядерных взрывов 6,04 · 10
ных 9,64·10
17
Бк Sr90 из выброшенных в атмосферу за время
17
Бк и 9,6 · 1017 Бк Cs
137
из выброшен-
Бк. При этом наибольшая часть всех радиоактивных
выпадений (~75%) приходится на Северное полушарие.
Искусственные радиоактивные аэрозоли, возникающие при
ядерных взрывах, в основном состоят из радиоактивных продуктов деления ядер и синтеза легких ядер, а также продуктов активации конструктивных материалов ядерного оружия. По степени
и площади распространения от источника, срокам выпадения и
радиохимическому составу различают ближние или локальные,
тропосферные и стратосферные радиоактивные осадки.
Ближние или локальные осадки выпадают в районе наземного
взрыва и в зоне до нескольких сот километров от него, причем
площадь и топография выпадения определяются объемом радиоактивного облака, направлением и скоростью движения ветра, метеорологическими условиями. Данные выпадения бывают
с осадками и без них («сухие»). Выпадения с осадками связанны
с захватом радиоактивных аэрозолей при образовании облачных
элементов и прохождением дождевых капель от облаков к земной
поверхности. «Сухие» выпадения не зависят от дождя и начинаются непосредственно после ядерного взрыва, произведенного в
атмосфере на небольшой высоте, и прекращаются уже примерно
через сутки. В умеренных широтах с осадками выпадает примерно
в 9 раз больше радиоактивных продуктов, а в засушливых зонах
преобладают «сухие» выпадения.
При ядерном взрыве мегатонных мощностей радиоаэрозоли
разлетаются по вертикали и забрасываются в верхние слои тропосферы. После вхождения в тропосферу радиоактивные продукты взрывов перемещаются вниз в результате турбулентного
перемешивания и конвективного переноса (рис. 4). Тропосферные
выпадения достигают поверхности Земли в среднем через 15–30
дней после взрыва и поэтому уже не содержат очень короткоживущих радионуклидов. За указанный срок движением воздушных
масс и под действием других метеорологических факторов они
могут быть отнесены на очень далекие расстояния от места их образования (сотни и тысячи километров) и даже опоясать земной
шар на широте появления, мало растекаясь вдоль меридианов.
Обычно выпадение тропосферных осадков заканчивается через
3–4 месяца после их образования. «Вымывание» тропосферы от
радиоаэрозолей естественно определяется количеством атмосферных осадков (дождя, снега), а также оседающих на почву ту-
103
Рис. 4. Разновидность ядерных взрывов и сопровождающих их радиоактив-
ных осадков
мана и росы. Поэтому в дождливые дни и в дождливых районах
уровень радиоактивности выпадений может быть выше, и по этой
же причине активность воды ливневого дождя всегда значительно
выше, чем обложного. Особого внимания заслуживает активность
снега. Снег гораздо больше сорбирует аэрозолей, чем дождевые
капли, так как поверхность последних значительно меньше, чем у
снежных кристаллов.
При еще более мощных взрывах радиоактивные продукты выбрасываются в стратосферу, где перемешивание вертикальных
слоев воздуха слабое, а осаждение медленное. Стратосферные
осадки появляются в приземных слоях воздуха не ранее месяца
после взрыва, причем выпадение их носит повсеместный (глобальный) характер и в убывающем темпе продолжается в течение
ряда лет. Радиоактивные аэрозоли микроскопических размеров
–5
(4 · 10
см) в составе радиоактивного облака остаются в стратосфере от нескольких месяцев до нескольких лет, а ветры переносят
это облако над всей Землей (стратосферный перенос). Чем больше «возраст» стратосферных радиоактивных осадков, тем относительно больше в их составе содержится долгоживущих радио-
90
нуклидов, таких как Sr
и Сs
137
. Скорость выпадения стратосфер-
104
ных и тропосферных осадков существенно зависит от сезонных
изменений переноса масс воздуха из стратосферы в тропосферу.
Так, внутри тропосферы смешивание происходит, главным образом, благодаря турбулентной диффузии и конвекции. Снижение
радиоактивного облака в тропосфере до высоты 4 км приводит к
значительному увеличению концентрации радионуклидов в приземном слое воздуха и значительным выпадениям. Это направленное вниз движение увеличивается над антициклоническими и
уменьшается над циклоническими образованиями (из-за образования соответственно нисходящих и восходящих потоков). Отсюда и
существенная зависимость плотности радиоактивных выпадений
от метеопараметров. После прекращения массивных ядерных испытаний в воздухе, начиная с 1963 года, регулярно отмечались сезонные подъемы суммарной радиоактивности атмосферных выпадений: весенний максимум в марте–мае в Северном полушарии и
осенний максимум в сентябре–ноябре в Южном полушарии.
