5. Механизмы миграции радионуклидов.

Миграция радионуклидов - это движение радионуклидов (изотопов химических элементов) в компонентах окружающей среды.

Интенсивность движения каждого из этих элементов разная. Например, элементы, которые обеспечивают развитие растений интенсивно извлекаются из почвы и с отмиранием растений опять поступают в почву. Так образуется малый круговорот веществ (элементов) в природе Существует разные уровни организации миграции веществ (их химических соединений), которые происходят как в пределах почвенно-растительного покрова, так и в пределах целого ландшафта. Механизмы обеспечивающие миграцию радиоактивных веществ в окружающей среде, ни чем не отличаются от механизмов миграции других элементов.

В большинстве отличия обусловлены физико-химическими свойствами каждого радионуклида. По происхождению миграцию радионуклидов разделяют на несколько типов:

• природную и

• техногенную (иногда ее называют антропогенной).

По природной миграцией радионуклидов понимают миграцию, вызванную природными явлениями – разливы рек и паводки, пожары, дожди, ураганы и т.д.

Под техногенной миграцией понимают движение элементов, обусловленное деятельностью человека – ядерные взрывы, аварии на ядерных энергетических установках, предприятиях по добыче и переработке урана, каменного угля, руды и т.д.) Существуют отличия в направлении движения радионуклидов в окружающей среде. Выделяют

• вертикальную миграцию радионуклидов (извержение вулканов, дожди, вспашка почвы, выращивание леса и т.д.),

• а также горизонтальную миграцию (разливы рек, перенос радиоактивной пыли и аэрозолей ветром, миграция живых организмов и т.д.).

• Существует смешанный тип миграции радионуклидов (ядерные взрывы, большие пожары, добыча и переработка нефти, производство и внесение минеральных удобрений и т.д.). Загрязнение радионуклидами наземных и водных экосистем приводит к вовлечению этих элементов в трофические (пищевые) цепочки.

Пищевые цепочки представляют собой ряд последовательных этапов по которым осуществляется трансформирование вещества и энергии в экосистеме.

Все живые организмы связаны между собой, поскольку они являются объектами питания. При загрязнении одной из цепей радиоактивными веществами осуществляется миграция и последовательное накопление нуклидов в других элементах трофической цепи.

Как осуществляется миграция радионуклидов в почве?

Миграция радионуклидов в почве происходит благодаря совокупности разных процессов, которые приводят к перемещению радионуклидов в почве или к перераспределению разных форм и состояний радионуклидов, что приводит к перераспределению нуклидов в глубь почвенного покрова. Основными «движущими силами», которые приводят к миграции радионуклидов в почве являются:

• конвективный перенос (фильтрация атмосферных осадков вглубь почвы,

• капиллярный поток влаги к поверхности почвы, который вызван испарениями, теплоперенос влаги под действием градиента температуры),

• диффузия свободных и адсорбированных ионов, перенос радионуклидов корневыми системами растений,

• перенос радионуклидов коллоидными частичками (лессиваж),

• роющая деятельность животных (дикие кабан, крот и т.д.)

• и хозяйственная деятельность человека. Все эти факторы не являются равнозначными, поскольку интенсивность и длительность их действия разные и зависят от конкретных условий. Наиболее значимыми факторами, влияющими на интенсивность миграции радионуклидов в почвах (не обрабатываемых человеком) являются конвективный перенос и диффузия.

• Корневой перенос радионуклидов в значительной степени зависит от глубины корневого слоя и густоты корневых систем. Кроме того, корневая миграция в значительной степени зависит от физико-химических форм радионуклидов.

• Дождевые черви и другая почвенная фауна также способствуют миграции радионуклидов в почвах, как благодаря механическим, так и биологическим путям, перемешивая почву и\или вовлекая радионуклиды в ткани своего организма. Сегодня, (26 лет после аварии на ЧАЭC) основной запас (содержание) радионуклидов размещается в 10 см слое почвы. 

Миграция радионуклидов в почвах покрытых лесом имеет свою специфику, которая обуславливается наличием лесной подстилки. Этот компонент является мощным буфером на пути миграции радионуклидов в глубь почвы. Исследования, которые проводятся в Чернобыльской зоне уже на протяжении 26-ти лет, свидетельствую о хорошей способности подстилки аккумулировать и удерживать радионуклиды. Длительное удержание радионуклидов в лесной подстилке объясняется наличием нескольких, медленно разлагающихся, слоев. Процесс разложения каждого слоя подстилки имеет свою длительность, что обеспечивает длительную (5-10 лет) изоляцию радионуклидов от минеральной части почвы. В зависимости от режима увлажнения почвы, на которых формируются лесные экосистемы, формируется разная толщина лесной подстилки. Как свидетельствуют исследования, толщина подстилки, а также природа органического вещества является основным фактором, который влияет на вертикальную миграцию радионуклидов.

6. Характеристики воздействия ионизирующих излучений на живые организмы. Определение характеристик радиационного воздействия. Биологические эффекты радиационного воздействия Основные принципы нормирования и нормы радиационной безопасности НРБ-2000.

