Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

320

Крім простих стаціонарних камерних моделей широко використовують динамічні камерні моделі, що ґрунтуються на двох основних припущеннях.

1.Екосистему можна поділити на кілька взаємодіючих камер, між якими з часом відбувається обмін радіонуклідами. Вважається, що радіонукліди, що надійшли в камеру, миттєво перемішуються в усіх частинах камери і однаково в будь-який момент часу.

2.Втрати радіонуклідів камерою пропорційні активності радіонуклідів у камері. Перенесення радіонуклідів з однієї камери до іншої відбувається за законами кінетики першого порядку, його описують системою простих диференціальних рівнянь. При цьому коефіцієнт пропорційності між питомою активністю радіонуклідів у камері і надходженням радіонуклідів із цієї камери до будь-якої іншої (коефіцієнт перенесення радіонукліда між камерами) є сталим. На рис 11.5,б -наведено відповідну екосистему (динамічна камерна модель), де С1,, С2, С3, С4 — динамічні питомі активності радіонуклідів у камерах моделі, К1, К2, К3 — прямі коефіцієнти перенесення радіонуклідів між камерами, a K1-, К2-, К3- — зворотні коефіцієнти. Напишемо для цієї камери систему з чотирьох диференціальних рівнянь:

321

надходження радіонуклідів до камери 1 — ґрунт і до будь-якого моменту часу. Якщо спостерігається постійне надходження радіонуклідів до камери 1 —ґрунт, то досить додати в систему рівнянь (11.8) ще одне рівняння:

dCdt0 K0C0 (11.9)

де С0 — активність радіонуклідів у джерелі на момент початку викиду, Бк; K0 — коефіцієнт переходу радіонуклідів від джерела в камеру 1 —ґрунт. При цьому до першого рівняння системи (11.8) потрібно додати ще один член: + K0C0. Практично для будь-якої складної і розгалуженої екосистеми може бути складено і розв'язано відповідну систему рівнянь (наприклад, за допомогою програмного продукту MAPLE5, MAPLE6).

Метод камерних моделей є найпростішим й адекватним математичним методом опису радіоекологічних процесів у екосистемах різної складності.

11.4.Приклади камерних моделей у радіоекології.

Оцінка і прогноз розподілу радіонуклідів і дози у типовій похилій екосистемі для ландшафтів України. Проблема радіаційної безпеки населення й охорони навколишнього середовища від забруднень радіоактивними речовинами є ключовою при реалізації програми розвитку, заснованої на використанні атомної енергії. Це стало більше очевидним після аварії на Чорнобильської АЕС. Крім того, у багатьох областях практичної діяльності людини використовуються джерела іонізуючих випромінювань. Безупинно розширюється їхнє застосування в промисловості, сільському господарстві, медицині, наукових дослідженнях. Розширюється коло осіб, професійно пов'язаних з полями іонізуючих випромінювань.

В умовах широкого застосування ядерної енергії перед фахівцями всіх категорій і рангів стоїть завдання серйозної підготовки в галузі радіаційної безпеки, вивчення критеріїв оцінки радіоактивного випромінювання як шкідливого фактору впливу на людей і об’єкти навколишнього середовища, в одержанні потрібних знань з радіоекології, які дозволять у практичній діяльності організувати роботу й керувати підлеглими так, щоб гарантувати безпеку, зберегти здоров’я і працездатність людини в умовах радіоактивного забруднення навколишнього середовища, сировини і продуктів харчування.

322

У силу цих обставин дуже важливим є оцінка й прогнозування доз радіоактивного опромінення для людини для подальшого вивчення та оцінки ризиків, пов’язаних з аваріями на радіаційнонебезпечних виробництвах.

Моделювання екологічних процесів за допомогою методу камерних моделей активно розвивається в сучасній радіоекології. Цикл досліджень по моделюванню розподілу радіонуклідів у трофічних ланцюгах України був виконаний у лабораторії В.Б.Георгієвського в Інституті проблем моделювання в енергетиці та в Інституті атомної енергетики ім.Курчатова (м.Москва). Активне використання цього методу дозволило змоделювати параметри радіоекологічної ємності різного типу екосистем. Цей метод дозволяє, маючи обмежені дані по моніторингу дослідження, робити детальний прогноз величини та динаміки забруднення різних елементів екосистем ( та ландшафтів ) не тільки для радіонуклідів, але і для інших полютантів. Також метод був використаний для дослідження радіоекологічних процесів одного з сіл у Волинській області.