Кроме того, скорость очистки стратосферы и тропосферы от
радиоактивных аэрозолей и, соответственно, плотность таких радиоактивных выпадений зависят от размеров аэрозолей, их физико-химических свойств (в том числе формы химических соединений), растворимости, электрического заряда, характера радиоактивного распада, наличия других аэрозольных частиц в атмосфере
(пыли, солей, жидкостей) и характера подстилающей земной поверхности.
9.3. Закономерности перемещения
радионуклидов в литосфере
Литосфера является основным резервуаром естественных земных радионуклидов: вместе с другими элементами радиоактивные элементы входили в состав первичного вещества, из которого
была сформирована Земля. Для радиоэкологии особый интерес
представляет радиоактивность почвенного покрова, поскольку он
является природным ионообменным материалом, пограничным
слоем между литосферой, атмосферой и гидросферой и непосредственно влияет на наземную растительность и животный мир,
формирует основные компоненты дозы облучения на открытой
местности, а также во многом определяет вертикальные и горизонтальные процессы переноса радионуклидов. Почва является
наиболее емким и самым инерционным звеном в цепочках переноса радионуклидов.
105
Радиоактивность почв определяется в значительной мере содержанием радионуклидов в подстилающих (материнских) породах, приземном слое воздуха и биологических материалах. В процессе почвообразования радионуклиды привносятся от разрушающихся материнских (подстилающих) пород в виде дисперсного
материала, накапливаются в тонких фракциях почвы в результате
захвата (сорбции) их глинистым и коллоидным веществом. Позднее радионуклиды принимают участие в общем круговороте —
часть их с радиоактивными газами и продуктами распада (радон,
торон) эманирует через почву в атмосферу, часть концентрируется в наземных растениях, часть через выщелачивание подземными водами с образованием радиоактивных аэрозолей выносится в
гидросферу. В связи с этим существует тесная взаимозависимость
радиоактивности почв и атмосферы, почв и растений, почв и гидросферы.
Миграция радионуклидов в почвенном слое подразделяется на
вертикальную и горизонтальную.
Вертикальная миграция осуществляется за счет процессов адге-
зии, адсорбции и диффузии радиоактивных частиц. По мере вертикальной миграции со временем происходит изменение радиоактивности почвы в результате физического распада радионуклидов, их естественного заглубления за счет атмосферных осадков
и капиллярных явлений, деятельности почвенных организмов,
агротехнической обработки почвы, переноса по корневым системам и извлечения из почвы растительностью, убираемой с урожаем или поедаемой скотом. Вертикальная миграция позволяет оценить продолжительность нахождения радионуклидов в корнеобитаемом почвенном слое, возможность загрязнения водоносных
слоев, изменение мощности γ-излучения в связи с заглублением
радионуклидов в почве.
Горизонтальная миграция осуществляется преимущественно
за счет выветривания, вымывания со стоками поверхностных,
паводковых и дождевых вод, переноса животными, человеком и
транспортом, иногда за счет стихийных процессов, например, пожаров. Основное количество радионуклидов горизонтально перемещается с мелкой фракцией почвенной пыли в приземном слое
воздуха посредством ветровой эрозии или дефляции. Процессы
дефляции возникают при критических скоростях ветра: для минеральных почв — 5–6 м/с, для осушенных торфяников — 8–9 м/с.
В среднем, например, на загрязненных в результате катастрофы на
106
ЧАЭС землях Беларуси ветры со скоростью свыше 5 м/с достигают
21% от их общего числа, а дефляционно-опасные почвы занимают
свыше 20% пахотных угодий. Особенно активен перенос мелкозема в весенне-летний период. Максимальное накопление радионуклидов в результате дефляции наблюдается в местах, где резко
меняется скорость ветра: на днище долин, подветренных склонах.
Миграция же вследствие водной эрозии (с дождевыми осадками и
талым стоком) может существенно изменять содержание радионуклидов в пахотном горизонте почвы. Особенно это сказывается
на посевах в средней и нижней части склонов. В зерно-травяных
севооборотах плотность загрязнения почвы в зоне смыва увеличивается на 20–25%, а под пропашными культурами — на 75%. Таким
образом, горизонтальная миграция способна приводить к вторичному загрязнению радионуклидами почв и растений.
