Занятие 9. Радиационный фон земли.

1. Радиационный фон Земли, его составляющие

Под радиационным фоном принято понимать ионизирующее излучение природных источников космического и земного происхождения, а также искусственных радионуклидов, рассеянных в биосфере в результате деятельности человека. РФ состоит из следующих компонентов:

Естественный радиационный фон (ЕРФ) – это ионизирующее излучение от природных источников внеземного (космического) и земного происхождения, действующее на человека на поверхности Земли.

Техногенно измененный радиационный фон (ТИРФ) – это ионизирующее излучение источников и радионуклидов, созданных или рассеянных в биосфере в результате деятельности человека.

2. Естественный радиационный фон, характеристика природных источников ионизирующего излучения земного и неземного происхождения

Источником ионизирующих излучений ЕРФ внеземного происхождения является первичное космическое излучение, которое в окрестности Земли состоит из галактического космического излучения (генерированного в еще точно неизвестных, но удаленных от Земли объектах) и солнечных космических лучей. Средняя энергия космических частиц около 10⁸ - 10⁹ эВ. Первичное космическое излучение состоит в основном из протонов (90%) и альфа-частиц, встречаются ядра лития, бериллия, бора и другие. Поток электронов составляет около 1,5% потока всех космических частиц, позитронов в 5 раз меньше, в небольшом количестве обнаружены также гамма-кванты.

Магнитное поле Земли заметно влияет на первичное излучение, препятствуя вхождению в атмосферу низкоэнергетических частиц. В магнитном поле Земли существуют "ловушки", т.е. области пространства, характеризующиеся тем, что заряженные частицы не могут ни влетать в них извне, ни вылетать из них. Магнитные ловушки - это естественный резервуар для накопления заряженных частиц (в основном протонов и электронов). Такие зоны называют радиационными поясами Земли.

Первичное космическое излучение взаимодействует (а, точнее, поглощается) с атмосферой, в результате чего формируются вторичное космическое излучение (которое состоит из пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов и фотонов) и космогенные радионуклиды, воздействующие на человека.

Интенсивность вторичного космического излучения зависит от толщины атмосферы. Космическое излучение на уровне моря примерно в 100 раз менее интенсивно, чем на границе атмосферы и состоит в основном из мюонов, а Северный и Южный полюса получают больше ионизирующих излучений, чем экваториальные области (за счет магнитного поля Земли).

При воздействии космических лучей на атмосферу в ее верхних слоях происходят различные ядерные реакции, в результате чего образуются космогенные радионуклиды. Основное значение из них имеют тритий (Н-3), С-14, Р-32, S-35, Be-7, Na-22 и Na-24.

В целом, человек, живущий на уровне моря, получает 0,315 мЗв/год за счет источников ионизирующего излучения внеземного происхождения, в том числе за счет внешнего облучения - 0,3 мЗв и за счет внутреннего облучения - 0,015 мЗв.

Уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. Повышенным содержанием радионуклидов характеризуются породы вулканического происхождения - гранит, базальт; гораздо меньше радиоактивных элементов в осадочных породах - известняке, песчанике .

Наиболее высокие уровни земной радиации наблюдаются в Бразилии (на пляжах морского курорта Гуарапари - до 175 мЗв/год), на юго-западе Индии (богатые торием монацитовые пески). Известны и другие места с высоким уровнем радиации, например, во Франции, в Нигерии, на Мадагаскаре. Повышенным содержанием радионуклидов уранового ряда отличается территория Скандинавских стран и Англии.

По подсчетам НКДАР ООН средняя эффективная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет 0,35 мЗв, в том числе за счет радионуклидов уранового ряда 0,09 мЗв и 0,14 мЗв за счет радионуклидов ториевого ряда. Продукты распада урана и тория по пищевым цепочкам, а также с воздухом и водой поступают в организм человека, обуславливая внутреннее облучение: за счет семейства урана эффективная доза составляет 0,95 мЗв/год, за счет семейства тория - 0,19 мЗв/год. При пероральном поступлении радиоактивных элементов важно учитывать их растворимость и, соответственно, коэффициент всасывания.

Естественные источники ионизирующего излучения земного происхождения представлены радионуклидами двух групп:

А. Радионуклиды, входящие в радиоактивные ряды;

Б. Радионуклиды, не входящие в радиоактивные ряды.