Ландшафти північної частини України разом з басейнами рік Дніпра, Десни представляють похилі екосистеми. Тому важливо оцінити й дослідити поводження радіонуклідів у таких екосистемах, які характерні для півночі України. В роботі був використаний метод камерних моделей переходу радіонуклідів з однієї камери в іншу, оскільки цей метод є найпростішим та адекватним математичним методом опису радіоекологічних процесів у екосистемах різної складності. Розподіл активності радіонуклідів у кожній з камер вважатимемо рівномірним.

Оцінка і прогноз розподілу радіонуклідів у типовій схиловій екосистемі. Для дослідження була обрана типова екосистема, що складається з дев'яти камер: камера-ліс, камера-узлісся, камера-луг, камера-тераса, камера-пойма, камера-вода озера, камера-біота озера, камера-донні відкладення озера, камера-людина ( рис.11.6):

323

1

Ліс

2

Рис.11.5. Блок-схема типової схилової екосистеми.

Взаємодія між камерами задається за допомогою коефіцієнтів переходу радіонуклідів із однієї камери в іншу за одиницю часу в одну годину, наприклад, а67 - коефіцієнт переходу радіонуклідів із

камери 6 (вода) в камеру 7 (біота). Дані коефіцієнти вибрані за натурними дослідженнями та залежать від крутизни схилу, характеру покриття (ліс, трава і т.д.), типу ґрунту (чорнозем, дерновопідзолистий, сірий-лісовий), об’єму стоку, температури повітря, напряму та сили повітря та інших метереологічних параметрів.

Розраховані за натурними даними, значення коефіцієнтів наведені в таблиці 11.1.

324

Таблиця 11.1.Значення коефіцієнтів переходу радіонуклідів із камери в камеру.

Для аналізу переходу радіонуклідів із камери в камеру у даному прикладі, були вибрані середні значення коефіцієнтів. Перенесення радіонуклідів з однієї камери до іншої відбувається за законами кінетики першого порядку, його описують системою простих диференціальних рівнянь.

Напишемо систему з дев’яти простих диференціальних рівнянь першого порядку зі сталими коефіцієнтами з урахуванням коефіцієнтів переходу радіонуклідів з поправкою на їх розпад:

радіонуклідів у камерах: ліс, узлісся, лука, тераса, пойма, вода, біота, донні відкладення та людина, t - час.

Розв’язавши систему цих рівнянь отримаємо розв’язки в графічному вигляді (рис.11.6 та 11.7):

326

характерний, і це зрозуміло, плавний викид радіонуклідів вниз по схилу. Для інших камер даної моделі побудуємо таблицю зі значенням максимальної питомої активності радіонуклідів у певний момент часу

(табл.11.2):

Таблиця 11.2. Накопичення радіонуклідів у камерах (в

327

Як видно з таблиці 11.2, найбільше накопичення та концентрація радіонуклідів спостерігається у камері-ліс ( 12 % від усього запасу в даій екосистемі) на 12 рік після припустимої аварії) та у камері людина ( 10 % на 50 рік), а найменше у камері-вода ( 0.32 % на 30 рік).

Оскільки землекористування людини у даному прикладі зводиться в найбільшій мірі до води та аграрної тераси, то доцільно окремо розглянути графіки рівнянь розв’язків системи саме для камер: вода, тераса, людина ( рис.11.7):

Верхній графік рис 11.7 характеризує камеру-людина, наступний

– камеру-тераса, останній – камеру-вода. Найшвидше акумулює в собі радіонукліди людина, за нею іде тераса, а потім вода. І хоча людина швидше накопичує радіонукліди, доза на 20-й рік після аварії ще дуже мала (40% від можливої), що є дуже важливим, бо пік можна чекати на 50-й рік після аварії.

Таким чином:

-Найбільше накопичення радіонуклідів для людини може становити 10% на 50-й рік після аварії.

-В той же час приблизно на 45-й рік після аварії буде відбуватися спад активності радіонуклідів у воді, їх найменше значення буде

0.32% на 35 рік.

-Якщо спостерігати за аграрною терасою, то спад активності її радіонуклідів відбуватиметься після 20-го року, коли максимальна активність радіонуклідів для тераси буде становити 1.4%.

З цього прикладу можна зробити слідуючи висновки:

1.Показано, що запропонований метод камерних моделей, ефективно застосовується при аналізі процесів розподілу радіонуклідів у типових для України екосистемах.

2.Обґрунтований експериментально вибір значень параметрів зв’язку між камерами у схиловій екосистемі, дозволяє адекватно описати поведінку радіонуклідів.

