4.2 Земная радиация

Основной вклад в формирование естественного радиоактивного фона вносят радионуклиды, содержащиеся в горных породах: калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств урана-238 и тория-232.

Калий-40 (Т_1/2=1,3 млн лет) встречается в виде трех изотопов — калий-39, калий-40 и ка­лий-41, из которых радиоактивен только калий-40, усваивающийся организмом вместе со стабильными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Соотношение изотопов в составе природного калия соответствует: ка­лий-39 — 93,08 %, калий-41 — 6,91 %, ка­лий-40 — 0,01 %, причем он усваивается любым организмом без изменения изотопного состава. В наибольших концентрациях калий-40 содержится в фосфатно-калийных и азотно-фосфорно-калийных удобрениях, с которыми он попадает в сельскохозяйственные культуры и пищу. Лучшими аккумуляторами калия среди культурных растений являются: фасоль, картофе­ль, орехи и клюк­ва; среди дикорастущих - мак­симальные значения характерны для высших цветковых растений; несколько ниже они у голосемянных и минимальны — у мхов и лишайников. Особенно велика роль калия-40 при внутреннем облучении организма, т.к. калий активно по­глощается организмом из окружающей сре­ды и участвует в обмене веществ. Калий-40 является основным естественным бета-излучателем, содержащимся в теле лю­бого представителя флоры и фауны (4,98).

Рубидий-87 (Т_1/2=61 млрд лет) является хи­мическим аналогом калия и встречается всегда вместе с ним. Рубидий имеет два изотопа — стабильный рубидий-85 и радиоактивный рубидий-87, который рас­пространен в окружающей среде в микро­количествах. Это радионуклид с «мягким» бета-излучением (99).

Радиоактивные семейства (ряды) – это генетически связанные последовательным радиоактивным распадом цепочки (ряды) ядер естественного происхождения. В природных рядах наблюдается только α- и β- распад.

Семейство урана. В природе уран состоит из трех изото­пов — уран-238 (Т_1/2=4,5 млрд лет), уран-235 (Т_1/2=0,7 млрд лет) и уран-234 (Т_1/2=248 тыс. лет). Ос­новную массу составляет уран-238 (99,28 %). Однако, уран-234 является аль­фа-излучателем и имеет меньший период полураспада, поэтому он вносит почти такой же вклад в облучение окружающей среды, как и уран-238 (1, 29).

Основная часть природного урана находится в мелкодисперсном состоянии в горных породах и почвах, а также в океанах, морях, озерах и реках. Однако встречаются и урановые провинции, где на многие сотни километров вокруг отмечается повышенное содер­жание урана во всех компонентах биогеоценозов. Известны урановые провинции в США (плато Колорадо, урановые месторождения в штатах Вайоминг, Дакота, Невада, Вашинг­тон), на западе Аргентины, вдоль Бразиль­ского горного щита и на юге Африки, а также во Франции, в Чехии и Словакии.

Например, эквивалентная доза, получаемая 12-тысячным населением курортного города Гуапари (Бразилия), в 800 превосходит средний уровень и достигает 250 мЗв/год.

В организме млекопи­тающих уран накапливается в основном в костной ткани, причем более интен­сивно в молодых организмах. Население Западной Австралии, про­живающее в районах с повышенной концен­трацией урана, питающееся мясом овец и кенгуру, получает дозы, в 75 раз превосхо­дящие средний уровень (7,3). Среди растений лучшими аккумуляторами являются мхи.

В процессе распада родоначальника семейства урана-238 образуется ряд продуктов, которые вносят значительный вклад в формирование естественного радиационного фона.

Радий-226 (Т_1/2=1620 лет) —испускает альфа-излу­чение и гамма-излучение. Он сопут­ствует урану в местах его накопления и встречается повсеместно. Активно накапливается в растениях и рыбе, откуда по­ступает в организм млекопитающих, накапливаясь в основном в костях скелета, а также мяг­ких тканях (55).

Рассеянный в земных породах ра­дий-226 непрерывно распадается с образо­ванием инертного благородного газа — радона-222 (Т1/2=3,82 суток). Это коротко живущий альфа-излучатель, который при распаде дает ряд дочерних, тоже радиоактивных нуклидов, излучающих альфа-, бета- и гамма-лучи.

