1) Естественное (природное) излучение; 2)излучение окружающей среды от искусственных радионуклидов.

Естественные радионуклиды - обычная составная часть вещества геосистемы, а природный радиационный фон, приводящий к облучению любого объекта во внешней среде, - один из экологических факторов, воздействующих на все живое на Земле.

Живые организмы подвергаются непрерывному воздействию ионизирующих излучений от различных естественных источников. По вкладу в суммарное облучение растений, животных и человека в современный период природный радиационный фон превосходит многие другие источники. Мощность ионизирующих излучений от естественных источников изменяется в различных геосистемах и даже на ограниченных участках отдельных геосистем в широких пределах. Размеры этих колебаний представляют большой интерес, так как они обусловлены различиями внутренней структуры геосистемы.

Интерес к изучению распространения природных радинуклидов в геосистемах и к оценке естественного радиационного фона связан с необходимостью изучения изменчивости энергетических характеристик геосистем, последствий облучения растений, животных и человека от поступающих в геосистемы искусственных радиоактивных веществ, роста использования в различхы сферах хозяйственной деятельности человека ионизирующих излучений, а также технологического повышения радиационного фона. Сравнивать рост фона ионизирующих излучений в результате поступления в геосистемы радионуклидов целесообразно путем сопоставления этого прироста с естественным фоном. При таком сравнении правомерно допустить, что в процессе эволюции в геологически длительное время все живые организмы, включая человека, могли выработать механизмы адаптации к действию естественного фона.

В биосфере Земли встречается более 60 естественных радионуклидов, которые можно разделить на две категории: первичные и космогенные. Первичные естественные радионуклиды, в свою очередь, могут быть разделены на две группы: 1) радионуклиды, находящиеся вне радиоактивных рядов, включая продукты спонтанного деления тяжелых ядер; 2)радионуклиды урано-радиевого, актиниевого и ториевого рядов.

В первую группу входят 11 радиоизотопов элементов, находящихся в разных местах Периодической таблицы Д.И.Менделеева и характеризующихся длительными периодами полураспада - от 107 до 1015 лет. Некоторые из них по происхождению связаны со спонтанным делением урана in situ. Полагают, что содержащиеся в оболочке Земли радионуклиды были образованы в период ее формирования как планеты. Вторую группу составляют 32 находящихся в биосфере радионуклида - продуктов распада долгоживущих изотопов урана и тория.

Космогенные радионуклиды образуются в основном в результате взаимодействия космического излучения с веществом атмосферы и в меньшей степени с веществом твердых оболочек Земли. После образования в атмосфере, космогенные радионуклиды поступают на земную поверхность с атмосферными осадками, взаимодействуют в газообразной форме с компонентами геосистем или, сорбируясь на твердых частицах в атмосфере, оседает с ними на Землю. Таким образом, поступают на земную поверхность по меньшей мере 14 радионуклидов.

Распределение источников ионизирующих излучений в компонентах геосистем

Почвенный покров. Присутствие естественных радионуклидов в почвах обеспечивает их поступление в растения, животных, воздух и воду, а затем по цепочке пища - человек - накопление в организме человека и связанное с этим облучение. Содержащиеся в почвенном покрове радионуклиды - один из основных компонентов естественного радиационного фона геосистем.

Естественные радионуклиды можно разделить на три группы: 1) радиону-клиды, период полураспада которых сравним с возрастом Земли (например, 40К, 232Th, 238U ); 2) продукты распада урано-радиевого и ториевого рядов; 3) радионуклиды, образовавшиеся в результате взаимодействия космического излучения с веществом. В зависимости от концентрации в горных породах - источнике радиоактивных веществ для почв - содержание их в почвах может изменяться в 1000 раз. Наиболее высокие концентрации естественных радионуклидов характерны для кислых магматических пород и тяжелых по механическому составу глинистых пород, а низкие - для обломочных типа песков, песчаников и базальтов. Содержание первичных естественных радионуклидов, как правило, выше в изверженных породах типа гранитов и диоритов по сравнению с осадочными, хотя в осадочных породах (углях, горючих сланцах), содержащих органические остатки, концентрации первичных радионуклидов достаточно высокие.

Содержание и распределение первичных радионуклидов в почвах зависят от биохимических особенностей их миграции: концентрации этих радионуклидов меньше в почвах, характеризующихся выраженным течением элювиального процесса и гидроморфным режимом (почвы подзолистого ряда). В почвах аридных областей и регионов с умеренным увлажнением (серые лесные почвы, черноземы, сероземы) концентрация первичных радионуклидов выше.