В настоящее время все биологические эффекты и последствия действия ионизирующих излучений на человека принято разделять на два класса: детерминированные и стохастические.

Детерминированные эффекты — это клинически значимые эффекты, которые проявляются в виде явной патологии, например острая или хроническая лучевая болезнь, лучевые ожоги (так называемые местные лучевые поражения), катаракты хрусталика глаз, клинически регистрируемые нарушения гемопоэза, временная или постоянная стерильность и др.

В подавляющем большинстве случаев эти эффекты возникают при кратковременном действии больших доз и больших мощностей доз радиации. Например, при атомных взрывах в Хиросиме и Нагасаки поражающие дозы γ-нейтронного облучения людей (несколько грей) были реализованы в течение миллионных долей секунды.

Главной отличительной особенностью детерминированных эффектов является их пороговый характер. Иными словами, для возникновения той или иной болезни необходимо достижение неких пороговых уровней доз облучения человека, ниже которых эти эффекты клинически не проявляются. Степень тяжести детерминированных эффектов напрямую зависит от поглощенной дозы облучения: чем больше доза, тем глубже тяжесть поражения. Например, для кожных покровов порог эритемы и сухого шелушения составляет примерно 3—5 Гр; гибель клеток в эпидермальном и дермальном слоях, приводящая к некрозу тканей, наступает после острого облучения в дозе около 50 Гр.

При остром, кратковременном облучении могут возникать различные формы острой лучевой болезни. Так при общем облучении всего тела человека в дозе порядка 1 Гр острая лучевая болезнь не возникает и смертельные исходы исключены; при дозах 3—5 Гр в результате повреждения стволовых клеток костного мозга 50 % облученных могут погибнуть (без лечения) в течение 60 сут. При дозах 5—15 Гр вследствие поражения клеточного пула желудочно-кишечного тракта возникает так называемая кишечная форма острой лучевой болезни, и гибель возможна через 10—20 сут, а при дозах свыше 15 Гр (церебральная форма острой лучевой болезни) летальный исход у всех облученных наступает в течение 5 сут.

В настоящее время спектр детерминированных эффектов и зависимость их от уровней облучения человека достаточно изучены, однако еще нет окончательных суждений относительно количественных различий в порогах облучения за счет индивидуальной радиочувствительности отдельных представителей гетерогенных групп населения.

Диапазон пороговых доз для различных радиочувствительных органов и тканей неодинаков. В то же время важно отметить, что пороги доз облучения для острого, кратковременного радиационного воздействия и для протяженного во времени облучения существенно различаются. Следовательно, облучение (в аналогичных суммарных дозах), растянутое во времени, в общем повышает уровень порога. Несомненно, что эта закономерность, определяемая прежде всего процессами репарации повреждений в целостном организме, характерна и для воздействия так называемых малых доз облучения (под малыми дозами понимают уровни воздействия в диапазонах менее 0,2 Гр и мощности дозы менее 0,1 Гр/ч), особенно если учесть, что системы клеточного восстановления в организме функционируют более эффективно после облучения дозой малой мощности, чем после воздействия дозы большой мощности.

Иными словами, при прочих равных условиях острое воздействие ионизирующего излучения всегда опаснее хронического, длительного облучения в эквивалентных дозах.

Так, Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) подчеркивает, что «…протяженные (малая мощность дозы) и фракционированные облучения менее эффективны в отношении многих биологических последствий, включая индуцирование опухолей, чем однократные с большой мощностью дозы».

Следующий класс последствий радиационного облучения получил название стохастических (вероятностных, случайных) эффектов, которые иногда называют отдаленными последствиями облучения.

В отличие от детерминированных эффектов, для которых доказан и существует дозовый порог проявления и которые, как правило, возникают при значительных дозах облучения в основном за счет гибели большей части клеток в поврежденных органах или тканях, для стохастических последствий, по современным представлениям, не существует дозового порога. Это в свою очередь означает, что реализация стохастических эффектов теоретически возможна при сколь угодно малой дозе облучения, при этом вероятность их возникновения тем меньше, чем ниже доза.

Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) ООН и Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) пришли к выводу, что доказано только два основных вида стохастических эффектов облучения.

Первый возникает в соматических клетках и может быть причиной развития рака у облученного индивида.

Второй вид, появляющийся в зародышевой ткани половых желез, может привести к наследуемым нарушениям у потомства облученных людей. Важно подчеркнуть, что если возможность индукции злокачественных опухолей у облученных людей является фактом, доказанным мировой наукой, то до настоящего времени прямых научных подтверждений генетически обусловленных эффектов облучения человека не получено.

Тем не менее, располагая прямыми данными о наличии таких эффектов на других биологических объектах (растениях, клеточных культурах, микроорганизмах, мелких лабораторных животных), МКРЗ в целях исключения возможной недооценки их значимости признала необходимым включить наследственные эффекты в перечень стохастических последствий облучения человека.