Степень вариативных отклонений в содержании радионуклидов в почве обусловлена рядом факторов:
– радиогеохимическими особенностями подстилающих пород;
– условиями осаждения и адсорбции радионуклидов, влияющих на ионные комплексы, почвенные коллоиды, гидроокислы;
– рH почвенного раствора;
– реакциями образования комплексов с органическим (гумусным) материалом;
– жизнедеятельностью организмов;
– действием климатических условий;
– наличием подземных вод;
– густотой растительного покрова;
– методами агротехнической обработки.
На необрабатываемых (целинных) участках, покрытых травянистой растительностью, например, на горнолуговых почвах
Дальнего Востока 95% глобального Sr
, Сs
, Се
144
и 90% Ru
106
90
137
задерживаются и закрепляются верхним слоем почвы, тогда как
на регулярно перепахиваемых участках они равномерно распределяются во всей толще пахотного слоя. Естественное перемещение
радионуклидов вглубь целинной задернованной почвы происходит очень медленно — не более чем на доли сантиметра в год. Подвижность радионуклидов в почве, их миграция в более глубокие
горизонты зависит от типа почвы. Так, в подзолистых и песчаных
грунтах вертикальная подвижность радионуклидов меньше, чем в
дерново-глеевых, дерново-торфяно-глеевых и торфяно-болотных
почвах. В большинстве случаев максимальная глубина проникно-
107
вения радионуклидов не превышает 15 см, в торфяно-болотных
почвах наблюдается заглубление на 35 см и более. При этом Sr
более подвижен, чем Сs
137
. Темпы миграции увеличиваются с воз-
90
растанием степени увлажнения почвы. Ввиду длительного пребывания Сs
137
в пахотном слое на десятилетия сохраняется опасность
радиоактивного загрязнения продукции растениеводства за счет
корневого и аэрального поступления. Кроме того, растения могут
поглощать часть радионуклидов из радиоактивной пыли «сухих»
осадков. Между величиной радиоактивных выпадений в данной
местности и концентрацией глобальных радионуклидов в растениях в известном диапазоне существует линейная зависимость.
В силу этого, сельскохозяйственные культуры и трава в районах,
богатых атмосферными осадками, более загрязнены радионуклидами, чем в зонах, где их выпадает мало. В горах, где атмосферных
осадков обычно выпадает больше, чем в низинах, концентрация
90
и Сs
137
в растительности в несколько раз выше.
Sr
Биологическая доступность радионуклидов для растений зависит от степени их водорастворимости, которая составляет следующий убывающий ряд: Sr
91
Y
(52%), Zr95 — Nb95 (24%), Се
89, 90
(96,5%), I
131
140
, Сs
137
(77%), Ru
144
, Ва
(15%). Водорастворимость вы-
106
падений определяется составом и размером радионуклидных частиц: у мелких частиц она выше, чем у крупных. Свое влияние на
доступность радионуклидов для растений оказывает и химический
состав почвы. Попав в почву, они в разной степени связываются с
нею и, будучи в различном ионообменном состоянии, испытывают конкуренцию неизотопных носителей, родственных по группе
стабильных элементов. Конкуренция с неизотопным носителем
играет большую роль: чем в почве больше обменного (доступного для растений) кальция и калия, тем меньше она отдает Sr
137
Сs
корням растений. Поэтому внесение калийных удобрений
90
и
на слабообеспеченных обменным калием почвах уменьшает поступление в растения Сs
137
в 2 раза, а Sr
90
— до 1,5 раз. Защитная
эффективность калийных удобрений заметно возрастает на фоне
применения органических удобрений и известкования. В зависимости от рН почвы радионуклидные группы оказываются растворимыми в разной степени. В кислых почвах Sг
, Ru
106
и Се
144
при-
90
мерно в 10 раз более доступны для растений, чем в известковых.
