Земная радиация

Основной вклад в формирование естественного радиоактивного фона вносят радионуклиды, содержащиеся в горных породах: калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств урана-238 и тория-232.

Калий-40 (Т_1/2 =1,3 млн лет) встречается в виде трех изотопов — калий-39, калий-40 и ка­лий-41, из которых радиоактивен только калий-40, усваивающийся организмом вместе со стабильными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Соотношение изотопов в составе природного калия соответствует: ка­лий-39 — 93,08 %, калий-41 — 6,91 %, ка­лий-40 — 0,01 %, причем он усваивается любым организмом без изменения изотопного состава. В наибольших концентрациях калий-40 содержится в фосфатно-калийных и азотно-фосфорно-калийных удобрениях, с которыми он попадает в сельскохозяйственные культуры и пищу. Лучшими аккумуляторами калия среди культурных растений являются: фасоль, картофе­ль, орехи и клюк­ва; среди дикорастущих - мак­симальные значения характерны для высших цветковых растений; несколько ниже они у голосемянных и минимальны — у мхов и лишайников. Особенно велика роль калия-40 при внутреннем облучении организма, т.к. калий активно по­глощается организмом из окружающей сре­ды и участвует в обмене веществ. Калий-40 является основным естественным бета-излучателем, содержащимся в теле лю­бого представителя флоры и фауны (4,98).

Рубидий-87 (Т_1/2 =61 млрд лет) является хи­мическим аналогом калия и встречается всегда вместе с ним. Рубидий имеет два изотопа — стабильный рубидий-85 и радиоактивный рубидий-87, который рас­пространен в окружающей среде в микро­количествах. Это радионуклид с «мягким» бета-излучением (99).

Радиоактивные семейства (ряды) – это генетически связанные последовательным радиоактивным распадом цепочки (ряды) ядер естественного происхождения. В природных рядах наблюдается только α- и β- распад.

Семейство урана. В природе уран состоит из трех изото­пов — уран-238 (Т_1/2 =4,5 млрд лет), уран-235 (Т_1/2 =0,7 млрд лет) и уран-234 (Т_1/2 =248 тыс. лет). Ос­новную массу составляет уран-238 (99,28 %). Однако, уран-234 является аль­фа-излучателем и имеет меньший период полураспада, поэтому он вносит почти такой же вклад в облучение окружающей среды, как и уран-238 (1, 29).

Основная часть природного урана находится в мелкодисперсном состоянии в горных породах и почвах, а также в океанах, морях, озерах и реках. Однако встречаются и урановые провинции, где на многие сотни километров вокруг отмечается повышенное содер­жание урана во всех компонентах биогеоценозов. Известны урановые провинции в США (плато Колорадо, урановые месторождения в штатах Вайоминг, Дакота, Невада, Вашинг­тон), на западе Аргентины, вдоль Бразиль­ского горного щита и на юге Африки, а также во Франции, в Чехии и Словакии.

Например, эквивалентная доза, получаемая 12-тысячным населением курортного города Гуапари (Бразилия), в 800 превосходит средний уровень и достигает 250 мЗв/год.

В организме млекопи­тающих уран накапливается в основном в костной ткани, причем более интен­сивно в молодых организмах. Население Западной Австралии, про­живающее в районах с повышенной концен­трацией урана, питающееся мясом овец и кенгуру, получает дозы, в 75 раз превосхо­дящие средний уровень (7,3). Среди растений лучшими аккумуляторами являются мхи.

В процессе распада родоначальника семейства урана-238 образуется ряд продуктов, которые вносят значительный вклад в формирование естественного радиационного фона.

Радий-226 (Т_1/2 =1620 лет) —испускает альфа-излу­чение и гамма-излучение. Он сопут­ствует урану в местах его накопления и встречается повсеместно. Активно накапливается в растениях и рыбе, откуда по­ступает в организм млекопитающих, накапливаясь в основном в костях скелета, а также мяг­ких тканях (55).

Рассеянный в земных породах ра­дий-226 непрерывно распадается с образо­ванием инертного благородного газа — радона-222 (Т1/2= 3,82 суток). Это коротко живущий альфа-излучатель, который при распаде дает ряд дочерних, тоже радиоактивных нуклидов, излучающих альфа-, бета- и гамма-лучи.