Поскольку эффективная доза от внешнего облучения — это величина, непосредственно не измеряемая, ее предлагается оценивать по значениям индивидуальной эквивалентной дозы. Сегодня потенциальные облучения предлагается оценивать не по дозе, а по риску отдаленных последствий. Сейчас в Республике Беларусь на основе Рекомендаций МКРЗ разработаны новые Нормы радиационной безопасности НРБ-2000.

6. Дозиметрические модели определения характеристик радиационного воздействия на человека. Оценка доз внешнего и внутреннего облучений. Расчет эффективных доз облучения. Выброс радионуклидов в атмосферу. Сброс радионуклидов в водоемы.

Действие ионизирующих излучений на любое вещество проявляетсяв ионизации атомов и молекул,входящихв состав этоговещества. Мерой этоговоздействия служит поглощенная доза - фундаментальная дозиметрическая величина, определенная как отношение поглощенной энергии излучения в единице массы.

Основной единицей поглощенной энергиив системе СИ является грей (Гр, Gy) - джоуль на килограмм массы (Дж·кг^-1). Обозначается она символом "D". Поглощенная дозав 1 Гр является довольно значимой радиационнойвеличиной и можетвызватьв облученном организме ряд последствий. Но в собственно энергетическом смысле этавеличина очень мала - повышение температуры тела человекав результатевоздействия этой дозы менее одной тысячной градуса.

При измерении эффектов, возникающихв веществах под действием ионизирующих излучений, используется понятие доза, а при оценкевлияния облучения на биологические объекты поправочные коэффициенты. Повреждений, вызванныхв живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество такой переданной организму энергии называется дозой. Дозы можно рассчитывать по-разному, с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один человек подвергся облучению или группа людей ив течение какого времени происходило.

Биологические эффекты-воздействие ионизирующих излучений на биологические процессыв живых организмах.

Взвешивающие коэффициенты для отдельныхвидов излучения при расчете эквивалентной дозы(WR) - используемыев радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную эффективность различныхвидов излученияв индуцировании биологических эффектов. Фотоны любых энергий. Электроны и ионы любых энергий. Альфа- частицы.

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы(WТ) - множители эквивалентной дозыв органах и тканях, используемыев радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканейв возникновении стохастических эффектов радиации.

Гигиеническое нормирование- установление предельных дозвнешнего ивнутреннего облучения, которые надежно гарантируют безопасность работающих с источниками излучения и всего населения.

Доза(от греческого - доля, порция) - энергия ионизирующего излучения (ИИ), поглощённая облучаемым веществом и часто рассчитанная на единицу его массы. Измеряется в единицах энергии, которая выделяется в веществе (поглощается веществом) при прохождении через него ионизирующего излучения.

Доза поглощенная (D) -величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

, где dЕ - средняя энергия, переданная ионизирующим излучениемвеществу, находящемуся в элементарном объеме, а dm – масса вещества в этом объеме.

Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, ив этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема.В единицах СИ поглощенная доза измеряетсяв джоулях, деленных на килограмм (Дж·кг^-1), и имеет специальное название - грей (Гр). Использовавшаяся ранеевнесистемная единица рад=100 эрг/г равна 0,01 Гр.

Рад -внесистемная единица поглощённой дозы. Соответствует энергии излучения 100 эрг, поглощённойвеществом массой 1 грамм (сотая часть «Грэя»).

1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр = 2,388·10^-6 кал/г

При экспозиционной дозев 1 рентген поглощённая дозав воздухе будет 0,85 рад (85 эрг/г).

Грэй (Гр.) - единица поглощённой дозыв системе единиц СИ. Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества.

1 Гр. = 1 Дж/кг = 104 эрг/г = 100 рад.

Доза эквивалентная (D_Т.R) - поглощенная доза, рассчитанная для биологических объектов (человек, орган, ткань), с учетом соответствующего взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, W_R: равна произведению поглощённой дозы на W_R

D_Т.R= D·W_R,

где D_T,R- средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, а W_R-взвешивающий коэффициент для излучения R.

Замечание. До недавнеговремени при расчёте «эквивалентной дозы» использовались «коэффициент качества излучения» (К) и «относительная биологическая эффективность» (ОБЭ) - поправочные коэффициенты, учитывающий различноевлияние на биологические объекты (различную способность повреждать ткани организма) разных излучений при одной и той же поглощённой дозе. Сейчас эти коэффициентыв Нормах радиационной безопасности (НРБ) названы «Взвешивающие коэффициенты для отдельныхвидов излучения при расчёте эквивалентной дозы (W_R).

При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения D_Т= D_Т.R

Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).