Природные воды. Концентрации естественных радионуклидов в природных водах изменяется в весьма широких пределах в зависимости от генезиса вод, их физико-химического состава и т.п. В дождевой воде среди радионуклидов, образующихся в результате воздействия космического излучения, в небольших концентрациях присутствуют 3Не, 7Ве короткоживущие 38СI и 39Сl .

Таблица 5.

Средняя концентрация радионуклидов космического

происхождения в дождевой воде

Радионуклид

Т1/2

Концентрация, пКи/л

Радионуклид

Т1/2

Концентра-ция,

пКи/л

3Н

12,3 ч

10...20

32Р

14,3 сут

0,6

7Ве

53 сут

10...50

33Р

25 сут

0,2

22Na

2,6года

0,02

35S

87 сут

0,9

24Na

15,0 ч

0,1

38S

2,9 ч

2

28Mg

21,2 ч

0,02

34Cl

32,0 мин

0,3

31Si

2,6 ч

0,1

38Cl

37,3 мин

15

32Si

700 лет

0,0002

39Cl

55,5 мин

15

Из радионуклидов уранарадиевого ряда наибольшей концентрацией в природных водах характеризуются 222Ph с дочерними продуктами (210Рв, 210Po) и 226Ra; концентрация радионуклидов ториевого семейства меньше.

В питьевой воде среднее содержание естественных радионуклидов (пКи/л) составляет: 3Не-5, 40К-5, 210Ро-0,01, 210Рв-0,02, 238U-0,05.

Атмосфера: Генезис естественных радионуклидов в атмосфере различен: они могут поступать в воздух из почвы или образовываться при взаимодействии космических излучений (нейтронной компоненты) с веществом воздуха.

Наиболее важные естественные радионуклиды, содержащиеся в атмосфере, - радионуклиды радона: 220Rn(торон) и 222Rn и их дочерние продукты распада. Концентрация радиоизотопов радона, поступающих в приземный слой атмосферы из почвы, зависит от содержания в ней материнских нуклидов (224Ra и 226Ra), а также экологических факторов (влажность почвы, атмосферное давление, температура и др). В зависимости от географических условий концентрации радона в приземном слое воздуха может варьировать в достаточно широких пределах; в среднем содержание 220Rn и 222Rn составляет 100пКи/м.куб. В приводном слое воздуха она заметно меньше, а в зданиях - значительно выше (400 мКи/м.куб).

Основной источник дочерних продуктов распада 222Rn (210Pв и 210Po в атмосфере) - выделение 222Rn из земной коры, равное 0,6 мки/год. Тетраэтилсвинец, сжигаемые органические топлива и другие источники обеспечивают поступление 222Rn в атмосферу в количестве нескольких килокюри в год. В условиях равновесия в атмосфере должно содержаться около 20 мКи 210Pb и 210Ро. Однако вследствии вымывания и осаждения тропосферных аэрозолей на Землю выпадает около 50 кКи 210Pb и 5кКи 210Ро. Концентрация 210Pb и 210Ро в приземном слое воздуха достигает максимума в умеренных широтах северного полушария, где она равна соответственно 14 и 3,3 фКи/м.куб.

Естественный радиационный фон геосистем

Естественный радиационный фон геосистем определяется наличием двух источников: внешнего - космического излучения и земного - излучение радионуклидов, присутствующих в земной коре.

Космическое излучение разделяют на первичное (высокоэнергетические излучения, приходящие в атмосферу Земли из космоса) и вторичные (результат взаимодействия первичного космического излучения с веществом атмосферы, приводящего к образованию вторичных частиц и электромагнитного излучения). При вхождении высокоэнергетических частиц в атмосферу они реагируют с ее веществом, что приводит к образованию различных вторичных частиц, энергия которых достаточна для инициирования новых ядерных реакций с ядрами азота и кислорода.

Излучение ионизирующих излучений в приземном слое воздуха обусловлено присутствием в почве и атмосфере γ- излучающих радионуклидов. Основной вклад в формирование радиационного излучения геосистем вносит γ- излучающие нуклиды уранорадиоевого и ториевого рядов, а также 40К.

Технологически измененный естественный

радиационный фон геосистем

С деятельностью человека связано не только появление во внешней среде искусственных радионуклидов и повышение искусственного фона излучения геосистем. В результате различных технологических процессов естественное радиационное излучение геосистем может корректироваться, так как вследствие антропогенного влияния происходит перераспределение естественных радионуклидов в биосфере и увеличение интенсивности вовлечения их в экологический и технологический круговорот веществ в природе.