Наибольший вклад в радиоактивное облучение человека вносит именно радон. Он ответственен за 3/4 годовой дозы облучения, получаемой людьми от земных источников радиации и примерно за половину этой дозы от всех природных источников. Радон не вступает в химические связи с другими элементами, но сравнительно хо­рошо растворим в воде, и способен ми­грировать на значительные расстояния, что создает благоприятные условия для рассея­ния в биосфере долгоживущих продуктов его распада. При альфа-распаде образуется целый ряд более опасных изотопов: полная цепочка распада выглядит так: Радий-226 (Т1/2=1600 лет) альфа-распад => Радон-222 (Т1/2=3,82 дня) альфа-распад => Полоний-218 (Т1/2=3,11 минуты) альфа-распад => Свинец-214 (Т1/2=26,8 минуты) бета-распад => Висмут-214 (Т1/2=19,9 минуты) бета-распад => Полоний-214 (Т1/2=163 микросекунды) альфа-распад => Свинец-210 (Т1/2=22,3 года) бета-распад => Висмут-210 (Т1/2=5,01 дня) бета-распад => Полоний-210 (Т1/2= 138 дней) альфа-распад => Свинец-206 (устойчивый). Короткоживущие продукты распада не представляют особой опасности, поэтому наибольшее значение в этой цепочке имеют наиболее долгоживущие свинец-210 и полоний-210. В растения эти изотопы поступают из почвы через корневую систему, а также через листья с дождевой влагой. Например, обнаружено, что со­держание свинца-210 в траве боль­ше соотносится с количеством осадков, чем с его содержанием в почве. Свинец-210 наиболее сильно аккумулируется лишайниками (содержание в 50 раз выше, чем в высших расте­ниях) и мхах (в 20—30 раз выше).

Поэтому в районах Крайнего Севера в нашей стране, а также в Скандинавских странах, США и Канаде от­мечается повышенная концентрация ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро в пищевых цепоч­ках и организме человека. Повышенное поступле­ние свинца-210 и полония-210 связано с пищевой цепочкой лишайник—олень—человек. Оленина является основным источником мяса для оленеводов и коренных жите­лей этих районов, а из-за длительного выпаса оленей на пастбищах с лишайниками, характеризующимися интенсивным накопле­нием свинца и полония, мясо оленей отличается высокой концентрацией этих радионуклидов. Главным путем перехода РЬ и Ро в лишайники, не имеющие корневой системы, является поступление из воздyxa. Вследствие большой сорбционной способности фитомассы лишайников, экспонированной к содержащимся в воздухе свинцу и полонию, и большой продолжительности жизни лишайников (свыше 300 лет), они характеризуются высокой концентрацией ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро. Период полуочищения лишайников от этих изотопов, по расчетам, равен 7 годам, т. е. эти радионуклиды выводятся очень медленно (2,37).

Олень потребляет ежесуточно 3—4 кг лишайников, что приво­дит к поступлению в его организм около 10 нКи ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро. Кон­центрация этих изотопов в скелете оленя колеблется соответственно в пределах 1,5—5,8 и 2,0—5,0 нКи/кг сырой массы. Количество полония в оленине в зависимости от сезона может изменяться в четыре раза, достигая минимума ранней осенью, когда помимо лишайников в рационе значительное место занимают другие корма.

Поступление свинца в рацион коренных жителей в районах Край­него Севера превышает переход этого радионуклида для регионов с «нормальным» пищевым поступлением не очень значительно, а для полония оно больше в среднем в десять раз (среднее поступле­ние ²¹⁰Ро на Крайнем Севере с пищевыми продуктами принимает­ся равным 100 пКи/сут). В крови, плаценте и гонадах коренных жителей Край­него Севера концентрация свинца и полония в 2—12 раз выше, чем у жителей Западной Европы (1,38).

Очень большое количество ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро содержится в съедобных частях водных организмов: в мышцах рыб и моллюсках. Если роль этих пищевых продуктов в рационе значительна (как, напри­мер, в Японии), то общее поступление этих радионуклидов в организм человека существенно выше.

Радон выделяется из почвы практически по всей поверхности земли. Хотя радон в 7,5 раз тяжелее воздуха, он выталкивается на поверхность избыточным давлением из недр. Средние мировые значения объемной активности радона в наружном воздухе на высоте 1 м от поверхности земли составляют от 7 до 12 Бк/м³ фоновое значение). На территориях с насыщенными радоном грунтами эта величина может достигать 50 Бк/м³. При возведении здания участок поверхности земли изолируется цоколем или фундаментом здания от окружающего пространства. Поэтому радон, выделяющийся из залегающих под зданием грунтов, не может свободно рассредоточиваться в атмосфере, и проникает в здание, где его концентрация в воздухе помещений становится выше, чем в наружном воздухе(рис.15).  Основную часть дозы человек получает с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых или плохо проветриваемых помещениях. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем пример­но в 8 раз выше, чем в наружном воздухе (78).

Рис 15. Пути проникновения радона в жилой дом (125).

Максимальная концентрация радона наблюдается в подвалах и на первых этажах зданий. При измерениях уровня радона в городах Республики Беларусь установлено, что в отдельных подвальных помещениях концентрация радона превышает санитарно-гигиеническую норму в 7 раз, в полуподвальных - в 2,5 раза и на первых этажах - в 1,5-2,5 раза.   Наиболее распространенные строи­тельные материалы (дерево, кирпич и бе­тон) выделяют относительно немного радо­на. Гораздо большей удельной радиоактив­ностью обладает гранит. Использование в изготовлении строительных материалов отходов производства аллюминия (кирпич из красной глины), черной металлургии и побоч­ных продуктов переработки фосфорных руд: кальцийсиликатный шлак (при производст­ве бетона) и фосфогипс (при изготовлении строительных блоков, сухой штукатурки, перегородок и цемента) приводит к увеличению концентрации радона в строениях (рис.16).

