ЭКОЛОГИЯ / Литература / РАДИАЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ

2.2. Естественные источники ИИ

(Тфиз. = 3,05 мин), торий А-216 (Тфиз. = 0,158 с), актиний Ас-215 (Тфиз. = = 1,83 × 10-3 с), радий-214 (Тфиз. = 1,55 × 10-4 с), торий (Тфиз. = 3 × 10-7 с),

актиний (Тфиз. = 5 × 10-3 с).

Полоний является чистым альфа-излучателем, что позволяет широко использовать его в лабораторных исследованиях. В смеси с бериллием он представляет собой лучший источник нейтронов.

Свинец (Рв). Химический элемент с порядковым номером 82. Представляет собой синевато-серый мягкий ковкий металл с плотностью 11,34 г/см3 и температурой плавления 327,4°С, химически стойкий. Свинец имеет 3 устойчивых изотопа: свинец-206 (радий G), свинец-207 (актиний D), свинец-208 (торий D), и 4 радиоактивных: сви- нец-210 (радий D, Т = 22 года), свинец-212 (торий В, Т = 10,6 часа), сви- нец-211 (актиний В, Т = 36,1 мин), свинец-214 (радий В, Т = 26,8 мин).

Устойчивые изотопы свинца с массовыми числами 206, 207 и 208 являются конечными продуктами распада трех естественных радиоактивных рядов. Эти изотопы нерадиоактивны, но всегда присутствуют в радиоактивных рудах. Отношение количества нерадиоактивного свинца к содержанию радиоактивных элементов (урана, тория) в горных породах и рудах позволяет определить абсолютный возраст геологических образований. Остальные четыре изотопа свинца радиоактивны. Все они распадаются путем бета-излучения. Продукты распада радия D кроме бета-лучей выделяют альфа-лучи, поэтому из свинца-210 получают стандартные источники бета- и альфа-излучения.

Свинец применяют в качестве экранов и фильтров для гаммаизлучения. Применение его для экранирования альфа- и бета-излучения нецелесообразно, поскольку в свинце всегда содержится некоторое количество радиоактивных изотопов, особенно радия D. В природе встречаются и другие радиоактивные изотопы свинца (с массовыми числами 200, 201 и 203), но количество их ничтожно.

Содержание свинца в земной коре значительно (1,6 10-3%), концентрируется он, главным образом, в сульфидных минералах, имеющих

гидротермальное происхождение.

Естественные радиоизотопы, не входящие в радиоактивные се-

мейства. Кроме естественных радиоактивных элементов, являющихся членами трех рассмотренных выше естественных рядов, в природе имеются изотопы, генетически не связанные между собой, но обладающие радиоактивностью. Количество таких радиоизотопов превышает 200, период полураспада их колеблется от долей секунды до миллиардов лет.

41

Интерес для эколога представляют изотопы с большим периодом полураспада: калий-40, рубидий-87, самарий-147, углерод-14, лютеций176 и рений-187. Радиоактивный распад ядер этих элементов представляет собой изолированный акт, т.е. после распада образуется устойчивый дочерний изотоп. Как видно из таблицы 4, все перечисленные ядра подвержены бета-распаду, за исключением самария, который претерпевает альфа-распад.

Таблица 4 – Естественные радиоактивные изотопы, не входящие в семейства

Из шести приведенных естественных радионуклидов наибольший интерес представляет калий-40, ввиду его большой распространенности в земной коре. Природный калий содержит три изотопа: калий-39, ка- лий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08; 0,012; 6,91%.

Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. На один акт распада калия-40 приходится в среднем 0,893 бета-частиц с энергией 1311 кэВ и 0,107 гамма-квантов с энергией 1461 кэВ. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.

Рубидий. Природный рубидий состоит из двух изотопов: руби- дия-85 и рубидия-87. Радиоактивным является второй изотоп, который испускает мягкие бета-лучи с максимальной энергией 0,275 МэВ и гам- ма-лучи с энергией 0,394 МэВ.