Доза экспозиционная, D_E- количественная характеристика рентгеновского и гамма - излучений, определяемая по ионизации воздуха. Представляет собой суммарный электрический заряд ионов одного знака, образованных в единице объема воздуха в условиях электронного равновесия. Внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р), которой соответствует такое рентгеновское и гамма- излучение, которое образует в 1 см³сухоговоздуха (имеющего при нормальных условиях вес 0,001293 г) 2,082·10⁹пар ионов. Эти ионы несут заряд в 1 эл.-статическую единицу каждого знака (в системе СГСЭ), что в единицах работы и энергии (в системе СГС) составит около 0, 114 эрг поглощённой воздухом энергии (6,77·10⁴Мэв). (1 эрг = 10^-7 Дж = 2,39·10^-8кал). При пересчёте на 1 г воздуха это составит 1,610·10¹² пар ионов или 87,3 эрг/г сухого воздуха . Таким образом физический энергетический эквивалент рентгена равен 87,3 эрг/г для воздуха (для других веществ значения совершенно другие, например, для биологической ткани (воды) 95 эрг/г).В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза в воздухе, равная 0,873 рад. Единицей измерения в системе СИ является «кулон на кг» (Кл/кг), что соответствует образованию в 1 кг воздуха такого количества ионов (6,24·10¹⁸пар ионов), суммарный заряд которых равен 1 Кл (каждого знака). 1 кулон = 3·10⁹ед. СГСЭ = 0,1 ед. СГСМ. Физический эквивалент 1 Кл/кг равен 33 Дж/кг (для воздуха).

Соотношения между рентгеном и Кл/кг следующие: 1 Р = 2,58·10^-4 Кл/кг - точно. 1 Кл/кг = 3,88·10³ Р - приблизительно.

Доза эффективная (D_E,T) -величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности (а также веса).

Каждый орган и ткань не только по-разному реагирует на поглощенную ими дозу облучения, но и оказывает различное влияние на работу организма в целом. Для учета этих особенностей в практической дозиметрии используется понятие эффективной дозы. Эффективная (эквивалентная) ожидаемая доза учитывает суммарную радиоактивность поступающих в организм радионуклидов с учетом их периода полураспада и периода полувыведения из организма. Эффективная доза -величина, используемая как мера риска возникновения последствий, в т. ч. и отдаленных, облучения всего тела человека или отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты:

D_E,T=DT·W_T

где D_Т- эквивалентная доза в органе или ткани Т, а W_Т-взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т, т.е. множитель эквивалентной дозы в органах и тканях, используемый в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации – «коэффициент радиационного риска». Чтобы учесть качественные различия излучений, их биологическая эффективность сравнивается с биологической эффективностью рентгеновского излучения, имеющего энергию кванта 250 КэВ. На практике понятие эквивалентной дозы применяют лишь для характеристики радиационных воздействий в малых дозах (не более 5 годовых ПДД для профессионалов).

Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов.

Единица измерения эффективной дозы - Дж·кг^-1, название – зиверт (Зв).

Бэр - биологический эквивалент рентгена (в некоторых книгах - рада).Внесистемная единица измерения эквивалентной дозы. В общем случае:

1 бэр = 1 рад  К = 100 эрг/г  К = 0,01 Гр  К = 0,01 Дж/кг  К = 0,01 Зиверт

При оценке доз в медицинской практике можно считать (с минимальной погрешностью), что экспозиционная доза в 1 рентген для биологической ткани соответствует (эквивалентна) поглощённой дозе в 1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при К=1), то есть, грубо говоря, что 1 Р, 1 рад и 1 бэр - это одно и то же.

При коэффициенте качества излучения К = 1, то есть для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов, 1 бэр соответствует поглощённой дозев 1 рад.

1 бэр = 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр = 0,01 Дж/кг = 0,01 Зиверт

Зиверт – большая единица дозы: грубо говоря (для биологических объектов) 1 зиверт = 100 рентген, поэтому на практике используются меньшие единицы.

Доза эффективная (эквивалентная) годовая- сумма эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же год.

Единица годовой эффективной дозы - зиверт (Зв).

Доза эффективная коллективная- мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения; она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица эффективной коллективной дозы - человеко-зиверт (чел.-Зв).

Зиверт- см. доза эквивалентная и эффективная

Коэффициент качества- устаревшее название взвешивающих коэффициентов для отдельных видов излучения.

Мощность дозы- доза излучения за единицу времени (секунду, минуту, час).

Период полувыведения (биологический) Т_б-время, за которое активность нуклида, накопленного в организме (или органе), уменьшается вдвое только вследствие процессов биологического выделения.

Период полувыведения (эффективный) Т_эф-время,в течение которого активность нуклидав организме или его части уменьшаетсяв 2 раза за счет биологического выведения и радиоактивного распада нуклида:

,

где Т_1/2 и Т_б- период полураспада нуклида (физический) и период полувыведения (биологический).

Распределение радионуклидов в организме- избирательная повышенная концентрация ряда радионуклидов в отдельных органах организма, обусловленная как химическими свойствами элементов, так и особенностями деятельности органов.

Фон- мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте.

Фон естественный- мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ.

Эффекты облучения детерминированные- клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением,в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше - тяжесть эффекта зависит от дозы.