Наибольший вклад в радиоактивное облучение человека вносит именно радон. Он ответственен за 3/4 годовой дозы облучения, получаемой людьми от земных источников радиации и примерно за половину этой дозы от всех природных источников. Радон не вступает в химические связи с другими элементами, но сравнительно хо­рошо растворим в воде, и способен ми­грировать на значительные расстояния, что создает благоприятные условия для рассея­ния в биосфере долгоживущих продуктов его распада. При альфа-распаде образуется целый ряд более опасных изотопов: полная цепочка распада выглядит так: Радий-226 (Т1/2= 1600 лет) альфа-распад => Радон-222 (Т1/2= 3,82 дня) альфа-распад => Полоний-218 (Т1/2= 3,11 минуты) альфа-распад => Свинец-214 (Т1/2= 26,8 минуты) бета-распад => Висмут-214 (Т1/2= 19,9 минуты) бета-распад => Полоний-214 (Т1/2= 163 микросекунды) альфа-распад => Свинец-210 (Т1/2= 22,3 года) бета-распад => Висмут-210 (Т1/2= 5,01 дня) бета-распад => Полоний-210 (Т1/2= 138 дней) альфа-распад => Свинец-206 (устойчивый). Короткоживущие продукты распада не представляют особой опасности, поэтому наибольшее значение в этой цепочке имеют наиболее долгоживущие свинец-210 и полоний-210. В растения эти изотопы поступают из почвы через корневую систему, а также через листья с дождевой влагой. Например, обнаружено, что со­держание свинца-210 в траве боль­ше соотносится с количеством осадков, чем с его содержанием в почве. Свинец-210 наиболее сильно аккумулируется лишайниками (содержание в 50 раз выше, чем в высших расте­ниях) и мхах (в 20—30 раз выше).

Поэтому в районах Крайнего Севера в нашей стране, а также в Скандинавских странах, США и Канаде от­мечается повышенная концентрация ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро в пищевых цепоч­ках и организме человека. Повышенное поступле­ние свинца-210 и полония-210 связано с пищевой цепочкой лишайник—олень—человек. Оленина является основным источником мяса для оленеводов и коренных жите­лей этих районов, а из-за длительного выпаса оленей на пастбищах с лишайниками, характеризующимися интенсивным накопле­нием свинца и полония, мясо оленей отличается высокой концентрацией этих радионуклидов. Главным путем перехода РЬ и Ро в лишайники, не имеющие корневой системы, является поступление из воздyxa. Вследствие большой сорбционной способности фитомассы лишайников, экспонированной к содержащимся в воздухе свинцу и полонию, и большой продолжительности жизни лишайников (свыше 300 лет), они характеризуются высокой концентрацией ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро. Период полуочищения лишайников от этих изотопов, по расчетам, равен 7 годам, т. е. эти радионуклиды выводятся очень медленно (2,37).

Олень потребляет ежесуточно 3—4 кг лишайников, что приво­дит к поступлению в его организм около 10 нКи ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро. Кон­центрация этих изотопов в скелете оленя колеблется соответственно в пределах 1,5—5,8 и 2,0—5,0 нКи/кг сырой массы. Количество полония в оленине в зависимости от сезона может изменяться в четыре раза, достигая минимума ранней осенью, когда помимо лишайников в рационе значительное место занимают другие корма.

Поступление свинца в рацион коренных жителей в районах Край­него Севера превышает переход этого радионуклида для регионов с «нормальным» пищевым поступлением не очень значительно, а для полония оно больше в среднем в десять раз (среднее поступле­ние ²¹⁰Ро на Крайнем Севере с пищевыми продуктами принимает­ся равным 100 пКи/сут). В крови, плаценте и гонадах коренных жителей Край­него Севера концентрация свинца и полония в 2—12 раз выше, чем у жителей Западной Европы (1,38).

Очень большое количество ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро содержится в съедобных частях водных организмов: в мышцах рыб и моллюсках. Если роль этих пищевых продуктов в рационе значительна (как, напри­мер, в Японии), то общее поступление этих радионуклидов в организм человека существенно выше.

Радон выделяется из почвы практически по всей поверхности земли. Хотя радон в 7,5 раз тяжелее воздуха, он выталкивается на поверхность избыточным давлением из недр. Средние мировые значения объемной активности радона в наружном воздухе на высоте 1 м от поверхности земли составляют от 7 до 12 Бк/м³ фоновое значение). На территориях с насыщенными радоном грунтами эта величина может достигать 50 Бк/м³. При возведении здания участок поверхности земли изолируется цоколем или фундаментом здания от окружающего пространства. Поэтому радон, выделяющийся из залегающих под зданием грунтов, не может свободно рассредоточиваться в атмосфере, и проникает в здание, где его концентрация в воздухе помещений становится выше, чем в наружном воздухе(рис.15).
Основную часть дозы человек получает с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых или плохо проветриваемых помещениях. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем пример­но в 8 раз выше, чем в наружном воздухе (78).

Рис 15. Пути проникновения радона в жилой дом (125).

Максимальная концентрация радона наблюдается в подвалах и на первых этажах зданий. При измерениях уровня радона в городах Республики Беларусь установлено, что в отдельных подвальных помещениях концентрация радона превышает санитарно-гигиеническую норму в 7 раз, в полуподвальных - в 2,5 раза и на первых этажах - в 1,5-2,5 раза.
Наиболее распространенные строи­тельные материалы (дерево, кирпич и бе­тон) выделяют относительно немного радо­на. Гораздо большей удельной радиоактив­ностью обладает гранит. Использование в изготовлении строительных материалов отходов производства аллюминия (кирпич из красной глины), черной металлургии и побоч­ных продуктов переработки фосфорных руд: кальцийсиликатный шлак (при производст­ве бетона) и фосфогипс (при изготовлении строительных блоков, сухой штукатурки, перегородок и цемента) приводит к увеличению концентрации радона в строениях (рис.16).

