Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология и радиационная безопасность. Пособие для студентов вузов
.pdf
В озерах, где показатель рН составил 4,4; 5,1 и 5,8 не было поймано ни одной рыбы, а в остальных озерах обнаружены только отдельные экземпляры озерной и радужной форели и гольца.
Хотя почвы и являются менее восприимчивыми к подкислению, нежели водоемы, произрастающая на них растительность
крайне негативно реагирует на увеличение кислотности. Кислотные осадки в виде аэрозолей обволакивают хвою и листву деревьев, проникают в крону, стекают по стволу, накапливаются в
почве. Прямой ущерб выражается в химическом ожоге растений,
снижении прироста, в изменении состава подпологовой растительности.
Главными виновниками загрязнения воздуха и выпадения кислотных осадков являются США, страны СНГ, Польша, Германия,
Великобритания, Канада и Китай.
81
Часть II
РАДИОЭКОЛОГИЯ
8. ПРИРОДНЫЙ РАДИОАКТИВНЫЙ ФОН
Ионизирующие излучения представляют собой важный источник энергии для всех биологических объектов, выступают одним
из способов получения биологическими объектами информации
об окружающей среде и важнейшим фактором эволюции и изменчивости организмов.
Действие ионизирующих излучений в пределах природного радиоактивного фона не является новым или необычным фактором
для растений, животных и человека. Природный радиоактивный
фон слагается из внешних и внутренних источников, среди последних выделяют естественные (природные) и искусственные.
На протяжении всей истории существования радиационный
фон всегда имел место и являлся одним из ведущих факторов
возникновения жизни на Земле. Различные виды излучений попадают на поверхность Земли из космоса (космическое излучение)
и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной
коре, воздухе, воде, живых организмах (земная радиация). За счет
хозяйственной и социальной деятельности биологические объекты дополнительно получают облучение от искусственных (технологических, антропогенных) источников ионизирующих изучений.
Искусственные источники ионизирующих излучений являются ведущим фактором в превышении уровня природного радиоактивного фона и радиационного загрязнения окружающей среды.
8.1. Космическое излучение
Первым естественным компонентом природного радиоактивного фона выступает космическое излучение. Оно составляет около
10–12% от общей дозы внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников. В основном космическое излучение поступает на Землю из глубин Вселенной, но некоторая его
часть образуется на Солнце во время всплесков солнечной активности. В силу этого космическое излучение делят на межгалакти-
ческое и галактическое, солнечное излучение.
82
Межгалактическое и галактическое космическое излучение,
идущее из глубин Галактик и Вселенной, представляет собой на
92% поток протонов, на 7% —
-частицы, оставшаяся часть (около 1%) приходится на ядра легких элементов (литий, бериллий,
азот, углерод, кислород, фтор и др.). Высокий уровень протонов
в межгалактическом и галактическом излучении определяется
коротким временем жизни нейтронов (около 16 мин) которые
быстро распадаются на протоны и электроны. Электроны, в свою
очередь, поглощаются космической пылью, в силу чего их количество в межгалактическом и галактическом излучении очень незначительно. Средний возраст межгалактического и галактического излучения от 1 млн до 10 млн лет, плотность потока частиц
(отношение количества частиц, которые проходят через данную
поверхность за определенный интервал времени) постоянна и составляет 1–2 частицы/см
2
сек.
По особенностям своего состава космическое излучение подразделяется на первичное и вторичное. Первичное космическое из-
лучение — поток атомных ядер высоких энергий галактического и
солнечного (~90%) происхождения, в основном, протонов, -частиц и ядер тяжелых элементов, падающих на Землю из мирового
пространства. Средняя энергия частиц первичного космического
излучения составляет 10
гать до 10
13
МэВ и более. При достижении поверхности Земли
4
МэВ, а отдельных частиц может дости-
частицы первичного космического излучения испытывают неупругие столкновения с атомами воздуха, преимущественно в верхних слоях земной атмосферы (ионосферы и стратосферы). Поэтому на высотах ниже 20 км космическое излучение содержит мало
первичных частиц и носит практически полностью вторичный
характер.