Эффекты облучения генетические-вызванные облучением генные лучевые повреждения в организме, которые могут привести к изменениям в организме его потомства.

Эффекты облучения канцерогенные- приводящие к возникновению злокачественных опухолей.

Эффекты излучения стохастические-вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, не имеющие дозового порога возникновения, вероятность возникновения которых пропорциональна дозе и для которых тяжесть проявления не зависит от дозы.

Эффекты облучения соматические- изменения в организме самого облученного индивидуума, не передающиеся потомству.

Еще раз напомним, что зиверт (Зв) - единица эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ. 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение величины поглощённой дозы в Грэях (в биологической ткани) на коэффициент W будет равно 1 Дж/кг. Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж.В общем случае:

1 Зв = 1 Гр·W = 1 Дж/кг·W = 100 рад·W = 100 бэр

При W=1 (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов)

1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр: 1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бэр.

Предельно допустимые и летальные дозы

Нормы радиационной безопасности распространяются на следующиевидывоздействия ионизирующих излучений на человека:

• в условиях нормальной эксплуатации техногенных источников излучения;

• в условиях радиационной аварии;

• от природных источников излучения;

• при медицинском облучении.

Требования норм, а соответственно и санитарных правил, не распространяются на источники излучения, создающие при любых условиях обращения с ними:

• индивидуальную годовую эффективность дозу не более 10 мкЗв;

• индивидуальную годовую эквивалентную дозув коже не более 50 мЗв ив хрусталике глаза не более 15 мЗв;

• коллективную эффективную годовую дозу не более 1 чел. Зв.

Требования норм так же не распространяются на космическое излучение на поверхности земли и внутреннее облучение человека, создаваемое природным калием - 40, на которые практически невозможно влиять.

Нормами радиационной безопасности устанавливаются основные дозовые пределы и производные от них контролируемые параметры. К основным дозовым пределам относятся: эффективная доза, эквивалентные дозы облучения хрусталика глаза, кожи, кистей и стоп за год. При оценке доз облучения персонала или населения необходимо учитывать характер облучения: при общем облучении доза сравнивается с эффективной дозой, а при местном облучении - с пределом эквивалентной дозы для облучаемой части тела. Распределение получаемой дозы в течение года не регламентируется, за исключением женщинв возрасте до 45 лет, для которых месячная доза облучения области живота не должна превышать 1 мЗв, а годовое поступление радионуклидов не должно превышать 1/20 предела годового поступления (ПГП) для персонала.

Выброс радионуклидов в атмосферу.

В атмосферном воздухе радионуклиды могут присутствовать в виде газа (например, радона) или аэрозолей, при этом последние главным образом и участвуют в процессах миграции.

Поведение радионуклидов в аэрозольной форме зависит от степени дисперсности частиц, в которых они содержатся, высоты выбросов, метеорологических условий и других факторов. Крупные частицы оседают в районе их образования или выброса, вызывая локальные загрязнения; более мелкие частицы могут проникать в верхние слои тропосферы и даже в стратосферу, широко рассеиваться воздушными потоками и, оседая, приводить к региональным и глобальным загрязнениям территории.

В стратосферу инжектируются мелкодисперсные (1 мкм и менее) частицы в основном при мощных термоядерных взрывах. С воздушными течениями они переносятся преимущественно в широтном направлении, многократно опоясывая земной шар и вызывая глобальные радиоактивные выпадения. Гравитационное оседание этих частиц крайне замедлено, и поэтому период полуочищения стратосферы от радионуклидов велик и колеблется от 7 месяцев до 1 года и более. В верхние слои тропосферы радионуклиды попадают также в основном при атомных взрывах. Здесь они рассеиваются ветрами и вертикальными смещениями воздушных масс и постепенно выпадают на поверхность земли с атмосферными осадками, в результате гравитационного оседания, электростатического осаждения на частицах нерадиоактивной пыли, соприкосновения с почвой, водой, наземными объектами и других процессов, образуя тропосферные радиоактивные выпадения и приводя к региональным загрязнениям. Период полуочищения тропосферы значительно короче и составляет 20-40 сут. Максимальные загрязнения атмосферного воздуха наблюдаются на широте 25-35° обоих полушарий, а максимальные выпадения радионуклидов - в средних (40-50°) широтах, причем наибольшие уровни этих выпадений обусловлены атмосферными осадками и приходятся на весенне-летний период.

Выбросы радионуклидов в атмосферу от радиологических объектов, за исключением крупных аварийных ситуаций, могут приводить в основном к локальным выпадениям и загрязнениям. На степень рассеяния радионуклидов в выбросах этих объектов, помимо вышеуказанных факторов, влияют высота вентиляционных труб, сила тяги в них, температура выбросов, рельеф местности и т.д. Наиболее неблагоприятная обстановка складывается в условиях температурной инверсии и образования так называемой задымляющей струи, когда зона соприкосновения факела с поверхностью земли располагается вблизи трубы и человек может подвергнуться непосредственному воздействию радиоактивных выбросов. Радионуклиды, выпавшие из атмосферного воздуха в наземные биогеоценозы и водную среду, включаются в биогеохимические процессы.

