Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007
.pdfОднако за счет кулоновских сил эти образования могут притягиваться, и в результате ассоциации таких гидратированных ионрадикалов независимо от количества молекул воды в оболочке образуется нейтральный кластер, например, типа (рис.2.1, б)
NO3– (H2O)n H3O+,
устойчивость которого определяется как ионной, так и ковалентной связями. Происходит как бы экранировка атмосферных ионов дипольными молекулами воды – для рекомбинации волновые функции должны «просочиться» через этот барьер и, как следствие, наблюдается значительная задержка рекомбинации. Такое образование довольно устойчиво и в стационарном случае при фоновой интенсивности ионизации в атмосфере могут присутствовать порядка 105 нейтральных кластеров в 1 см3.
Линейный размер такого образования представляет собой несколько нанометров. Существование таких кластеров подтверждается в некоторых физических эффектах:
аномальные локальные вариации вертикальной составляющей приземного электрического поля;
лектромагнитное излучение в приземном слое из локальных объемов атмосферы.
Рассмотрим несколько примеров аномальной вариации приземного электрического поля, которые не объяснить при наличии обычного уровня ионизации атмосферы. Во-первых, это скачки атмосферного электрического поля при прохождении тумана над прибором (рис. 2.2). В обычных условиях в атмосфере недостаточно ионов для необходимого разделения зарядов у земной поверхности, чтобы сформировать такое сильное поле. Но если предположить, что плазма влажного атмосферного воздуха состоит преимущественно из сложных кластерных ионов, в состав которых входят не менее 40 молекул воды, то эти кластерные ионы быстро облепляются молекулами воды, являясь центрами конденсации или прилипают к более крупным капелькам воды, наиболее крупные из которых (преимущественно отрицательные) затем выпадают на землю, создавая наблюдаемое разделение зарядов. И это при фоновом значении уровня ионизации, когда, как было сказано вы-
ше, в атмосфере присутствует порядка 105 нейтральных кластеров в 1 см3.
31
Рис. 2.2. Пример вариации вертикального атмосферного поля при тумане
Рис.2.3. Пример вариации электрического поля атмосферы при искусственной ионизации
При наличии внешнего источника ионизации количество кластеров в стационарном режиме увеличивается, что в свою очередь приводит к локальным скачкам электрического поля у поверхности. В 1938 году был проведен эксперимент, когда с помощью огромного числа рентгеновских ламп, установленных на 10-метро- вой башне, был значительно повышен уровень ионизации во всей округе. Результат этого эксперимента представлен на рис. 2.3.
32
В современный же период искусственная ионизация может быть вызвана в основном радиоактивными загрязнениями при испытаниях или при производстве. На рис. 2.4 представлены вариации электрического поля после подземного ядерного взрыва в районе испытаний.
Рис. 2.4. Атмосферное электрическое поле в районе подземных ядерных испытаний. 0 – момент взрыва
В некоторых натурных экспериментах наблюдения локальных ионизированных областей атмосферы был зарегистрирован (в основном перед землетрясениями) радиочастотный сигнал. Одной из причин появления электромагнитного излучения могут быть вра- щательно-вращательные переходы соответствующих диполей – в данном случае нейтральных кластеров, рис. 2.1. Предполагается, что стационарное состояние нейтральных кластеров было возбуждено неким внешним воздействием и пришли в действие враща- тельно-вращательные переходы этих дипольных образований. Согласно расчетам максимум электромагнитного излучения должен был лежать в диапазоне 150–200 МГц. Что в принципе наблюдается на практике. В нашем случае таким источником является появление радиоактивных загрязнений.
33
2.3.Воздействие ионизирующих излучений на биологические объекты: планктон, травянистый и лесной покров
Биоиндикация – традиционное направление экологических исследований, которое применительно к животному миру ставило своей задачей изучение факторов адаптациогенеза, а также характеристик сред их обитания по факторам, имеющим важное биологическое значение. В последнее десятилетие успешно стало развиваться новое направление в биоиндикации - контроль за состоянием окружающей среды, что вызвано резким возрастанием нагрузки на живые организмы от новых, антропогенных факторов.