В ходе взаимодействия с атомами воздуха первичные космические частицы частично теряют свою энергию, частично поглощаются и порождают вторичное космическое излучение, представляющее собой поток элементарных частиц, в основном,
-мезонов различного заряда (до 80–85%) и К-мезонов. Эти частицы, в
свою очередь, взаимодействуя с ядрами, рождают другие частицы.
Таким образом, за счет энергии первичных космических частиц
формируется ядерно-каскадный процесс с несколькими поколениями вторичных ионизирующих частиц (μ-мезоны, электроны,
протоны, нейтроны, позитроны, -кванты). На рис. 3 представлена упрощенная схема ядерно-каскадного процесса и образования
электронно-фотонного ливня космического излучения.
83
Рис. 3. Схема ядерно-каскадного процесса образования частиц вторичного
космического излучения
Вторичное космическое излучение включает в себя жесткую
(μ-мезоны; ~70%) и мягкую (~30%) компоненты. Каскадное образование ионизирующих частиц заканчивается при снижении
энергии до 10
3
МэВ, ниже которой начинают преобладать процессы возбуждения ядер и упругое рассеивание частиц. Межгалактическое и галактическое излучение обладает очень высокой энергией (10
12
–1015 МэВ) и высокой степенью ионизации, в силу чего
оно губительно для всего живого на Земле. В качестве защитного
экрана Земли от воздействия межгалактического и галактического излучения выступают, в первую очередь, радиационные пояса
Земли, и, во вторую — слои атмосферы.
Существование радиационных поясов Земли связано с наличием магнитного поля Земли. Имеется два радиационных пояса:
внешний радиационный пояс простирается на расстояние от 1 до
8 земных радиусов (экваториальный радиус Земли – 6378,2 км),
внутренний — лежит между 30° и 60° к северу и югу от экватора
и простирается на расстояние 400–10000 км. Во внешнем поясе
преобладают первичные ядерно-активные частицы и электроны
большой энергии, которые движутся по спиралям вокруг силовых
линий магнитного поля и отражаются в районе полюсов вследс-
84
твие увеличения плотности силовых линий. Внутренний радиационный пояс состоит преимущественно из протонов с энергией от нескольких единиц до сотен МэВ и электронов с энергией
0,1–0,4 МэВ.
При взаимодействии с магнитными радиационными поясами
Земли частицы, входящие в состав межгалактического и галактического излучения, частично поглощаются, частично изменяют
траекторию своего движения. Лишь незначительный их прорыв
отмечается на полюсах, поэтому Северный и Южный полюсы
получают больше космической радиации, чем экваториальные
области, и, следовательно, доза облучения всего живого в этих регионах выше.
Наличие магнитных полей Земли во многом определяет так
называемые геомагнитные эффекты (широтный и долготный), свя-
занные с изменением интенсивности и составом энергетического спектра космического излучения от геомагнитных координат.
Роль магнитного поля Земли при этом заключается во влиянии на
первичный изотропный поток заряженных частиц. Отклоняющее
действие магнитного поля Земли проявляется в виде широтного
эффекта, коэффициент которого на уровне моря составляет около 10%, а на высоте 10 км — 36%. По мере приближения к поверхности Земли, коэффициент широтного эффекта уменьшается в
связи с тем, что у земной поверхности космические частицы являются потомками наиболее высокоэнергетических первичных
частиц, которые весьма слабо отклоняются магнитным полем.
Зависимость интенсивности космического излучения от геомагнитной долготы (долготной эффект) объясняется тем, что
центр земного магнитного диполя смещен по отношению к центру Земли на 340 км и находится в плоскости меридиана, имеющего
долготу 162°. Поэтому в восточном полушарии направление магнитного поля и, соответственно, значения критических импульсов частиц несколько больше, чем в западном. В результате этого,
интенсивность космического излучения в восточном полушарии
меньше, чем в западном.