Сброс радионуклидов в водоемы.

В моря, океаны, пресноводные водоемы радионуклиды могут поступать непосредственно (например, с удаляемыми отходами), в результате выпадения из атмосферы, с жидкими и твердыми стоками с берегов и т.п. Отмечена более высокая плотность радиоактивных выпадений на океаническую поверхность, чем на поверхность континентов. Радиоактивное загрязнение гидросферы создает сложные гигиенические проблемы, связанные с употреблением водной биопродукции, а также с использованием водоемов для водоснабжения, орошения, рекреационных и других целей.

Основные направления миграции радионуклидов в водоемах (разбавление, сорбция донными отложениями, накопление гидробионтами, поступление на береговую территорию) определяются интенсивностью гидрологических, гидрохимических, биологических, метеорологических и других процессов. Разбавление радионуклидов в водной среде происходит в результате течений, ветровых волнений и диффузии. Разбавлением достигается снижение высоких опасных концентраций радионуклидов в местах сброса, однако широкое рассеяние их ведет к определенному ухудшению радиоэкологической ситуации на значительных пространствах. О подвижности радионуклидов в воде судят по периоду пребывания их в водной фазе - среднему времени нахождения нуклида в воде между поступлением и переходом в донные отложения.

В донные отложения радионуклиды поступают за счет процессов осаждения, диффузии, ионного обмена, с отмирающими организмами и т.д. Степень накопления радионуклидов на дне определяют размер частиц грунта, химические свойства воды, отложений и соединений, содержащих радионуклиды, глубины водоема. Так, суглинки обладают большей сорбционной способностью, чем пески. Стронций-90 сорбируется мало, а прометий-147 - в максимальной степени. С повышением солености воды переход радионуклидов в грунты уменьшается. На малых глубинах в прибрежных районах радионуклиды быстро выпадают на дно, в то время как снижения активности воды в открытом океане почти не наблюдается, хотя содержание стронций-90 и цезия-137 в воде открытых океанов ниже, чем в воде закрытых морей. Инертные в химическом отношении радионуклиды и их соединения не задерживаются в прибрежных районах и выносятся в открытый океан.

Оседающие на дно радионуклиды медленно проникают в грунт на различную глубину в зависимости от степени его рыхлости: в плотных глинистых породах - на 15 см, а в песке и торфе - до 1,5 м. Наряду с сорбцией радионуклидов в донных отложениях происходят и обратные процессы их десорбции в воду. Это взаимосвязанные процессы, динамическое равновесие между которыми наступает при постоянной концентрации радионуклидов в воде, а с уменьшением концентрации - дно может стать источником вторичного загрязнения воды.

Сорбционная способность донных отложений характеризуется коэффициентами распределения - отношением количества радионуклида в единице массы высушенного образца грунта к количеству радионуклида в единице объема воды. Коэффициенты распределения радионуклидов широко варьируют (1•10²-1•10⁵): для кальция-45 и стронция-90 они минимальны, а для прометия-147 - максимальны. Высокая сорбционная емкость донных отложений может приводить к накоплению радионуклидов на дне и, соответственно, в донных организмах, с которыми РВ могут попадать в организм человека.

Водные растительные и животные организмы играют важную роль в миграции радионуклидов в водной среде и являются основным звеном пищевой цепи, по которой РВ могут попадать из гидросферы в организм человека. Гидробионты усваивают радионуклиды из воды, донных отложений и других организмов по пищевым цепям. Степень накопления радионуклидов растительными и животными организмами широко колеблется даже у одних и тех же видов в зависимости от минерализации воды, стадии развития гидробионта, химических свойств радионуклида и других экологических условий. Так, содержание стронция-90 и цезия-137 в морских организмах значительно ниже, чем в пресноводных, а травоядные животные по сравнению с хищниками в большей степени усваивают радионуклиды.

Наиболее активно усваиваются гидробионтами радионуклиды, относящиеся к структурным элементам (углерод, азот, фосфор, кремний, кальций, стронций), элементам-катализаторам (железо, цинк, марганец, кобальт, никель, хром), легко гидролизующимся элементам (алюминий, селен, иттрий, церий, рутений), тяжелым галогенам и тяжелым двухвалентным ионам. Оценку аккумуляции радионуклидов гидробионтами проводят по коэффициентам накопления - отношению концентраций радионуклида в гидробионтах и воде. Эти коэффициенты для различных организмов и радионуклидов варьируют очень широко (1•10¹-1•10⁵), причем наибольшие значения их характерны для зоо- и фитопланктона, бентосных организмов.

На береговую полосу из водоемов радионуклиды могут попадать в результате хозяйственной деятельности человека, переноса образующихся над водной поверхностью аэрозолей, затоплений при паводках и приливах, переноса насекомыми, земноводными, птицами и т.п.

