Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007

Литература

1.Смирнов В.В. Ионизация в тропосфере. СПб.: Гидрометео-

издат, 1992. 312 с.

2.Пшежецкий С.Я., Дмитриев М.Т. Радиационные физикохимические процессы в воздушной среде. М.: Атомиздат, 1978. 182 с.

3.Чечеткин Ю.В., Якшин Е.К. Очистка радиоактивных газообразных отходов АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1985. 127 с.

4.Боярчук К.А., Карелин А.В., Широков Р.В. Базовая модель кинетики ионизированной атмосферы. М.: ВНИИЭМ, 2006. 203 с.

5.Боярчук К. А., Карелин А. В., Широков Р. В. Нейтральный кластер и его влияние на электромагнитные эффекты в атмосфере

//Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2005. Т. 41. № 4.

С. 1–13.

6.Боярчук К.А., Карелин А.В., Широков Р.В. Влияние мощности ионизирующего излучения на электрические эффекты в приземной атмосфере // Известия вузов. Серия Радиофизика. 2007.

Т. L. № 1. С. 9–19.

7.Колдобский А.Б., Насонов В.П. Вокруг атомной энергии: правда и вымыслы. М.: МИФИ, 2002.

41

ГЛАВА 3. ПРОВЕДЕНИЕ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Прямые и косвенные методы регистрации ионизирующих излучений на Земле из космоса. Био-индикация. Метод малых газовых составляющих. Ионосферный отклик. Нейтральный кластер. Латентное тепло. Рассматривается аппаратура для проведения дистанционного мониторинга радиационного загрязнения Земли.

3.1. Дистанционный мониторинг

Основная концепция дистанционного зондирования Земли из космоса появилась в 70-е – 80-е годы, когда были запущены первые спутники типа Landsat, «Ресурс-О» и «Алмаз» и создана соответствующая аппаратура, работающая в микроволновом диапазоне спектра как в активном, так и в пассивном режимах, а также в оптическом диапазоне спектра – от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного (рис. П.5, рис. П.6). Экономически целесообразно основывать методы дистанционного определения радиоактивных загрязнений на этих, уже хорошо развитых методиках и существующем специальном оборудовании.

Существующие методы дистанционного зондирования следов радиоактивной ионизации естественно разделить на прямые и косвенные. Первые основаны на регистрации интенсивности и спектра ионизирующего излучения объекта, вторые регистрируют изменение окружающей среды под действием этого излучения.

Прямые методы мониторинга получили наибольшее распространение, и в настоящее время контроль над радиационной обстановкой осуществляется методами детектирования ионизирующих излучений, например, использующих различные сцинтилляторы. Однако для реальных дистанционных методов (позволяющих обеспечивать мониторинг с космического аппарата) их пространственная разрешающая способность и чувствительность недостаточны, реально они позволяют производить измерения с расстояний не более сотен метров. К тому же некоторые типы ионизирующих излучений (α, β) обладают весьма слабой проникающей

42

способностью и не могут быть зарегистрированы такими методами дистанционно. Так, например, при Чернобыльской аварии измерение с самолетов и вертолетов велось, в основном, γ-спектрометрической аппаратурой (с помощью полупроводниковых гамма-спектрометров), а уже в лабораториях для анализа проб, взятых на местности, использовался полный комплекс современных спектрометрических и радиохимических методов, которые позволяют с высокой точностью измерить интенсивности γ-, α- и β-излучателей. Поэтому назвать прямые методы измерения радиоактивных загрязнений дистанционными можно только с большой натяжкой.

Выход состоит в использовании косвенных методов, позволяющих оценить уровень радиоактивного загрязнения по отклику окружающей среды на ионизирующее излучение. Такой подход позволяет использовать традиционные методы дистанционного мониторинга окружающей среды: приземных слоев атмосферы, поверхности океана и Земли. Основное воздействие, которое оказывают продукты радиоактивного деления на окружающую среду – это ее ионизация и, как следствие, протекание различных стимулируемых ионами биологических и физических процессов. Так, интенсивность ионообразования в атмосфере прямо связана с уровнем ее радиоактивного загрязнения.

В последнее время появились работы, подтверждающие перспективность использования косвенных методов для дистанционного обнаружения радиоактивных загрязнений. Стимулом для этих работ послужила информация о многочисленных экспериментах по радиолокации облаков выбросов АЭС во время Чернобыльской аварии, по регистрации свечения ионизированного воздуха. Для разработки методов и систем мониторинга из космоса радиоактивных загрязнений в настоящее время можно выделить следующие эффекты (рис. П.7).

Реакция биоты на радиоактивное загрязнение приводит к изменению цветности водоемов или растительных покровов, что может быть зарегистрировано с помощью традиционной спектрозональной съемки («Биоиндикация»).