Таким образом, наибольшее значение имеет 87Rb, второе место по количеству занимает радиоизотоп 40К, но радиоактивность 40К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов за счет того, что распад 40К сопровождается жестким бета- и гамма-излучением, а 87Rb характеризуется мягким бетаизлучением и имеет длительный период полураспада.

42

2.2. Естественные источники ИИ

Таблица 5 – Концентрация некоторых радионуклидов и мощности поглощенных доз в почвах различных типов

Самарий. Из семи известных изотопов этого элемента только са- марий-147 является радиоактивным. Его доля в природном самарии составляет около 15%. Он испускает альфа-лучи с энергией 2,11 МэВ, пробег которых в воздухе составляет 11,6 мм.

Лютеций. Известно несколько его изотопов, но радиоактивен только лютеций-176. Подобно калию, он распадается двумя путями: бе- та-распадом и К-захватом. Максимальная энергия бета-лучей около 0,4 МэВ. Гамма-излучение обладает энергией 0,270 МэВ.

Рений. Радиоактивным является изотоп рений-187, доля которого в природном рении составляет 63%. Испускает бета-лучи с энергией

0,04 МэВ.

Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89%). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-14 (1,11%).

Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и уг- лерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.

В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 109 атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и

43

ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.

Наиболее весомыми из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий запаха и вкуса, тяжелый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) газ радон, который вместе с другими дочерними продуктами распада ответственен за 75% годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от земных источников радиации и за 50% дозы от всех естественных источников радиации. Радон в виде 222Rn и 220Rn выделяется из земной коры повсеместно, но основную дозу человек получает находясь в закрытом, непроветриваемом помещении (уровень радиации выше в 8 раз, чем в наружном воздухе) за счет следующих источников: поступление из почвы, фундамента, перекрытия; высвобождение из строительных материалов жилых помещений составляет 60 кБк/сут., из наружного воздуха проникает 10 кБк/сут., высвобождается из воды, используемой в бытовых целях – 4 кБк/сут., выделяется из природного газа при его сгорании – 3 кБк/сут.

Больших концентраций радон достигает в помещениях, если дом стоит на грунте с повышенным содержанием радионуклидов или если при его строительстве использованы материалы с повышенной радиоактивностью.

Таблица 6 – Средняя удельная радиоактивность строительных материалов

Примечание. В таблице представлены материалы НКДАР ООН, 1982 год.

44

2.2. Естественные источники ИИ

По сведениям ученых Марийского государственного университета (Новоселов Г.Н., Леухин А.В., Ситников Г.А., 1997) наиболее высокой удельной активностью обладал каменноугольный шлак (Аэфф. = = 437 Бк/кг), гранит. Более низкая удельная радиоктивность была у мрамора, керамического кирпича (Аэфф. = 335 Бк/кг), силикатного кирпича (Аэфф. = 856 Бк/кг), песка строительного (Аэфф. = 114 Бк/кг). Для бетона характерен достаточно большой диапазон вариации удельной радиоактивности.

Вкачестве других источников земной радиации следует назвать каменный уголь, фосфаты и фосфорные удобрения, водоемы и др.

Вцелом естественные источники ИИ ответственны примерно за 90% годовой эффективной эквивалентной дозы облучения, из этой дозы на долю земных источников приходится 5/6 частей (в основном за счет внутреннего облучения), на долю космических источников – 1/6 часть (в основном путем внешнего облучения).

2.2.2.1. Радиоактивность оболочек Земли

Первые наблюдения радиоактивности почв и горных пород были проведены в самом начале XX века. Последующие исследования показали, что все объекты географической оболочки обладают определенной радиоактивностью. Общее представление о порядке наиболее часто наблюдаемых величин естественной радиоактивности почв, растений, земной коры и гидросферы можно видеть в таблице 7.