328

3.Встановлено, що при реальних середніх значеннях параметрів зв’язку між камерами, модель дозволяє оцінити та спрогнозувати динаміку розподілу радіонуклідів та встановити значення піків забруднення та часу від можливої аварії на радіаційно-небезпечному виробництві.

4.Головним акумулятором радіонуклідів і дози опромінення у похилій екосистемі є популяція людей, що активно користується цією екосистемою.

5.Основною складовою дози для людей є сільськогосподарська тераса, на якій виробляється сільськогосподарська продукція, що інтенсивно використовується людиною.

Моделювання радіологічних процесів у гірських екосистемах, характерних для України. Актуальність полягає у необхідності глибокого та детального вивчення природних умов і ресурсів Українських Карпат та Кримських гір, можливостей всебічного раціонального використання в нових суспільноекономічних умовах, збереження та охорони ландшафтних комплексів з огляду на перспективи розвитку Карпатського регіону. Належність частини гірської споруди до території України надає державі міжнародної значущості у співробітництві з сусідніми країнами, зокрема в рамках програм розвитку Єврорегіонів. Унікальні, надзвичайно різноманітні ландшафтно-кліматичні умови гірських передгірних районів Українських Карпат гарантують виняткові можливості для розвитку рекреації та туризму, курортного господарства, заповідної справи. Умови проживання та господарювання в горах суттєво відрізняються від рівнинних: з причин специфіки гірських ландшафтів та гірського клімату; розвитком та ходом природних процесів явищ - невластивих для рівнин, не завжди передбачуваних вчасно та прогнозованих; частотою небезпечних гідрометеорологічних ситуацій з катастрофічними наслідками, значними матеріальними моральними збитками.

Українські Карпати - це фізико-географічний край Карпатської гірської країни. Вони простягаються в довжину з північного заходу на південний схід на 280км, а в ширину з північного сходу на південний захід - на 100-110 км. Площа гірської системи 24 тис. кв. км, а разом з Передкарпатською височиною та Закарпатською низовиною - 37 тис. км2. Українські Карпати охоплюють Закарпатську область значну частину Івано-Франківської, Львівської Чернівецької областей.

329

Значне посилення уваги до екологічних проблем гірських регіонів відбулося після конференції ООН з навколишнього середовища в Ріо-де-Жанейро (1992 p.), де гірська тема «Раціональне використання ранімих екосистем: стійкий розвиток гірських районів» була поставлена в один ряд з іншими пріоритетними темами порядку дня на 21 століття. Питання розвитку гірських регіонів України є також одним з важливих напрямків внутрішньої політики держави. Зокрема, прийнято Закон України «Про статус гірських населених пунктів України» (1995), розробляються Державні програми комплексного розвитку гірських територій, створюються спеціальні економічні зони, розширюються площі територій природнозаповідного фонду тощо.

Метою дослідження тут може бути моделювання та прогнозування динаміки поводження радіонуклідів в гірських екосистемах. Предметом дослідження є райони Українських Карпат.

На сьогоднішній день дуже гостро постало питання забруднення навколишнього середовища радіоактивними речовинами, тому дослідження міграції радіонуклідів в лісових екосистемах, в тому числі гірських актуальною задачею, що вимагає невідкладного вирішення.

Радіоактивне забруднення лісових екосистем особливо небезпечне з огляду на те, що радіонукліди Чорнобильського викиду - 137 Cs та

90 Sr мають великий період напіврозпаду. Це зумовлює тривалу циркуляцію в природних екосистемах подальше повторне забруднення екосистем. Частково проблеми дослідження впливу радіонуклідів на складові гірських екосистем вирішуються моніторинговими службами, що вивчають стан забрудненості, тобто стежать за станом середовища, оцінюють його фактичний стан. Моніторинг охоплює спостереження за фізичними, хімічними та біологічними показниками та реакцію біологічних систем на антропогенний вплив. Але, в разі комплексного вивчення гірських екосистем недостатньо лише визначати інтегральні характеристики забруднення, необхідно також проводити дослідження, що виходять за рамки елементарних операцій аналізу потребують застосування системного аналізу для дослідження радіонуклідів в навколишньому середовищі.

Такий підхід в свою чергу, дозволяє за допомогою математичного моделювання дослідити основні закономірності розподілу радіонуклідів, що крім отримання функціональних залежностей, які на сьогоднішній день ще уточнюються, дозволяє також побудувати довготривалий прогноз динаміки радіонуклідів.