Быстрые ион-молекулярные реакции ионизированной атмосферы приводят к изменению концентраций основных малых газовых составляющих, регистрация которых возможна, например, с по-

43

мощью метода газокорреляционной ИК-радиометрии («Метод малых газовых составляющих»).

Ионизация атмосферы приводит к изменению основных электрических характеристик в цепи тропосфера–ионосфера. Эти возмущения могут быть зарегистрированы в ионосфере с помощью бортового ионозонда («Ионосферный отклик»).

Во влажной атмосфере, подверженной радиоактивному воздействию, при определенных условиях наблюдается радиоизлучение, которое может быть зарегистрировано специальными радиоспектрометрами («Нейтральный кластер»).

Под действием ионизирующего излучения в приземном слое в зоне радиоактивного выброса может происходить резкое падение влажности воздуха (латентная теплота испарения, или «Латентное тепло»).

Поэтому с развитием атомной промышленности все более актуальной становится разработка новых эффективных методов дистанционного контроля над распространением радиоактивных загрязнений окружающей среды. Космические системы наднационального контроля за распространением радиоактивных загрязнений станут приоритетной задачей космического мониторинга в

XXI веке.

3.2. Методы дистанционного мониторинга

Биоиндикация

Как отмечалось в предыдущей главе, состояние процессов жизнедеятельности биоорганизмов на поверхности Земли, например растительного покрова, также как фитопланктона в водоемах, резко зависит от загрязнения окружающей среды, и выражается в резких изменениях её характеристик, влияющих на рассеяние света. Этот эффект можно использовать для мониторинга распространения радиоактивного загрязнения.

При обработке космических снимков, полученных в трех спектральных диапазонах, были выявлены следующие закономерности: почвы имеют возрастающую спектральную, а растительные сообщества вогнутую спектральную кривую с минимумом в красной зоне видимого диапазона, локальным максимумом в зеленой

44

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.

Атомные электростанции часто размещают на берегу естественных водоемов, поэтому аварийные выбросы жидких отходов могут быть выявлены путем дистанционного измерения спектров флуоресценции фитопланктона (фотосинтезирующих одноклеточных и микроскопических одиночных или колониальных водорослей), который, как известно, очень широко распространен в океане и может быть использован как естественный биологический маркер различных загрязнений.

Этот эффект (флуоресценция фитопланктона) есть результат реакции живых организмов на радиоактивное загрязнение, в частности изменение в водоемах и шельфовой зоне океана цветности фитопланктона, который имеет наиболее быструю реакцию на изменение концентрации радиоактивных веществ.

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.

Метод малых газовых составляющих

В атмосферном воздухе под воздействием ионизирующего излучения происходит не только наработка ионов, но за счет быстрых ион-молекулярных реакций также изменяется нейтральная составляющая, т.е. возникают нейтральные компоненты в концентрациях не типичных для стандартных условий. Например, наблюдается изменение содержания таких малых газовых составляющих, как озон (O3) , гидроксил (OH–), оксиды азота (NO и NO2), а также метана (CH4) и окиси углерода (CO). Измеряемая концентрация этих молекул – «атмосферных маркеров» – отчетливо характеризует мощности поглощенной дозы (или скорости ионизации).

При анализе состава ионизированной атмосферы с целью поиска наиболее подходящих атмосферных маркеров радиоактивных загрязнений следует обращать внимание на те компоненты, которые наиболее устойчивы к вариациям начальных концентраций

45

исходных реагентов, а также нарабатываются в достаточном для дистанционного обнаружения количестве. Пример таких расчетов представлен на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Зависимость концентраций некоторых нейтральных компонент ионизированного воздуха N (см–3) от длительности радиационного воздействия при температуре T = 293 K, влажности 90 % и мощности дозы d = 0,423 рад/с. Начальные концентрации: а) [OH] = [H2O2] = [HO2] = 0; б) [OH] = 1 106 см–3; [H2O2] = 2,7 1011 см–3; [NO] = 2,7 109 см–3; [NO2] = [N2O] = 8 109 см–3

Дистанционно содержание O3 и NO2 в тропосфере может быть измерено непосредственно, например, лидарными методами. Однако до сих пор установка достаточно эффективного лидара на борт космического аппарата представляет определенные технические трудности, связанные с энергетикой. Но эти газы могут детектироваться с необходимой точностью современными методами газокорреляционной ИК-радиометрии. Для этого может быть использована аппаратура MOPITT космической платформы EOSАМ1, запущенной в декабре 1999 г. по программе НАСА.

Ионосферный отклик

В предыдущей главе были представлены примеры формирования аномального электрического поля в атмосфере над большими площадями поверхности при радиоактивном загрязнении. Известно, что существование значительного градиента потенциала на большой площади сказывается на изменениях электронной плотности, ионного состава и температуры в ионосфере.