Сравнение содержания естественных радионуклидов в различных компонентах геосистемы свидетельствует о нарастании концентрации в них этой группы радиоактивных веществ по мере усиления индустриализации. Так, содержание 226Ra в современных ледниках Норвегии составляет 3,2 фКи/кг, что приблизительно в 5 раз выше, чем во льду, образовавшемся в ХII веке. (0,6 фКи/кг). Подсчитано ,что в XII веке на территории современной Норвегии концентрация 226Ra в воздухе составляла 0,3 фКи/м3 , что значительно ниже его содержание в воздухе индустриальных районов США в настоящее время (0,08...2,4 фКи/м.куб). Одновременно с увеличением концентрации 226Ra во льду за период с ХII века по настоящее время отмечено десятикратное возрастание содержания Pb и значительный рост содержания Cd и U.

Возрастание естественного радиационного фона вследствие интенсификации вовлечения естественных радионуклидов в круговорот может быть связано как с атомной промышленностью (извлечение уранового сырья на горнодобывающих предприятиях, его переработка и обусловленное этим выведение естественных радионуклидов в окружающую среду), так и неядерными отраслями промышленности. Для оценки изменения естественного радиационного фона под влиянием хозяйственной деятельности человека предложен термин технологически повышенный естественный радиационный фон.

При этом имеется в виду изменение естественного фона только за счет перераспределения естественных радионуклидов в биосфере, а не вследствие выведения в среду искусственных радиоактивных веществ. В некоторых случаях понятие "технологически повышенный естественный радиационный фон" используется только для неядерных отраслей промышленности. Основными источниками технологически повышенного естественного радиационного фона в последнем случае являются уголь (прежде всего сжигаемый на электростанциях), используемые в хозяйстве природный и сжиженный газ, минеральные удобрения в сельском хозяйстве, воды с повышенным содержанием естественных радионуклидов.

Концентрация 226Ra в углях варьирует в зависимости от их зольности и других факторов и равна приблизительно 1 пКи/г. Содержание 226Ra в золе угля, выбрасываемой электростанции, в Польше составляет 0,4...4,2 пКи/г при растворимости в 1 М раствора ацетата аммония и 1 н.HCl от 5 до 36,8%. Электростанция, работающая на угле, выделяет в атмосферу сравнимое с АЭС количество экологически значимых долгоживущих радионуклидов. Если принять, что электростанция мощностью 1000 МВт ежегодно потребляет 2,3 млн.тонн угля, то она выделяет около 2 Ки изотопов Ra. На электростанции с хорошей газоочисткой около 1% этого количества выбрасывается в атмосферу в виде летучей золы. Если принять коэффициент задержания летучей золы на фильтрах равным 99,5%, то следует считать, что вэтом случае 10 мКи смеси радиоизотопов Ra выделяются в атмосферу. Сравнивая выброс Ra и 85Кr - одного из основных долгоживущих радионуклидов, поступающих в атмосферу при работе АЭС, с учетом ПДК 85Кr и естественного Ra, можно прийти к выводу, что выброс 10 мКи Ra эквивалентен выведению в атмосферу 1 кКи 85Кr (этот выброс близок к реальным выбросам АЭС). В радиусе нескольких километров от электростанции, работающей на угле, концентрации Ra в снегу повышены и достигают 1,7 пКи/кг.

Миграция радионуклидов в биосфере

Использование ядерной энергии в мирных целях сопровождается выведением определенного (строго контролируемого) количества искусственных радиоактивных веществ в окружающую среду, а в некоторых случаях также изменением темпов миграции естественных радионуклидов вследствие техногенной деятельности человека. Поступившие в биосферу искусственные радионуклиды вместе со стабильными нуклидами принимают участие в миграции химических веществ в природе. Интерес к изучению закономерностей миграции радионуклидов во внешней среде прежде всего связан с тем, что они являются источниками ионизирующего излучения.

Появление в биосфере искусственных радионуклидов и их включение в биогеохимические процессы миграции наряду с антропогенным усилением круговорота естественных радионуклидов должны рассматриваться в двух аспектах. Первый аспект - радиоэкологический: мигрирующие в природных биогеоценозах радионуклиды служат источниками излучения, приводящего к различным радиационным эффектам в природной среде непосредственно в местах выведения радионуклидов (например, участках их сброса). Второй аспект можно назвать комбинированным радиоэкологическим и радиационно-гигиеническим: поступившие в определенные компоненты геосистем искусственные или естественные радионуклиды (в последнем случае имеется в виду изменение скорости миграции естественных радиоактивных веществ за счет различных технических процессов) как источники излучения не производят заметных изменений собственно в месте введения во внешнюю среду, однако в результате радиоэкологических процессов переноса происходит аккумуляция радионуклидов в некоторых звеньях их миграции (так называемые радиоэкологические процессы концентрирования).