Сейчас в биоиндикации четко выделяются три главных направления:
1.Биологическая индикация действия на организмы естественных природных факторов (действие климата, почвенного и растительного покрова, взаимоотношений между животными и т.п.).
2.Анализ процессов изменения модификации естественных факторов человеком: биологическая мелиорация земель, эксплуатация биологических ресурсов, экологические результаты интродукции новых для региона видов животных и растений и т.п.
3.Комплекс экологических явлений, которые происходят под влиянием процесса, получившего не совсем точное, но всем понятное название «загрязнение биосферы».
На наш взгляд, биоиндикация должна стать основным методом
вэкологическом космическом мониторинге по причине соответствующего уровня развития аппаратуры.
Многолетний опыт контроля за состоянием окружающей среды, особенно водных ресурсов, показывает ряд преимуществ, которыми обладают "живые" индикаторы:
1) они могут реагировать даже на относительно слабые антропогенные нагрузки вследствие эффекта кумуляции дозы (при длительном воздействии);
2) суммируют действие всех без исключения биологически важных антропогенных факторов;
3) регистрируют химические и физические параметры, характеризующие состояние окружающей среды;
34
4)фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений;
5)вскрывают тенденции развития окружающей среды;
6)указывают пути и места скопления в экологических системах различного рода загрязнений и ядов и возможные пути попадания этих агентов в пищу человека.
Источники и пути поступления искусственных долгоживущих радионуклидов в биосферу
В настоящее время практически во всех объектах окружающей среды присутствуют в рассеянном виде искусственные радионуклиды, что является следствием применения атомной энергии в различных целях в течение последних четырех десятилетий. Из всех изотопов, образующихся при ядерных и термоядерных взрывах, шесть обусловливают основную дозу облучения, получаемого человеком (табл. 2.4).
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.4 |
||
|
|
Наиболее биологически значимые радиоизотопы, |
||||||
|
|
входящие в состав радиоактивных осадков |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Изотоп |
Период |
Количество образующейся |
Вид |
|||||
активности, |
||||||||
полураспада |
излучения |
|||||||
|
|
|
|
Ки/Мт мощности взрыва |
|
|
||
239Pu |
|
2,4 104 лет |
|
3,6 103 |
|
α, γ |
|
|
|
|
|
|
|||||
40Sr |
|
28 лет |
|
1,0 105 |
|
β |
|
|
89Sr |
|
51 день |
|
1,7 107 |
|
γ |
|
|
137Cs |
|
27 лет |
|
1,4 105 |
|
β, γ |
|
|
131I |
|
8 дней |
|
7,3 107 |
|
γ |
|
|
14C |
|
5600 лет |
|
2,72 103 |
|
β |
|
|
В результате взрыва или других антропогенных процессов в тропосферу попадают мелкие аэрозольные частицы и находятся в ней до 30 суток, выпадая на землю. При взрыве в стратосферу уходит большая часть радионуклидов, которые глобально перемещаются в стратосфере и затем долгое время выпадают в разных количествах на различные участки поверхности всего земного шара.
35
Обстоятельные работы выполнены по радиочувствительности растений на всех стадиях развития; в СССР, США и некоторых других странах осуществлены сложные эксперименты по изучению действия облучения и радиоактивного загрязнения среды на растительный покров. Древесные растения, особенно хвойные породы, довольно чувствительны к действию ионизирующего излучения (хвойные породы в 5–10 раз чувствительнее лиственных). А травянистые растения в среднем в 10 раз устойчивее к действию радиации, чем деревья. Низшие растения (мхи, водоросли, лишайники) исключительно устойчивы к действию радиации, и угнетение их жизнедеятельности наблюдается при кумулятивных дозах, равных десяткам, а нередко и сотне рентген. А наиболее устойчива в биоценозе к действию ионизирующей радиации почвенная микрофлора.