3. Радон-222 (Rn-222) вносит основной вклад в естественную радиоактивность атмосферного воздуха и уровни облучения человека за счет естественных источников радиации. Радон претерпевает альфа-распад с образованием Ро-218, T_1/2 Rn-222 - 3,8 суток. В организм радон и короткоживущие продукты его распада поступают в основном через органы дыхания, но могут поступать через желудочно-кишечный тракт (при питье радоновой воды) и через кожу (при приеме радоновых ванн). Выведение радона из организма независимо от способа его поступления осуществляется главным образом через легкие.

Радон - это бесцветный, невидимый, не имеющий вкуса и запаха инертный газ, примерно в 7,5 раза тяжелее воздуха. Он образуется в процессе радиоактивного распада радионуклидов урановых и ториевого рядов. Существует три естественных (природных) изотопа радона:

• радон-222 (Т_1/2 - 3,8 дня, ряд распада U -238);

• радон-220 или торон (Т_1/2 - 55 секунд, ряд распада Th-232);

• радон-219 или актинон (Т_1/2 - 4 секунды, ряд распада U-235).

Все изотопы радона являются альфа-излучателями, дальнейший распад их дочерних продуктов сопровождается испусканием как альфа, так и бета-частиц. Большая часть радона и торона физически связана с материалом, в котором находятся их предшественники. Однако некоторая часть может диффундировать от места образования в другую среду. Из-за относительно большого периода полураспада Rn-222 может диффундировать на большие расстояния (в пределах нескольких метров). Миграция актинона ограничивается несколькими миллиметрами и обычно он не достигает поверхности материала. Небольшая часть торона может выделяться и мигрировать в пределах нескольких сантиметров. Поэтому, за исключением богатых торием мест, концентрации Rn-219 и 220 пренебрежимо малы, по сравнению с Rn-222.

Основными источниками радона являются грунт, строительные материалы, грунтовые воды, природный газ, уголь, рудники, отвалы, образующиеся при добыче фосфорных удобрений, растения, геотермальные электростанции, предприятия ядерного топливного цикла. Главным источником поступления радона в атмосферу являются почва и грунтовые породы. В целом, в воздухе концентрация радона и его дочерних продуктов распада зависит от места, времени года и суток, высоты над уровнем моря и метеорологических условий. С геологической точки зрения около 40 % территории Республики Беларусь являются потенциально радоноопасными. Это связано с неглубоким залеганием гранитных пород и с широким распространением активных зон тектонических нарушений.

Концентрация радона в воздухе помещений зависит в основном от четырех факторов:

1. активной и пассивной диффузии радона из грунта через фундамент и поверхности подвальных помещений зданий;

2. эксгаляции радона из строительных материалов и изделий, из которых построено здание;

3. эксгаляции радона из воды и газа;

4. влияния климата, образа жизни, степени вентиляции помещения.

Мерами, направленными на снижение концентрации радона в воздухе помещений, могут быть тщательная изоляция жилых помещений от почвы и грунта, обычная покраска (уменьшает эксгаляцию радона из строительных материалов на 32-87%) и оклеивание стен обоями, улучшение вентиляции жилых помещений и активная вентиляция погребов, использование материалов, отвечающих требованиям радиационной безопасности. Радон и продукты его распада вносят значительный вклад в облучение человека. Основную часть дозы человек получает в закрытых помещениях. Считается, что концентрация радона в закрытых помещениях в зонах с умеренным климатом в среднем в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Концентрация дочерних продуктов распада превышает концентрацию радона более чем в 200 раз. Ингаляционный путь поступления в организм изотопов радона и их дочерних продуктов распада считается наиболее опасным.

Наиболее важными факторами, влияющими на формирование дозы на дыхательный тракт за счет радона и продуктов его распада являются:

• концентрация радона в помещениях;

• фактор равновесия продуктов распада;

• характеристика аэрозолей, их задержание и очистка в дыхательных путях;

• величина дыхания;

• время амортизации жилища.

В настоящее время считается, что концентрация радона в 20 Бк/м³ увеличивает дозу облучения на 1 мЗв. Из этой величины становится очевидной проблема радона. Более того, установлено, что доза на дыхательный тракт сильно зависит от возраста. В возрасте около 6 лет она имеет максимум и примерно в 2,5 раза больше дозы, формирующейся в возрасте 30 лет. Ротовое дыхание у ребенка ведет к большему поступлению радона, чем дыхание через нос, что делает необходимым санацию верхних дыхательных путей у детей. Показано, что ингаляция радона сопровождается неравномерным распределением дозы облучения в органах и тканях человека. Имеются эпидемиологические данные о связи радона с заболеваемостью раком легких и лейкозом