Существенное влияние на переход радионуклидов по цепи
почва—растение оказывает прочность взаимосвязи самого комплекса радионуклид—почва: чем он сильнее, тем меньше радионуклида поглощается корнями. Например, Сs
137
сорбирован поч-
,
108
вой значительно сильнее (основная его масса находится в связанной форме, в том числе внедренной в кристаллическую решетку
90
глинистых минералов), чем Sr
и поэтому выносится из почвы с
урожаем сельскохозяйственных культур во много раз меньше последнего. При одинаковой плотности загрязнения почв Cs
поступление Sr
137
Cs
. Основываясь на этих данных, в отношении долгосрочного
прогноза самоочищение почв, особенно от Сs
90
из почв в растения в среднем в 10 раз выше, чем
137
, будет происхо-
137
и Sr90
дить крайне медленно.
9.4. Закономерности перемещения
радионуклидов в гидросфере
Радиоактивность гидросферы определяется радиоактивностью
вод мирового океана, радиоактивностью подземных вод, а также
радиоактивностью донных отложений в водоемах. Вода является
одним из значимых звеньев биологической цепи, по которой в организм растений, животных и человека из внешней среды проникают радионуклиды.
Космогенные радионуклиды в моря и океаны поступают из
атмосферы путем выпадения осадков и литосферы, в том числе
с загрязненной земной поверхности водосборных бассейнов гидрографической сети, и частично могут образовываться в самой
водной среде. В подземные воды радионуклиды поступают преимущественно из литосферы в результате выщелачивания горных
пород и почв.
Обменная фракция гидросферы представлена двумя фазами:
собственно водной и твердой (осадки, взвешенные в воде частицы, частицы горных пород). Радионуклиды перераспределяются
между этими фазами путем сорбции на неорганических и органических взвешенных частицах, осаждения и растворения, коагуляции и диспергирования коллоидов, деятельности микроорганизмов, потребления и выделения гидробионтами.
Темпы насыщения радионуклидов в поверхностном слое океана существенно меньше темпов их накопления на поверхности
континентов (например, для Sr
рядка в 5 раз). Уровень содержания радионуклидов в поверхностных водах определяется и скоростью обмена поверхностных вод с
водами нижних слоев. Уровни загрязнения зависят от особенностей гидрологического режима рассматриваемого водоема и степени изолированности его вод. Наибольшие отличия будут иметь
90
данное различие составляет по-
109
места для мелководных и внутренних бассейнов. Например, воды
Черного моря отличаются значительно большим содержанием
90
как из-за повышенной интенсивности выпадений на его ак-
Sr
ватории, так и из-за затрудненного водообмена между поверхностным и глубинным слоями.
Формы нахождения и распределения в компонентах морской
экосистемы для различных радионуклидов различны. Так, U
238
поступает в морские воды, главным образом, в процессе выветривания горных пород, а также в результате стока воды с поверхности суши с обломочным и растворенным материалом. U
238
хорошо
растворим в морской воде и его перенос в водной толще происходит под действием гидрологических факторов. При значительном
времени пребывания в океане (5·10
5
лет) уран распределен в океане достаточно однородно как по глубине, так и по географическим
координатам. Во внутренних и замкнутых бассейнах содержание
урана зависит от климатических факторов. Высокой миграционной способностью в воде характеризуется и Rа
226
, главным образом в ионной форме, и вследствие этого его содержание в поверхностных водах морей и океанов относительно равномерно. Известна способность радия концентрироваться в известковых раковинах и водорослях, что обусловливает значительный перенос радия
в донные отложения. Средние содержания Rn
222
в водах океана
в общем соответствует содержанию материнского радионуклида
226
Rа
232
. Th
в морские и океанские воды поступает как вследствие
процессов выветривания, так и с обломочным материалом в стоках рек. Поведение в воде Th
232
и других радионуклидов ториевого
ряда резко отлично от поведения урана. Из-за склонности к гидролизу и адсорбции на взвешенных частицах и коллоидах радионуклиды тория имеют ограниченную миграционную способность
и быстро осаждаются из водной толщи на дно, что определяет их
высокую активность в донных отложениях — от 0,17 до 16,0 Бк/кг.
В ряде случаев содержание тория возрастает по мере приближения
к береговой линии вследствие увеличения его распределения во
взвеси. Наиболее четко это прослеживается в Азовском море, где
содержание тория в воде изменяется в пределах 0,16–8,80 Бк/м
3
.
Содержание различных радионуклидов в акваториях морей
и океанов во многом зависит и от антропогенной активности. В
частности, в водах северных морей активность по Cs
137
превышает
в 3–4 раза. Это связано, в первую очередь, с наличием источников
радиоактивных загрязнений: захоронения радиоактивных отходов, аварийного затопления атомных подводных лодок, близостью
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]