Рисунок 16. Соотношение доз облучения, связанных с радоном (126).

Выделения радона из поверхностных водных источников, а также из сжигаемых в котлах дизельного топлива или природного газа, обычно пренебрежимо малы. Однако радон хорошо растворяется в воде, поэтому высокое содержание радона может быть в воде, подаваемой в здания непосредственно из скважин глубокого заложения. Эксперты Международного агентства по исследованию рака [ICRP,1994] считают, что из воды в здания поступает до 20% радона. Вода является одним из источников обогащения радоном жилых помещений. Концентрация его в воде из глубо­ких колодцев или артезианских скважин может достигать 100 млн Бк/м³. При кипя­чении воды радон в значительной степени улетучивается, поэтому основную опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие с вдыхае­мым воздухом.

Радон может поступать в жилые помеще­ния и с природным газом. При его переработке и хранении большая часть радона уле­тучивается, но концентрация радона в поме­щении может заметно возрасти, если кухон­ные плиты, в которых сжигается газ, не снаб­жены вытяжкой. Поэтому необходимо часто проветривать помещения, особенно кухни и ванные комнаты (Рис.17).

Рисунок 17. Накопления радона в различных помещениях (127).

Сле­дует отметить, что в некоторых курортных городах, из­вестных своими радиоактивными источниками, таких, как Цхалтубо, Хмельник, Пятигорск, Белокуриха в СССР, Баден-Баден, Висбаден в ФРГ, Брамбах в Германии, Масутами-Спрингс в Японии и других, уровень ра­дона значительно выше средних значений, но именно это привлекает миллионы туристов ежегодно (100,5).

Семейство Тория. Вторым после урана широко распрост­раненным естественным радионуклидом яв­ляется торий-232 (Т1/2=14 млрд лет). Сам торий является аль­фа-излучателем, однако в зонах его распространения естес­твенный радиоактивный фон повышается за счет электронов, испускаемых дочерними продуктами распа­да.

Из дочерних продуктов распада наиболее долгоживущими является радий-228 (Т1/2=6,7 лет) и торий-228 (Т1/2=1,9 года). Остальные продукты распада (актиний-228, радий-224, радон-220, полоний-216, свинец-212, висмут-212, тулий-208) короткоживущие, их период полураспада составляет от нескольких часов до нескольких секунд. Торий встречается и в виде крупных месторождений, и в рассеянном состоянии во всех породах и водах. Его повышенное содержание обнаружено в Бразилии (шта­ты Эспириту-Санту и Рио-де-Жанейро), в Индии (штаты Керала и Тамилнад), в горных районах Франции, Ни­герии, Ирана, Италии, Мадагаскара; в поч­вах 33 штатов США и зоны ма­лого Кавказа и Азербайджана. В приземном слое атмосферы концентра­ция тория сильно колеблется в зависимос­ти от ее запыленности (4).

Из горных пород и почв торий-232 и продукт его распада радий-228 путем выщелачивания поступают в воду. Из почвы торий в небольшом количестве поступает в рас­тения. Исследования, проведенные в Бе­лоруссии, показали, что наилучшими аккумуляторами тория-232, содержащегося в поверхностном слое, являются черника, вереск и лишайники. Среди животных максимальное содержа­ние тория зафиксировано в наземных мол­люсках. Среди пищевых растений наиболее активно накапливают торий помидоры, далее следуют огурцы, сахарная свекла, го­рох, капуста и столовая свекла. В организме человека торий накапливается в костной и мягких тка­нях (58).

В морской воде то­рий-232 присутствует в очень малой концен­трации, однако, морские организ­мы накапливают его в значительном ко­личестве. Например, коэффициенты накопления (отношения концентрации в организме к концентрации в воде) для разных типов планктона колеблются от 560 до 1400. Торий при распаде выделяет инертный радиоактивный газ торон-222, который в настоящее время называется радон-222 и его поведение в среде аналогично описанному выше.

Семейство актиния (урана-актиния) начинается с урана-235 (Т_1/2=0,7 млрд лет) и заканчивается стабильным свинцом-207. Среди продуктов распада, большинство из которых являются короткоживущими, встречаются два долгоживущих изотопа: протактиний-231 (Т_1/2=32760 лет) и актиний-227 (Т_1/2=21.772 года). Первый является α-излучателем, второй - β-излучателем. Содержание в земной коре крайне невелико, поэтому представители данного семейства не оказывают заметного слияния на биосферу.

Все три радиоактивных семейства связаны между собой (рис.18).

Рисунок 18. Сотношение различных естественных источников облучения (128).