Биоиндикация-1
Одной из экологических проблем является радиоактивное загрязнение океана от источников различных типов. Задача контроля над этими загрязнениям может быть решена при использовании методов дистанционного зондирования. Так, в течение ряда лет в Институте общей физики РАН поводились исследования, которые показали, что один из путей решения проблемы – дистанционное измерение спектров флуоресценции фитопланктона (фотосинтезирующие одноклеточные и микроскопические одиночные или колониальные водоросли), который, как известно, очень широко распространен в океане и может быть использован как естественный биологический маркер различных загрязнений.
В проведенных экспериментах были, в частности, исследованы изменения, происходящие в форме спектра флуоресценции фитопланктона под воздействием радиации. Сравнивались флуоресцентные спектры образцов фитопланктона, которые были выращены и поддерживались в течение всего эксперимента в абсолютно одинаковых условиях (температура, освещение и т.д.). Единственным различием между сравниваемыми образцами фитопланктона была величина полученной данным образцом радиоактивной дозы облучения.
36
Гамма-облучение образцов проводилось на микротроне тормозным излучением электронов с энергией 30 МэВ или гаммалучами от радиоактивного источника нейтронов (Ra-Be). После облучения радиацией в образцах фитопланктона излучением азотного лазера возбуждалась флуоресценция. Оптическая система фокусировала флуоресцентное излучение фитопланктона на входную щель полихроматора, оптически сопряженного с многоканальным спектроанализатором. Для одновременной записи спектров флуоресценции в относительно широком диапазоне 320– 720 нм использовалась дифракционная решетка с относительно малой дисперсией – 150 штр./мм.
Рис. 2.5. Спектры флуоресценции образцов фитопланктона, находящегося под действием жесткого излучения: a – контрольный образец; б – стимулирующий эффект малой дозы в несколько десятков рентген; в – стимулирующий эффект средней дозы в несколько сотен рентген; г – эффект стагнации фитопланктона при сильной дозе в несколько сотен тысяч рентген
В качестве примера на рис. 2.5 приведены характерные спектры флуоресценции при одновременном облучении нескольких образцов фитопланктона на микротроне тормозным излучением электронов. Было обнаружены характерные изменения в спектре флуоресценции фитопланктона в диапазонах
450–480 и 650–700 нм при разных дозах облучения.
Таким образом, измеряя спектр флюоресценции водоемов, можно надеяться получить информацию о возможном радиоактивном загрязнении. Следует заметить, что характерные изменения в спектре для данного типа загрязнения отличаются от спектров при химических загрязнениях, температурных или световых изменениях в окружающей среде.
37
В качестве источника зондирующего излучения может использоваться Солнце. В частности, классические спектрофотометрические методы исследования поверхности Земли, использующие Солнце в качестве источника световой энергии, широко применяются для оценки урожайности, контроля загрязнений, составления метеопрогнозов, исследования биопродуктивности океана и контроля параметров атмосферы. Собственно изменение спектрального состава восходящего от объекта излучения по сравнению с исходным (падающим), возникает в результате следующих процессов: спектрально-селективного поглощения излучения в атмосфере и объекте зондирования, спектрально-селективного диффузного отражения, упругого (без изменения частоты) рэлеевского Мирассеяния оптического излучения, возбуждения флуоресценции и неупругого (комбинационного) рассеяния. Прежде всего, излучение Солнца проходит через атмосферу, частично поглощается и рассеивается (в частности, именно рэлеевское рассеяние обусловливает голубой цвет неба) и уже излучение с трансформированным спектром падает на объект зондирования. Далее происходит селективное отражение от поверхности объекта как прямого света источника, так и света, рассеянного в атмосфере и в окружающих объектах. Этот процесс дает второй вклад в сигнал, принимаемый аппаратурой. Наконец, часть света, проникающего в объект зондирования, испытывает там селективное поглощение, рассеяние, возбуждает флуоресценцию и комбинационное рассеяние, и все эти процессы также вносят свой вклад в суммарную амплитуду сигнала и определяют результирующую цветность или спектральный состав сигнала.
Таким образом, представляется возможным проведение мониторинга радиоактивного загрязнения поверхности путем картирования спектров флуоресценции в диапазоне длин волн 320–720 нм. Данный эффект есть результат реакции живых организмов на радиоактивное загрязнение, в частности, изменение цветности фитопланктона в водоемах и шельфовой зоне океана, который наиболее быстро реагирует на изменение концентрации радиоактивных веществ.