Таблица 7 – Среднее содержание естественных радионуклидов в разных объектах географической оболочки Земли (по А.П. Виноградову, Л.А. Перцову)

2.2.2.2. Радиоактивность горных пород

Ораспределении радиоактивных элементов в толще земной коры

илитосферы в целом, на глубинах недоступных непосредственному наблюдению, можно судить только на основании косвенных фактов и об-

45

щих представлений о строении Земли. В настоящее время наибольшим признанием пользуется концепция, согласно которой радиоактивность пород падает с глубиной, но все же остается измеримой до весьма значительных глубин. Резко выраженное накопление радиоактивных элементов в гранитном слое континентальной коры, установленное Стреттом еще в 1906 году, подтвердилось последующими исследованиями.

Средние значения концентраций радиоактивных элементов в горных породах приведены в таблице 8, а в таблице 9 дана удельная активность горных пород в отношении естественных радионуклидов по данным ВНИИФТРИ (1996). Из этих данных видна основная геохимическая закономерность уменьшения содержания радиоизотопов с увеличением основности магматических пород. Наибольшее содержание естественных радионуклидов наблюдается в изверженных породах кислого и щелочного состава, богатых калием. Основными носителями радиоактивных элементов в этих породах являются акцессорные минералы:

Таблица 8 – Распространеность радиоактивных элементов в горных породах, мас. % (по А.П. Виноградову)

46

2.2. Естественные источники ИИ

циркон, монацит, ксенотим, ортит, апатит и сфен. Что касается главных породообразующих минералов, то установлено, что салические минералы (в первую очередь полевые шпаты) обладают в среднем в 3 раза большей радиоактивностью, чем фемические. Поэтому на практике существует эмпирическое правило: магматические породы светлых оттенков более радиоактивны, чем темные.

Наиболее высокой радиоактивностью среди осадочных пород обладают глинистые сланцы и глины. Содержание радионуклидов в них приближается к таковому в кислых изверженных породах – гранитах. На основании анализа многочисленных диаграмм гамма-каротажа глубоких скважин и результатов лабораторного радиометрического изучения большого количества образцов осадочных горных пород было выявлено, что среди них наименьшей радиоактивностью обладают чистые химические и органические осадки (каменная соль, гипс, известняки,

доломиты, кварцевые пески, кремнистые сланцы, яшмы). Морские осадки в целом более радиоактивны, чем континентальные.

2.2.2.3. Радиоактивность почв

Главным источником радиоактивных элементов в почвах следует считать почвообразующие породы. Поэтому почвы, развитые на кислых магматических породах, относительно обогащены радиоактивными элементами (ураном, радием, торием, калием), а почвы, образованные на основных и ультраосновных породах, бедны ими. Глинистые почвы почти везде богаче радиоизотопами, чем песчанистые.

Почвы, как рыхлые образования, по вещественному составу близки к осадочным породам, поэтому они во многом подчиняются закономерностям распределения естественных радионуклидов в отложениях этого генезиса. Тонкая коллоидная фракция почв, с которой связаны обменносорбционные процессы, обогащена радиоактивными элементами по сравнению с более крупными частицами. То же самое касается и органической составляющей почв. Однако прямой зависимости между радиоактивностью почв и количеством органического вещества в них не наблюдается. В таблице 10 приведена удельная активность основных типов почв по данным ВНИИФТРИ (1996). По данным А.П. Виноградова содержание радия в верхнем горизонте почв колеблется от 2,8 до 9,5×10-10%. Причем в большинстве почв наблюдается резкое смещение радиоактивного равновесия между ураном и радием в сторону последнего, что связано с выщелачиванием урана грунтовыми водами.

47

Таким образом, радиоактивность почв в основном обусловлена природными радиоизотопами 40K и 87Rb. Радиоизтоп калий-40 накапливается в пищевых продуктах растительного и животного происхождения в разной степени (табл. 11).

Таблица 11 – Содержание 40 К в пищевых продуктах

Под влиянием испытаний ядерного оружия и техногенных факторов почвы повсеместно загрязнены искусственными радионуклидами. Например, средняя плотность загрязнения верхних слоев почв северного полушария радиоактивным цезием составляет 0,12 Ки/км2.