6. Источники естественного фонового облучения в биосфере и природный радиационный фон. Радиоактивность горных пород. Радиоактивность почвы. Радиоактивность атмосферы. Радиоактивность гидросферы. Радиоактивность биоты. Радиоактивность человека. Природный радиационный фон. Дозы внешнего облучения. Дозы внутреннего облучения. Суммарный радиационный фон.

Eстественный радиационный фон, ионизирующие излучения, источниками которых являются космические лучи и естественно распределённые в природе радионуклиды. Космические лучипредставляют собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из мирового пространства. Естественые радионуклиды принадлежат к сильно рассеянным элементам и повсеместно присутствуют в окружающей среде (Радиоактивность горных пород. Радиоактивность вод, Радиоактивность атмосферы),а также в животных и растительных организмах. Фоновому облучению подвергаются все живые организмы Земли, в том числе человек. В зависимости от высоты над уровнем моря и содержания радионуклидов в окружающей среде колеблется в значительных пределах. В отдельных районах с высоким содержанием природных радионуклидов он может достигать 1000 мрад/год и больше. Жизнь на Земле возникла и развивалась в условиях воздействия ионизирующих излучений.

Ядерные взрывы и поступление радиоактивных отходов с предприятий атомной промышленности, атомных электростанций и др. привели к некоторому повышению радиационного фона Земли (Радиоактивное загрязнение). Дозы облучения от глобальных радиоактивных выпадений составляли единицы - десятки мрад/год. В основном они определялись поступлением в организм людей искусственных радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs.

В районах локальных выпадений дозы внешнего и внутреннего облучения выше. В формировании их основное значение имели короткоживущие изотопы продуктов ядерного деления (¹³¹J, ⁸⁹Sr, ¹⁴⁰Ba). Повышение радиационного фона Земли может привести к накоплению в популяциях организмов, в том числе и людей, вредных мутаций.

Радиоактивность горных пород

Среди изверженных горных пород наибольшей радиоактивностью обладают кислые (U - 3,5 ․10^-4; Th - 1,8․10^-3), наименьшей - ультраосновные породы (U - 3․10^-7; Th - 5․10^-7). В кристаллических горных породах радиоактивные элементы частично входят в состав акцессорных минералов, Ортита, Циркона, Монацита, Апатита, сфена и др., а также частично присутствуют в форме окислов, химически не связанных с определёнными минералами.

Содержание радиоактивных элементов в осадочных горных породах (U - 3,2․10^-4; Th - 1,1․10^-3) определяется их происхождением; максимальные концентрации в органогенных осадках обусловлены присутствием углерода органического происхождения, фосфатов и др. веществ, являющихся важными осадителями урана (напротив, хемогенные осадки - гипс, каменная соль - отличаются низкой радиоактивностью).

В почвах отношение Th к U значительно выше, чем в коренных (массивных) породах, что связано с накоплением Th в неразрушаемых остатках пород и миграцией легкоподвижного U.

В молодых глубоководных морских отложениях наблюдается значительное накопление иония (изотопа Th, члена радиоактивного ряда ₉₂²³⁸U), в десятки раз большее по сравнению с равновесным его содержанием в уране. Это обусловлено химическими особенностями иония, благоприятствующими выпадению его из воды с осадками, в отличие от U, удерживающегося в растворе.

Кристаллические породы Луны (базальты, анортозиты) заметно обеднены радиоактивными элементами (U - 0,24․10^-4, Th - 1,14․10^-4), а породы Венеры характеризуются соотношениями U (2,2․10^-4) и Th (6,5․10^-4), близкими земным (каменные метеориты соответственно содержат U - 1,5․10^-6 и Th - 4․10^-6).

Радиоактивность вод

обусловлена присутствием в водах радиоактивных веществ, поступающих из атмосферы и вымываемых из почв и горных пород. В водах присутствуют как естественные радиоактивные изотопы (⁴⁰K, ²²²Rn, ²²⁶Ra, ²³⁸U и др.), так и искусственные (в основном ⁹⁰Sr, ⁹⁰Y и ¹³⁷Cs), возникшие вследствие ядерных взрывов. Содержание естественных радиоактивных веществ в водах в зависимости от их происхождения колеблется в значительной степени (см. табл.).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Происхождение воды | Концентрация в 10^-12 кюри/л |

| |--------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | ⁴⁰K | ²²⁶Ra | ²²²Rn | ²³⁸U |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Подземные воды | - | 4 (до 26) | до 200 | 2,4 (до 40) |

| Источники и ручьи | - | до 140 | до 3-10⁴ | до 4 |

| Речные воды | 8 | 0,2 (до 0,8) | 0,2-0,3 | 0,2 (до 20) |

| Озёрные воды | 13 | 1 (до 8) | - | 3 |

| Морская вода | 300 | 0,08 (до 45) | - | 0,7 |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Искусственные радиоактивные вещества в воды поступают вместе с осадками из атмосферы (Радиоактивность осадков). Так, в результате испытаний ядерного оружия концентрация ⁹⁰Sr в природных водах до 1968 непрерывно возрастала, достигая в отдельных случаях 10 пкюри/л. Другой основной источник попадания искусственных радиоактивных веществ в водоёмы - сбросные воды предприятий по производству ядерного топлива.

