137Cs в приземном слое воздуха Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.515.3: 551.510.72

137ОБ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ВОЗДУХА

Стасов В. В.

НИИ Физики при Южном Федеральном Университете

137

Искусственный радионуклид Об поступал

непосредственно в атмосферу с продуктами деления от испытаний ядерного оружия и от крупных ядерных аварий. В результате естественных процессов, в том числе сухого осаждения и вымывания атмосферными осадками, атмосфера со временем очищалась, а земная поверхность загрязнялась. Период полувыведения 137Об из нижней стратосферы ~10,4 месяца (после ядерного взрыва в атмосфере) и ~1 месяц из тропосферы при ядерной аварии (такой как авария ЧАЭС). В то же время атмосфера вторично загрязняется пылью, поднятой в приземный слой воздуха с загрязненной земной поверхности. Такой механизм загрязнения имеет место всегда, но особенно заметен при значительном загрязнении местности, в особых природных условиях и при самоочищении атмосферы от первичных радиоактивных загрязнений становится определяющим.

137

К 1987-2000 гг. поступление тропосферного Об в приземную атмосферу стало минимальным, а его содержание стало полностью определяться ветровым подъемом [1].

Процесс ветрового подъема радиоактивности изучается со времен первых глобальных выпадений. Интерес к этой проблеме особенно возрос после аварии ЧАЭС в связи

необходимости оценки вторичного загрязнения дезактивированной или ранее чистой территории за счет ветрового подъема [2, 3, 4].

Механизм ветрового подъема согласно [2, 4]

заключается в том, что даже при небольшой скорости ветра (2-3 м/с) наиболее мелкие частицы пыли, несущие радионуклиды (<1-2 мкм) поднимаются с поверхности почвы и практически не оседают под действием силы тяжести. С увеличением скорости ветра кроме мелких частиц в воздух могут подниматься и более крупные. В целом из полидисперсных почвенных частиц ветер выдувает наиболее мелкие фракции, которые поступают в атмосферу и частично вновь выпадают на земную поверхность за счет сухого осаждения или вымывания атмосферными осадками.

Крупные частицы (до 0,1 мм) поднимаются ветром в воздух и вновь оседают, передвигаясь в потоке ветра скачками (эффект сальтации). При скоростях ветра до 10 м/с частицы размером >0,5 мм не могут подпрыгивать и лишь перекатываются по поверхности почвы. Сальтация и перекатывание частиц почвы являются основными процессами ветровой эрозии почв (дефляции) [5].

Особенно сложен учет ветрового подъема радиоактивности для крупных промышленных центров. Существующие способы определения параметров ветрового подъема и принятые модели [2] не могут быть применены в условиях города из-за разнообразия процессов осаждения и переноса радионуклидов при значительном числе

разнообразных микроландшафтов [4].

Поэтому представляется актуальной попытка применения обобщенного подхода для оценки ветрового

137

подъема радиоактивности (в частности Об) для крупного населенного пункта (в частности г.Ростова-на-Дону).

Наш подход основан на том, что: 1) пункт непрерывного контроля радионуклидного состава приземного слоя воздуха (аспирационная станция) с одновременной регистрацией метеопараметров расположена в черте города; 2)

относительно пункта контроля (АС) территория города и пригородов разделены на 8 секторов в соответствии с направлениями ветра; 3) территория в пределах каждого сектора разделена на минимальное количество зон, специфичных относительно пыления территории (техногенного и от ветрового подъема) и возможного наличия

137

или отсутствия загрязнения Об; 4) метеорологические условия в 2006-2007 гг. резко отличались от таковых в 20022005 гг. Величины запыленности и объемной активности 137Об рассматривались отдельно, дополнительно изучался сезонный ход этих величин. Предполагается, что при более сильных ветрах восточного направления зона влияния ветрового подъема распространяется и на восточный пригород.

При этом для разделения на сектора и зоны использовалась карта-схема г.Ростова-на-Дону.

Определялись относительные площади а: зеленой зоны, зоны застройки (жилой и промышленной), зоны наиболее загруженных автомобильных дорог (наиболее загрязненных, ширина принята 25 м) и зоны сельскохозяйственных угодий

(пахотных земель) при расстоянии от АС до границы сектора Р=4 км (до восточной границы города) и Р=10 км (включая восточный пригород). Источником техногенной пыли считались зоны застройки и автодорог, но первая не давала вклад в содержание 137Об в атмосферном воздухе, так как он практически полностью был смыт в зону открытого грунта (то есть в земную зону) или покрыт асфальтом, бетоном, строительными конструкциями и различными отходами [4].

Учитывалась зависимость ветрового подъема от типа подстилающей поверхности (пахота, лес, луг и др.), ее состояния (сухая, влажная, мокрая), дисперсности образующих ее частиц, скорости ветра [2, 4, 5], а так же, в частности, зависимость коэффициента ветрового подъема а от скорости ветра V (м/с), которая в [4] указана в общем виде а~Уп, где п может быть <4,8, а зависимость от состояния подстилающей поверхности в [2] указана в виде а~х,-1,4, где ^ может быть шероховатостью почвы (см), высотой травяного покрова (см) или сухой массой растительности (г/см2).