Роль первичного космического излучения по мере приближения к поверхности Земли резко снижается, а доля вторичного космического излучения с меньшим энергетическим запасом, напротив, увеличивается. В состав вторичного космического излучения
над уровнем моря входят мезоны (80%), электроны, нейтроны и
фотоны электромагнитного излучения (около 30%), незначительное количество космогенных радионуклидов (менее 1%), которые
85
образуются из химических элементов, входящих в состав земной
атмосферы, под действием первичного космического излучения.
К наиболее важным космогенным радионуклидам относят Н
14
С
, Be7, S32, Na22, Na24 и другие (всего около 20 элементов). Все
3
космогенные радионуклиды являются преимущественно источниками
-излучения. Космогенные радионуклиды с атмосферными осадками переносятся на земную поверхность и по цепочкам
миграции попадают в организм человека, животных и растений.
При попадании в организм в больших количествах космогенные
радионуклиды представляют серьезную опасность.
Увеличение высоты над уровнем моря из-за уменьшения экранирования Землею части космического излучения и из-за ослабления земного магнитного поля, отсекающего космические ионизирующие частицы, приводит к значительному возрастанию дозы
облучения (высотный эффект). Например, население, живущее на
уровне моря, получает в среднем за счет космического облучения
эффективную эквивалентную годовую дозу 0,315 мЗв (10
–6
Зв), в том
числе за счет внешнего облучения — 0,3 мЗв и 0,015 мЗв — за счет
внутреннего. Доза облучения для людей, живущих на высоте от 2000
до 4000 м над уровнем моря в несколько раз больше — 1,75 мЗв/год.
Немаловажное значение имеет и барометрический эффект —
зависимость интенсивности космического излучения от атмосферного давления. Интенсивность космического излучения возрастает на 1,5% на каждые 10 мм рт. ст. Максимальная вариация
с периодом в несколько суток для заряженных частиц — 10%, для
нейтронов – 15%.
Сходным по природе с барометрическим эффектом выступает
температурный эффект, его величина составляет ~0,4% на 1 °C.
Температурный эффект сказывается только на мезонной компоненте космического излучения и связан с удалением облачной
генерации мезонов от поверхности Земли при расширении атмосферы с повышением температуры. Максимальное отклонение
температурного эффекта за год менее 5%.
Интенсивность космического излучения изменяется со временем. Данные вариации можно разделить на периодические и непериодические, земного и внеземного происхождения. Вариации
земного происхождения, прежде всего, связаны с метеорологическими факторами, имеют непериодический кратковременный
или периодический сезонный характер с амплитудой вариаций в
2–3% для умеренных широт (барометрический и температурный
эффекты). Вариации внеземного происхождения связаны с вари-
,
86
ациями солнечной и магнитной активности (геомагнитные эффекты).
Солнечное излучение представляет собой поток тепловых, световых, ультрафиолетовых, электромагнитных лучей. Несмотря
на высокую энергетическую характеристику, оно уступает межгалактическому и галактическому излучению и определяется двумя
важнейшими факторами. Во-первых, постоянными высокоактивными процессами взаимодействия химических элементов в
солнечной плазме, которые сопровождаются выбросом огромного количества энергии в межпланетное пространство. Полная
мощность солнечного излучения, определяемая по его светимости, составляет 4 · 10
23
кВт. Земля получает всего лишь одну миллиардную долю солнечного излучения. Однако и этого достаточно,
чтобы приводить в движение огромные массы воздуха в земной
атмосфере, определять и управлять климатом на земном шаре,
обеспечивать осуществление физико-химических процессов в
литосфере.
Во-вторых, солнечное излучение определяется вспышками активности на Солнце, в результате которых происходит выброс в
космическое пространство протонного излучения с энергией от
40 МэВ до 100 МэВ. Вспышки на Солнце являются ближайшим
к Земле источником первичного космического излучения. Сами
вспышки солнечной активности наблюдаются как внезапные усиления яркости отдельных участков хромосферы Солнца. По скорости своего протекания они подобны ядерному взрыву. Продолжительность солнечных вспышек составляет от несколько минут до
нескольких часов. Именно последние и являются главным источником радио- и магнитных помех на Земле, так как поток заряженных частиц, выбрасываемых при таких солнечных вспышках, вызывает наибольшие возмущения магнитного поля Земли и процессов ионизации в ионосфере. Время солнечного излучения в пути от
Солнца до Земли может занимать несколько минут и даже несколько часов и зависит не только от энергии частиц, но и от положения
вспышки на Солнце и геометрии межпланетного магнитного поля.