Радиоактивность атмосферы

Обусловлена присутствием в атмосфере радиоактивных газов и аэрозолей, попадающих в неё в результате процессов, происходящих в природе, и деятельности человека. Соответственно различают естественную и искусственную Р. а. Естественные радиоактивные газы являются изотопами радона: ²²²Rn - радон, ²²⁰Rn - торон, ²¹⁹Rn - актинон, и образуются вследствие радиоактивного распада ²³⁸U, ²³²Th и ²³⁵U (Радиоактивные ряды). Они поступают в атмосферу с почвенным воздухом при обмене его с атмосферным или путём диффузии. При радиоактивном распаде изотопов Rn образуются аэрозольные продукты их распада (см. Радиоактивные аэрозоли), т.к. возникающие при этом химические элементы относятся к металлам и не летучи при обычных условиях (Po, Bi и др.). При этом ²³²Rn (период полураспада T_1/2 = 3,8 сут) распространяется в пределах тропосферы, а его долгоживущие продукты распада ²¹⁰Pb (RaD), ²¹⁰Bi (RaE), ²¹⁰Po (RaF) обнаружены в стратосфере. Содержание ²²²Rn в воздухе над океанами на 2 порядка ниже, чем над материками, а концентрация над земной поверхностью уменьшается примерно вдвое на каждый км высоты. Торон и актинон вследствие малого значения T_1/2 (54 сек и 3,9 сек) присутствуют только у земной поверхности. Продукт распада торона ²¹²Pb (ThB) с T_1/2 =10,6 чобнаруживается в нижней тропосфере. В воздухе над океанами ²²⁰Rn, ²¹⁰Rn и их продукты распада практически отсутствуют.

Основная масса естественных радиоактивных изотопов ⁷Be, ¹⁰Be, ³⁵S, ³²P, ³³P, ²²Na, ¹⁴C, ³H), возникающих при взаимодействии космического излучения с ядрами атомов химических элементов, входящих в состав воздуха, образуется в стратосфере, где и отмечаются наибольшие их концентрации.

Искусственные радиоактивные аэрозоли образуются при ядерных взрывах. Через несколько десятков сек после взрыва они содержат Радиоактивность атмосферы 100 различных радиоактивных изотопов; наиболее токсичными из них считаются ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴C, ¹³¹I. Высота заброса в атмосферу радиоактивных аэрозолей зависит от мощности и высоты ядерного взрыва, а характер их распространения - от размеров частиц и от высоты заброса их в атмосферу. Наиболее крупные частицы (сотни мкми выше) быстро выпадают из атмосферы, распространяясь всего на сотни кмот места взрыва (локальные выпадения). Однако в случае взрывов мощных ядерных бомб (эквивалентных десяткам мегатонн тринитротолуола) они попадают в стратосферу и, прежде чем выпадут на поверхность Земли, могут пройти в атмосфере тысячи км. Мелкие аэрозоли (размером не более нескольких мкм), попавшие при взрыве в верхнюю тропосферу, обычно распространяются вдоль зонального пояса широт с запада на восток, а заброшенные в стратосферу выпадают на поверхность Земли в пределах всего полушария, а в некоторых случаях - в обоих полушариях, поэтому выпадения этих аэрозолей называются глобальными.

Основной механизм очищения атмосферы от радиоактивных аэрозолей - выпадение осадков (см. Радиоактивность осадков). Среднее время τ пребывания радиоактивного аэрозоля в нижней тропосфере (до момента его выпадения на земную поверхность) порядка нескольких сут, а в верхней тропосфере 20-40 сут.Радиоактивные аэрозоли, попавшие в нижние слои стратосферы, имеют τ порядка года и выше. Величина τ растет с увеличением высоты заброса в стратосферу. Обычно бо́льшая часть радиоактивных продуктов деления остаётся в пределах того полушария, где проведён взрыв ядерной бомбы.

Концентрация продуктов деления в тропосфере растет с высотой. Особенно большой рост отмечается при переходе через тропопазу. В стратосфере максимум концентрации продуктов деления по измерениям до осени 1961 отмечался на высоте 19-23 км(примерно на той же высоте, что и слой максимальной концентрации нерадиоактивного аэрозоля). Радиоактивное загрязнение атмосферы от предприятий атомной промышленности имеет чаще всего локальный характер; однако ⁸⁵Kr распределён по всей тропосфере.

Изучение распространения в атмосфере естественных радиоактивных аэрозолей, а также продуктов ядерных взрывов позволило получить некоторые характеристики физики атмосферы: скорость вымывания аэрозолей из атмосферы, оценку коэффициента макротурбулентной диффузии и скорости обмена между атмосферами полушарий, а также между стратосферой и тропосферой и т.д