При мировом использовании ядерной энергии, если исключить рассмотрение аварийных ситуаций, миграцию радиоактивных веществ следует рассматривать преимущественно во втором аспекте, так как количества рассеиваемых в природной среде радионуклидов относительно малы, чтобы вызвать без предварительного радиоэкологического концентрирования прямые радиационные изменения в местах выведения радионуклидов.

Поступившие во внешнюю среду в результате деятельности человека естественные и искусственные радионуклиды включаются в биогеохимические циклы круговорота, основные особенности которых определяются, прежде всего, свойствами самой среды. Передвижение радионуклидов в отдельных составных частях Земли - ее оболочках, или геосферах зависит от влияния различных факторов, которые в общей форме можно разделить на биотические и абиотические. Так, в атмосфере радионуклиды перемещаются, главным образом, вследствие влияния физических и механических процессов, однако после выпадения радиоактивных веществ на дневную поверхность в компоненты геосистем, где важную роль играют живые организмы, доминирующие значение в переносе радиоактивных веществ имеют процессы экологического усвоения радионуклидов.

Атмосфера: Атмосфера Земли - важный первичный резервуар, откуда радионуклиды поступают на сушу и в гидросферу (выбросы радиоактивных веществ из труб ядерно-энергетических установок, оседание радионуклидов из воздуха после воздушных ядерных взрывов и т.п).

Выведенная в атмосферу радиоактивная примесь подвергается быстрому рассеянию вследствие турбулентности атмосферы. Степень турбулентности атмосферы изменяется в широких пределах в зависимости, в первую очередь, от температурной стратификации и определяется как функция размеров и скорости потоков, а также от динамической вязкости и плотности воздуха с помощью числа Рейнольдса: (Re): Rе= инерция/вязкость.

Одним из наиболее типичных случаев выброса радиоактивной примеси в воздушный бассейн является поступление радиоактивных веществ из вентиляционных труб АЭС. В радиоэкологическом аспекте значительный интерес представляет концентрация радионуклидов на определенном расстоянии от трубы в месте выпадения примеси из воздуха. Современной метеорологией созданы физико-математические модели переноса радионуклидов в приземном слое атмосферы, базирующиеся в основном на теории турбулентной диффузии с учетом работ по диффузии Сеттона, Паскиля, Гиффорда, Чемберлена и др.

"Судьба" радиоактивных веществ в атмосфере зависит от ряда факторов. В частности, после выброса радиоактивных веществ происходит их осаждение под влиянием разных механизмов, основные из которых гравитация, удаление атмосферными осадками (дождем или снегом), импакция на поверхности, электростатическое притяжение, а также адсорбция и химическое осаждение.

Важный процесс удаления радионуклидов из атмосферы - вымывание. Коэффициент вымывания частиц размером от 0,1 до 1 мм очень мал; он повышается для более мелких и более крупных частиц. Вымывание газов, вступающих в реакцию с водой, подчиняется уравнениям молекулярной диффузии. Эффективность удаления аэрозолей снегом по сравнению с дождем при одной и той же интенсивности осадков в несколько раз выше, а эффективность вымывания мелкокапельными осадками больше, чем крупнокапельными. Радиоактивная примесь удаляется твердыми и жидкими осадками из атмосферы приблизительно в прямо пропорциональной зависимости от количества осадков.

ГИДРОСФЕРА. Водная оболочка планеты является важнейшим депо естественных и искусственных радионуклидов. В водную среду поступают радиоактивные отходы, а также радиоактивные вещества, оседающие на сушу. В моря и океаны радионуклиды мигрируют с твердым и жидким стоком. В ядерно-энергетических установках используются для охлаждения довольно большие объемы воды, в которые также могут переходить искусственные радионуклиды (например, радиоактивные продукты коррозии). Атомные электростанции сооружают, как правило, на берегах морей, океанов, крупных водоемов и водных артерий, что не исключает попадания искусственных радионуклидов в водную среду в аварийных ситуациях. Растет количество судов с ядерными энергетическими установками, что тоже может быть источником радиоактивных веществ, переходящих в водную среду.

Моря и океаны, занимающие 2/3 поверхности планеты, служат важнейшим резервуаром естественных и искусственных радионуклидов. Существует мнение, что плотность выпадения искусственных радионуклидов на океаническую поверхность выше, чем на сушу, в частности для 95Zr, 95Nb, 103Ru, 106Ru - в 2-7 раз.