Причины возникновения солнечных вспышек до сих пор изучаются, правда предполагается, что они являются следствием изменения
магнитного поля Солнца, в результате чего значительно увеличивается скорость плазменных потоков (до 1000–1500 км/с), возрастает
скорость взаимодействия электронов и протонов, что приводит к
внезапному всплеску высвобождаемой энергии в виде оптического, рентгеновского,
- и радиоизлучения.
87
Солнечное излучение или солнечную радиацию подразделяют
на прямую, рассеянную и суммарную.
Под прямой солнечной радиацией понимают тепловые потоки
солнечного излучения. Проходя через атмосферу, солнечное излучение отражается от молекул воздуха, капелек воды, пылинок,
отклоняется от прямолинейного пути и рассеивается. Чем больше
атмосферная облачность, запыленность, тем больше солнечное
излучение рассеивается в атмосфере, тем меньшее его количество
достигает поверхности Земли. Оставшаяся часть солнечного излучения после его рассеивания называется рассеянной радиацией.
В целом в отдельные периоды атмосферное рассеивание может
ослаблять солнечную радиацию на 40–45%.
На распределение солнечной радиации на поверхности Земли
огромное влияние оказывают ее шарообразность и наклон земной
оси. По этим причинам количество солнечной радиации зависит
от широты места: чем дальше от экватора, тем меньше ее поступает на земную поверхность. Поступление солнечного излучения
связано с рельефом местности, с годичным и суточным движением Земли. Кроме того, интенсивность солнечного излучения
определяется вариациями солнечной активности: максимум снижения наблюдается в период низкой активности Солнца, а минимум — во время наибольшей солнечной активности. Как правило,
данные отклонения в интенсивности солнечного излучения в высоких широтах (> 50°) имеют период в 11 лет и для мюонов составляют ~5%, а для нейтронов ~20%.
8.2. Земная радиация
Вторым компонентом естественного радиационного фона является природная радиоактивность — земная радиация. Земная
радиация обусловлена различными группами радиоактивных элементов, содержащимися в воздухе, почве, воде и живых организмах. Данные радиоактивные вещества определяют естественную
радиоактивность воздуха, руд, почвы, воды и живых организмов.
Естественная радиоактивность воздушных слоев определяется,
во-первых, радионуклидами, возникающими в атмосферных слоях Земли под влиянием космогенных радионуклидов, образование
которых, в свою очередь, инициирует вторичное космическое излучение (Н
41
Аг
). Данные реакции образования активно протекают на высоте
9 тыс. метров. Космогенные радионуклиды составляют ничтожно
88
3
, Ве
7, 10
, С14, Na
22, 24
, Мg28, Si
31, 33
, Р
32, 33
, S
35, 38
, С1
36, 38, 39
,
малую примесь в атмосферном воздухе (например, активность Ве
составляет 10
–13
Кu/м3, Р32 и S35 – 10
–15
и 10
–14
Кu/м3 соответствен-
7
но), захватываются атмосферными осадками, в составе которых
и выпадают на земную поверхность. Во-вторых, радиоактивными
газами — радоном, тороном и актинием. Они определяют большую половину дозы облучения от естественной земной радиации
(54% или 1 мЗв/год).
Естественная радиоактивность руд и почв определяется радионуклидами, которые можно подразделить на следующие группы:
– элементы, входящие в состав трех радиоактивных семейств
тяжелых радионуклидов — U
, U
235
и Тh
232
;
238
– элементы, не связанные генетически, т. е. не образующие ра-
диоактивные семейства и находящиеся в материнских породах в свободном виде — К
138
, Се
209
142
, Nd
.