46

47

ион-радикалов H3O+(H2O)m, NO3–HNO3H2O, NO3–(H2O)n и др. В ре-

зультате ассоциации таких гидратированных ион-радикалов (независимо от количества молекул воды в оболочке) образуется нейтральный кластер, например типа NO3–(H2O)nH3O+, устойчивость которого определяется как ионной, так и ковалентной связями. В этом случае источником электромагнитного излучения могут быть вращательно-вращательные переходы соответствующих диполей.

Частота, МГц

Рис. 3.3. Спектры излучения нейтральных кластеров с учётом столкновительной диссоциации при радиусе облака R = 5 км, концентрации паров воды 1018 см–3 и различных скоростях ионизации: кривая 1 соответствует скорости ионизации 10 см–3 с–1, кривая 2 – 100 см–3 с–1, кривая 3 – 1000 см–3 с–1, кривая 4 соответствует спектру равновесного излучения при температуре T = 7 K

Спектральная плотность потока излучения в линиях враща- тельно-вращательных переходов нейтральных кластеров с учетом столкновительной диссоциации, вычисленная согласно развитой в методике, представлена на рис. 3.3. Расчеты плотности потока излучения приведены без учёта диаграммы направленности приём-

48

ной антенны. Видно, что в метровом диапазоне длин волн (частоты от 40 до 200 МГц), в принципе, возможно наблюдение излучения нейтральных кластеров.

Ожидаемый диапазон излучения кластеров перекрывается с диапазонами, в которых работают телевизионные и радиопередатчики. Поэтому следует рассчитывать на получение сигнала в диапазонах 108 ÷ 142 МГц, 148 ÷ 173 МГц. При концентрации нейтральных кластеров 106 см–3 максимальная возможная удельная мощность излучения в диапазоне 108 ÷ 142 МГц составит Pуд = 5 10–21 Вт/м3, полная принимаемая мощность излучения в области с радиусом R = 2,2 км и высотой H = 1,2 км при радиусе

антенны Rант = 1,5 м составит P = 1,5 10–17 Вт, а ожидаемая амплитуда напряженности электрического поля E = 2,8 10–8 В/м.

Следует отметить, что во время сейсмических событий, когда возможно выделение радиоактивных газов из земной коры, часто наблюдается необычное радиоизлучение в диапазоне десятков и сотен МГц, так, например: импульсное электромагнитное излучение на частоте 22,2 МГц (13,5 м) наблюдалось до и после землетрясения в Кобе (17.01.95г.) астрономической обсерваторией Nishiharima, расположенной в 77 км северо-восточней эпицентра, а также во время Спитакского землетрясения на частоте 75 МГц.

Установка специального радиоспектрометра на борт космического аппарата (КА) может позволить выявить эти излучения дистанционно и тем самым определить возможные области формирования облаков радиационных выбросов.

Латентное тепло

Наличие таких образований, как нейтральный кластер может влиять и на процессы, связанные с конденсацией и испарением в ионизированном облаке. Результаты расчётов влажности атмосферного воздуха в зависимости от длительности воздействия ионизирующего излучения приведены на рис. 3.4. Начальная концентрация паров воды соответствовала влажности 100% для заданной температуры воздуха. Видно, что рост длительности воздействия и скорости ионизации приводит к падению относительной влажности. Это в свою очередь, может вызвать рост концентрации нейтральных кластеров и мощности электромагнитного излучения в УКВ-диапазоне.

49

Физический процесс, связанный с латентным теплом, может приводить к образованию облачности, повторяющей по форме места появления повышенной радиации. Это еще один способ регистрации радиоактивных загрязнений. Отметим, что выбросы в атмосферу радиоактивного радона в районе подготовки землетрясений часто приводят к появлению характерных облачных образований вдоль разломов земной коры, что можно рассматривать как предвестник будущего землетрясения.

Рис. 3.4. Зависимости относительной влажности атмосферного воздуха от длительности внешнего воздействия при различной скорости ионизации: кривая 1 соответствует скорости ионизации 4,5 см–3 с–1, 2 – 9 см–3 с–1, 3 –

90 см–3 с–1. Температура воздуха – 27 °С, начальная концентрация паров воды 7,7 1017 см–3

3.3.Бортовая аппаратура для мониторинга радиоактивных загрязнений

Впредыдущей главе были подробно рассмотрены физические эффекты проявления радиоактивных загрязнений на поверхности Земли и в нижних слоях атмосферы и методы их наблюдения. В табл. 3.1 перечислены специальная аппаратура для наблюдения этих эффектов и ее основные характеристики.

50