38
Биоиндикация-2
Состояние процессов жизнедеятельности биоорганизмов на поверхности Земли, например, растительного покрова, так же, как фитопланктона в водоемах, сильно зависит от загрязнения окружающей среды и выражается в резких изменениях её характеристик, влияющих на рассеяние света. Растительный покров также чувствителен к изменению радиоактивного фона. Однако его реакция на загрязнение более медленная, чем у фитопланктона и носит накопительный, интегральный характер. Этот эффект, вероятно, можно использовать для мониторинга радиоактивного загрязнения, вызванного, например, применением слаборадиоактивных боеприпасов на территории бывшей Югославии и Ирака.
В Институте радиотехники и электроники РАН (ИРЭ) группой В.В. Ефременко проводились работы по обработке спектрозональных изображений поверхности Земли, подверженной радиоактивному загрязнению. Известно, что почвы имеют возрастающую спектральную, а растительные сообщества вогнутую спектральную кривые с минимумом в красной зоне видимого диапазона, локальным максимумом в зеленой зоне и резким скачком спектральной яркости в ближней ИК-зоне. Этот факт позволяет проводить анализ изображений местности, пораженной радиоактивным загрязнением, на основе выводов о степени угнетенности биомассы в исследуемом районе (рис. П.3). Параллельная радиолокационная съемка с помощью радара с синтезированной апертурой с последующей покластерной сравнительной обработкой изображений может расширить информационную емкость результатов зондирования.
Для примера разделения природных образований в различных состояниях были исследованы изображения промзоны Чернобыльской АЭС, находящейся слева от пруда охладителя (рис. П.4), полученные различными методами. Данный фрагмент исследуемой поверхности включает в себя лесные массивы с различной степенью радиоактивного поражения. На рис. П.4, а представлено изображение спектрозонального сканера МСУ-Э (27.04.97), обработанное при помощи метода нормированной разности; на рис. П.4, б – снимок радиолокатора с синтезированной апертурой L-диапазона, полученный на вертикальной поляризации (HV) в
39
октябре 1994 г., а также изображение, обработанное по методике совместной попиксельной сравнительной обработки – рис. П.4, в. При построении изображений на основе результатов кластеризации элементы разрешения, относящиеся к одному кластеру, представляют одинаковым цветом. Пиксели с высокими значениями видеосигнала (рис. П.4, а) представлены более светлыми тонами, а элементам разрешения с более низкими значениями соответствуют более темные тона.
По рисунку изображения П.4, а заметно, что зеленая лесная растительность (светло-желтый цвет) в основном располагается в нижнем правом углу, угнетенная растительность без зелени (розовый и красный) наблюдается к северо-западу. На радиолокационном изображении рис. П.4, б растительность выделяется светложелтым цветом. Причем, если сравнивать с оптическим изображением П.4, а, можно заметить, что растительность занимает большую площадь. Этот факт следует, по-видимому, объяснить тем, что сигнал радиолокатора с синтезированной апертурой в данном диапазоне не способен различать лесные массивы в различных состояниях, в том числе отделить угнетенный лес с редкой зеленью от леса с густым зеленым покровом. Розовым и красным цветом, по-видимому, представлены почвенные покровы или полностью "вывалившиеся" леса.
По рисунку, соответствующему совместной обработке (см. рис. П.4, в), заметно, что выделяются еще два-три кластера, не представленные на изображениях до совместной обработки. Это, по всей видимости, кластеры угнетенной растительности, которые на изображении П.4, б идентифицировались как один кластер – лесная растительность, а на изображении П.4, а характеризовались кластером с переходным состоянием между растительностью и почвой.
Увеличение пространственного разрешения средств дистанционного зондирования Земли из космоса, а также создание гиперспектрометров позволяет надеяться на создание полноценных систем мониторинга радиоактивных загрязнений, основанных на вышеперечисленных эффектах и методиках обработки.
40