Lа
и Вi
10
, Са48, V50, Rb87, Zr96, In
144, 150
, Sm
146, 147, 152
, Lu
176
, W
113, 115
178, 180
, Sn
, Rе
124
187
, I
, Рt
129
190
, Те
, Рb
130
204
,
Уровни естественной радиоактивности поверхностей участков
Земли различны и зависят от концентрации радионуклидов в материнских породах. Наибольшей естественной радиоактивностью
(по убыванию) обладают магматические породы, граниты, моноциты, глиноземы, наименьшей — осадочные породы, глины,
сланцы, песчаники, известняки, доломиты.
В местах проживания основной массы населения уровень земной радиации, обусловленный естественной радиоактивностью
руд и почв, примерно одного порядка: мощность естественного
облучения в среднем составляет 0,3–0,6 мЗв/год (10
–3
Зв). Тем
не менее, существуют области, где человек за год может получать
более высокие дозы облучения от естественной земной радиации.
В Западной Африке в Габоне (Окло) расположена радиоактивная
аномалия, на которой около 2 млрд лет назад в течение сотни тысяч лет протекали процессы, обусловленные цепной реакцией деления U
235
. Это место – одно из богатых месторождений урановых
руд с содержанием урана 0,1–1,0% и локальными включениями
уранила (UO
) с содержанием 20–60% между прослойками гли-
2
нистого сланца и битума с развитой циркуляцией геотермальных
вод. Эта исключительно интересная геохимическая аномалия
позволяет исследовать в настоящее время радиоэкологические
особенности миграции продуктов деления и трансурановых элементов в природных условиях.
Большие дозы естественного облучения получают горожане по
сравнению с сельскими жителями, так как в городах в качестве
89
основного строительного материала широко используется гранит
и бетон. Наименьший фон естественной радиоактивности определяется в деревянных и построенных из известняка домах — до
0,5 мЗв/год, для сравнения в кирпичных и железобетонных зданиях — до 1,0 и 1,7 мЗв/год соответственно. Основной вклад в
облученную дозу при этом вносит радиоактивный газ — радон.
Особенности формирования радоновых аномалий связаны со
следующими факторами:
— геохимическими — наличием под покровом рыхлых отложе-
ний пород с различным содержанием геологических формаций
урана и тория, зон метасоматически измененных пород с урановой минерализацией и, в связи с этим, формированием в рыхлых отложениях дифференцированного поля радона. Подобные
аномалии обычно коррелируют с
-активностью. Прямыми признаками радоновых аномалий (кроме повышенного содержания
радона в приземном слое воздуха) является также повышенная
скорость эксгаляции радона с земной поверхности и повышенное
содержание радона в почвенном воздухе;
— структурно-тектоническими — формированием в зонах ак-
тивизации глубинных разломов тектонических структур (разрывных нарушений, зон трещиноватости и дробления, тектонически
ослабленных блоков пород, участков сейсмической активности,
характеризующихся повышенным эманированием), при которых
образуются естественные каналы для скопления и перемещения
к поверхности подземных газов (Не, СО
, Rn и др.). Над такими
2
комплексными аномалиями обычно отсутствует торон и корреляция в содержании радона и -активности;
— радиогидрогеохимическими — наличием участков гидротер-
мально измененных урановых пород, характеризующихся широкими областями радоновых вод.
Составление радиоэкологических карт потенциальной радоновой опасности основывается на обширном материале данных
радиогеохимического и геологического анализов. Выделяют три
категории территорий по степени радоноопасности:
1) безопасные — отсутствуют горные породы, являющиеся продуцентами радона; массивы горных пород не нарушены; содержание
радона в почвенном воздухе несколько десятков кБк/м
эксгаляции радона с земной поверхности 1 · 10
–6
–3 · 10–6 Бк/м2с.
3
; скорость
2) потенциально-опасные — присутствуют потенциально-опасные породы по урану; содержание радона в почвенном воздухе до
сотни кБк/м
–6
9 · 10
3
; скорость эксгаляции радона с земной поверхности
–12 · 10–6 Бк/м2с.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]