Рисунок 16. Соотношение доз облучения, связанных с радоном (126).

Выделения радона из поверхностных водных источников, а также из сжигаемых в котлах дизельного топлива или природного газа, обычно пренебрежимо малы. Однако радон хорошо растворяется в воде, поэтому высокое содержание радона может быть в воде, подаваемой в здания непосредственно из скважин глубокого заложения. Эксперты Международного агентства по исследованию рака [ICRP,1994] считают, что из воды в здания поступает до 20% радона. Вода является одним из источников обогащения радоном жилых помещений. Концентрация его в воде из глубо­ких колодцев или артезианских скважин может достигать 100 млн Бк/м³. При кипя­чении воды радон в значительной степени улетучивается, поэтому основную опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие с вдыхае­мым воздухом.

Радон может поступать в жилые помеще­ния и с природным газом. При его переработке и хранении большая часть радона уле­тучивается, но концентрация радона в поме­щении может заметно возрасти, если кухон­ные плиты, в которых сжигается газ, не снаб­жены вытяжкой. Поэтому необходимо часто проветривать помещения, особенно кухни и ванные комнаты (Рис.17).

Рисунок 17. Накопления радона в различных помещениях (127).

Сле­дует отметить, что в некоторых курортных городах, из­вестных своими радиоактивными источниками, таких, как Цхалтубо, Хмельник, Пятигорск, Белокуриха в СССР, Баден-Баден, Висбаден в ФРГ, Брамбах в Германии, Масутами-Спрингс в Японии и других, уровень ра­дона значительно выше средних значений, но именно это привлекает миллионы туристов ежегодно (100,5).

Семейство Тория. Вторым после урана широко распрост­раненным естественным радионуклидом яв­ляется торий-232 (Т1/2= 14 млрд лет). Сам торий является аль­фа-излучателем, однако в зонах его распространения естес­твенный радиоактивный фон повышается за счет электронов, испускаемых дочерними продуктами распа­да.

Из дочерних продуктов распада наиболее долгоживущими является радий-228 (Т1/2= 6,7 лет) и торий-228 (Т1/2= 1,9 года). Остальные продукты распада (актиний-228, радий-224, радон-220, полоний-216, свинец-212, висмут-212, тулий-208) короткоживущие, их период полураспада составляет от нескольких часов до нескольких секунд. Торий встречается и в виде крупных месторождений, и в рассеянном состоянии во всех породах и водах. Его повышенное содержание обнаружено в Бразилии (шта­ты Эспириту-Санту и Рио-де-Жанейро), в Индии (штаты Керала и Тамилнад), в горных районах Франции, Ни­герии, Ирана, Италии, Мадагаскара; в поч­вах 33 штатов США и зоны ма­лого Кавказа и Азербайджана. В приземном слое атмосферы концентра­ция тория сильно колеблется в зависимос­ти от ее запыленности (4).

Из горных пород и почв торий-232 и продукт его распада радий-228 путем выщелачивания поступают в воду. Из почвы торий в небольшом количестве поступает в рас­тения. Исследования, проведенные в Бе­лоруссии, показали, что наилучшими аккумуляторами тория-232, содержащегося в поверхностном слое, являются черника, вереск и лишайники. Среди животных максимальное содержа­ние тория зафиксировано в наземных мол­люсках. Среди пищевых растений наиболее активно накапливают торий помидоры, далее следуют огурцы, сахарная свекла, го­рох, капуста и столовая свекла. В организме человека торий накапливается в костной и мягких тка­нях (58).

В морской воде то­рий-232 присутствует в очень малой концен­трации, однако, морские организ­мы накапливают его в значительном ко­личестве. Например, коэффициенты накопления (отношения концентрации в организме к концентрации в воде) для разных типов планктона колеблются от 560 до 1400. Торий при распаде выделяет инертный радиоактивный газ торон-222, который в настоящее время называется радон-222 и его поведение в среде аналогично описанному выше.

Семейство актиния (урана-актиния) начинается с урана-235 (Т_1/2 =0,7 млрд лет) и заканчивается стабильным свинцом-207. Среди продуктов распада, большинство из которых являются короткоживущими, встречаются два долгоживущих изотопа: протактиний-231 (Т_1/2 =32760 лет) и актиний-227 (Т_1/2 =21.772 года). Первый является α -излучателем, второй - β -излучателем. Содержание в земной коре крайне невелико, поэтому представители данного семейства не оказывают заметного слияния на биосферу.

Все три радиоактивных семейства связаны между собой (рис.18).

Рисунок 18. Сотношение различных естественных источников облучения (128).

Дата добавления: 2014-12-26