48

2.2. Естественные источники ИИ

2.2.2.4. Радиоактивность природных вод

Содержание естественных радионуклидов в морских и речных водах показано в таблице 12 . По содержанию урана морские воды приближаются к ультраосновным горным породам – дунитам и значительно обеднены торием по сравнению с последними.

Радиоактивность речных и озерных вод зависит от источника их питания. Дождевые, снеговые и ледниковые воды содержат небольшое количество солей, поэтому водоемы горных районов высоких широт, имеющие этот источник питания, практически стерильны в отношении естественных радионуклидов.

Природные радионуклиды поступают в открытые водоемы суши в основном с подземными водами. Грунтовые и межпластовые воды, питая озера и реки, определяют уровни природной радиоактивности воды этих водоемов. Поэтому радиоактивность воды рек и озер подвержена значительным колебаниям. Она напрямую зависит от химического и минерального состава дренируемых ими горных пород, в которых располагаются чаши озер или водосборы рек. К другому важному фактору, влияющему на степень радиоактивности воды открытых водоемов, относится климат, от которого зависит степень химического выветривания горных пород, являющихся основным поставщиком природных радионуклидов.

Наконец, концентрация радиоизотопов в озерах зависит от степени водного обмена. Бессточные озера в районах с засушливым климатом могут быть значительно обогащены радиоактивными элементами за счет сильного испарения застойной воды.

Если исключить реки, дренирующие урановые рудные районы, то можно считать, что речные воды отличаются пониженным относительно морских вод содержанием урана, радия, тория, калия и радона, хотя есть и исключения из этого правила (например, Сыр-Дарья). В таблице приведено содержание урана в некоторых реках, по данным Д.С. Николаева.

Таблица 12 – Содержание урана в воде некоторых рек

49

В период паводка радиоактивность речной воды снижается, а в межень – повышается. Зимой, когда реки покрываются льдом, наблюдается повышенное содержание в воде радиоактивных газов – радона и торона.

Подземные воды бывают значительно обогащены ураном, радием, торием и радоном по сравнению с поверхностными. Количество радиоактивных элементов в них зависит от вещественного состава вмещающих пород и химизма самих вод. В гидрогеологии принято выделять радоновые, радиевые и урановые воды, в зависимости от преобладания в их составе того или иного радиоактивного элемента. Существуют и смешанные воды: радоно-радиевые, урано-радиевые, радиево-мезото- риевые. Концентрация радия в подземных водах может достигать

2,5 10-11%, а урана – 3 10-5%.

Еще в тридцатые годы XX столетия В.Г. Хлопиным была замечена повышенная концентрация радия в воде нефтяных месторождений. В настоящее время, в результате интенсивной эксплуатации месторождений углеводородного сырья это приводит к накоплению природных радионуклидов на технологическом оборудовании и трубопроводах нефтяных и газовых месторождений. На отдельных месторождениях мощность экспозиционной дозы от оборудования достигает 6 мР/ч, а удельная активность природных радионуклидов в шламе превышает 105 Бк/кг. Следствием этого является неконтролируемое облучение персонала и населения.

2.2.2.5. Радиоактивность атмосферного воздуха

Атмосфера Земли всегда содержит газообразные радиоактивные вещества в виде инертных газов – радона, торона и актинона, источником которых являются эманирующие горные породы. Радиоактивные эманации, попадая из почвы в атмосферный воздух, затем разносятся горизонтальными и вертикальными воздушными потоками. В свою очередь радиоактивные газы, претерпевая распад, превращаются в твердые радиоизотопы, которые выпадают на поверхность Земли в виде активных осадков.

Актинон и торон не являются долгоживущими. Период полураспада первой эманации равняется всего лишь 3,92 с, а второй – 54,5 с, поэтому они встречаются в небольших количествах лишь в самых нижних слоях атмосферы вблизи земной поверхности. Период полураспада радона более значителен (3,82 сут.), вследствие чего сама эманация и продукты ее распада транспортируются ветром на большие расстояния от места выделения.

50