В морской среде целесообразно выделить две основные области, где поведение радионуклидов существенно отличается из-за различий в гидрологических, геохимических, экологических и других условий. Прибрежный океан включает в себя дельты и эстуарии рек, лагуны, водное пространство над континентальным шельфом, окраинные моря. Открытый океан - это большая его часть с глубиной более 1 км.

Поступившие на водную поверхность радионуклиды из атмосферных выпадений или сброшенные в поверхностный слой воды в Мировом океане радиоактивные вещества первоначально содержатся в верхних горизонтах толщи, затем постепенно мигрируют вниз. Наиболее детально изучено распространение по глубине радионуклидов глобальных выпадений. Так, распределение 90Sr в вертикальном профиле Атлантического океана свидетельствует о достаточно плавном снижении концентрации этого радионуклида с глубиной - на глубине 700 м его содержание составляет около 20-30% концентрации в поверхностном слое. Вопрос о переходе 90Sr в воды Мирового океана ниже 1 км выяснен в настоящее время недостаточно.

Важно заметить, что когда осуществлялось снижение интенсивности проведения ядерных взрывов, уменьшения радиоактивной загрязненности поверхностных вод и морей почти не наблюдается. В южном полушарии радиоактивное загрязнение растет. Закрытые моря характеризуются гораздо более высокой концентрацией 90Sr и 137Cs, чем открытый океан. Так, в Балтийском море концентрация 90Sr и 137Cs в 6-10 раз выше, чем в Атлантическом океане на тех же широтах.

Радионуклиды, находящиеся в донных отложениях, могут мигрировать обратно в жидкую среду или в вертикальном направлении в илах под влиянием диффузии. Такое перемещение радионуклидов может быть вызвано непосредственным передвижением донных отложений. Большой коэффициент распределения радионуклидов в донных отложениях предопределяет низкую скорость миграции радиоактивных веществ.

Поведение радионуклидов в пресноводной среде и накопление их гидробионтами, обитающими в пресноводных водоемах, существенно отличается от аналогичных параметров, характеризующих морскую водную среду. Это объясняется физико-химическими, гидрологическими, гидродинамическими и гидрохимическими особенностями пресноводной среды по сравнению с водой морской и океанов. Пресноводные водоемы содержат меньше солей, что при прочих равных условиях обеспечивает большее накопление радионуклидов в пресноводных растениях и животных по сравнению с морскими и океаническими.

Накопление радионуклидов в биомассе пресноводных водоемов незначительно. Так, содержание 90Sr и 37Cl в биомассе одного из пресноводных озер зоны умеренного климата равно соответственно 0,85 и 0,3% общего количества радионуклидов в водоеме.

Наземная среда: Почвенно-растительный покров и животный мир наземных геосистем весьма разнообразны. Закономерности миграции радионуклидов в наземной среде определяются многими свойствами сообществ растений и животных. Темпы круговорота радионуклидов в природных и антропогенных ландшафтах в зависимости от типов биогеоценозов ( луговые, пастбищные, лесные, агроценозы и т.д.), биологических особенностей живых организмов, составляющих биогеоценоз, экологических условий, специфических для данного природного комплекса, а также от путей поступления в геосистемы радиоактивных веществ изменяются в очень широких пределах.

Почвы: Почва - важнейшее депо радионуклидов в природной среде. Роль почвы как компонента геосистемы в миграции радионуклидов двояка: с одной стороны, почва прочно сорбирует большинство искусственных радионуклидов, снижая их доступность для корневых систем растений, а с другой, закрепление радионуклидов твердой фазой почвы приводит к длительному удержанию их в верхнем корнеобитаемом объеме почвы и препятствует выносу за пределы зоны распространения корней.

Твердая фаза почвы может удерживать поступающие в нее радионуклиды вследствие ионного обмена, адсорбции (захват коллоидной фракции поступающих в почву радиоактивных веществ) и химического осаждения (образование самостоятельных соединений радионуклидов с компонентами почвы). Для некоторых радионуклидов (например, радионуклидов йода) важную роль в сорбции играет органическое вещество почвы.

Содержащиеся в почвах радионуклиды передвигаются вниз по почвенному профилю с фильтрационным током воды; с помощью процессов диффузии, кольматажа мигрируют в горизонтальном направлении и т.п. Скорость вертикальной и горизонтальной миграции радионуклидов зависит от механических и физико-химических свойств (емкость поглощения, состав обменных катионов, рН, минералогический состав и пр.). Попавшие на поверхность почвы радионуклиды, как правило, в течение довольно длительного времени удерживаются в верхних горизонтах почвы в пределах зоны распространения корневых систем растений.