137

Основным источником поступления Об в приземный слой воздуха согласно имеющимся данным [2,4] являются пахотные земли, а также в меньшей степени зеленая зона (газоны, парки, сады, лесопосадки и т.д.) и поднятая при движении транспорта придорожная пыль.

Для условий города (Р=4 км) по данным определений содержания пыли в приземном слое воздуха Р (10-5 г/м3) за

2002-2005 гг. при средней силе ветра V (балла) и числе среднемесячных значений п в кх секторах с относительной

долей зон а|к: зеленой аи, застройки а|2 и дорог а|3 (Таблица 1) составлены уравнения вида Рг

Таблица 1

V п Р Рг аи а|2 а|3

Север 2,0 32 4,11-15,80 9,89 0,488 0,512 -

С-Восток 2,4 8 5,10-11,80 7,80 0,528 0,438 0,034

Восток 1,6 12 3,87-17,80 9,65 0,642 0,342 0,011

Получаем систему трех уравнений: п=32 (1) 0,488 Бэ Рц+0,512 Б0 Р12=9,89; п=8 (2) 0,528 Б0 Р21+0,438 Б0 Р22+0,034 Б0 Р23=7,80;

п=12 (3) 0,642 Б0 Р31+0,347 Б0 Р32+0,011 Б0 Р33=9,65; где Б0 - площадь сектора (км ). В уравнениях принято, что пыление равномерно по площади в каждой зоне и не зависит от сектора. Решая уравнения (1)-(3) получим вклады 1 км2 каждой зоны в запыленность атмосферы: Р1=0,83*10-5г/м3км2, Р2=2,30*10-5г/м3км2 и Р3=18,57*10-5г/м3км2 Для этих же условий можно составить уравнения для объемной активности 137Об (А, мкБк/м3) в приземном слое атмосферы города:

п=32 (1) 0,488 Б0 Ац = 1,50;

п=8 (2) 0,528 Б0 А21 + 0,034 Б0 А23 = 1,64;

п=12 (3) 0,642 Б0 А31 + 0,011 Б0 А33 = 2,52.

Здесь, согласно сказанному выше, принято, что вклад зоны застройки в загрязнении атмосферы отсутствует, то есть А2=0.

Тогда решая (1)-(2), учитывая площадь сектора Б0 =6,28

км ,получим:

А1 = 0,482 мкБк/м3 км2 и А3 = 0,094 мкБк/м3 км2. Относительные вклады секторов в загрязнение атмосферы 1370б будут:

северный - зеленая зона 100%, дороги —;

северо-восточный - зеленая зона 98,8%, дороги 1,2%; восточный - зеленая зона 99,7%, дороги 0,3%.

Для 2006-2007 гг. с преобладанием сильных ветров в восточном направлении рассмотрение проведено для секторов при Р=10 км для двух направлений ветра (Таблица

2) с учетом техногенных источников запыленности Ріт

(застройка, аэропорт, дороги) и естественных источников Ріє (сельскохозяйственные угодья).

Таблица 2

V Пі Р Р ат ае

Восток 4,0 15 5,07-13,80 8,39 0,37 0,24

Запад 3,75 4 6,07-7,53 6,38 0,538 0

Тогда Р гт и Рге (10-5 г/м3) определяются по

уравнениям:

(1) 0,24 Б0 Р1е + 0,37 Б0 Р1т = 8,39;

(2) 0,53 Б0 Рт = 6,38.

Учитывая, что в этом случае Б0 = 40 км , получим:

Ре = 0,41 * 10-5 г/м3 км2 и Рт = 0,30 * 10-5 г/м3 км2.

Для объемной активности 137Об в секторах в этих же условиях А|к (мкБк/м ):

восток п=12 (1) 0,33 Б0 А1+0,24 Б0 Ас/х+0,06 Б0 А3=2,80 при а1 =0,33; ас/х =0,24; а3 =0,06); север п=3 (2) 0,61 Б0 А1=2,32 при а1 =0,61;

запад п=3 (3) 0,47 Б0 А1+0,11 Б0 А3=1,93 при а1=0,47; а3=0,11.

Решение (1)-(2) дает вклады 1 км каждой зоны в

137

содержание Об в приземном воздухе:

А1 = 0,605 мкБк/м3 км2, Ас/х = 0,976 мкБк/м3 км2 и А3 = 0,203 мкБк/м3 км2.

Используя полученные данные по объемной активности

137

Об в воздухе и запыленности воздуха почвенной пылью от

137

ветрового подъема получим удельную активность Об в

, А

этой пыли как А = — . Для условий города от зеленой зоны

Ре

Аа = 58,7 Бк/кг, а от придорожной пыли Аа = 0,51 Бк/кг. Прямые измерения в районе АС (8 точек в слое почвы 0-5 см) дают средние значения Аа = 59 Бк/кг, что точно соответствуют условиям зеленой зоны города (отбор проб производился в районе рощи).

Эта величина близка к полученной выше независимо из определений в приземном слое воздуха А0 = 58,7 Бк/кг,

137

которая соответствует удельной активности Об в мелкодисперсной фракции самого верхнего (пылящего) слоя

почвы и поэтому должна быть несколько выше определений непосредственно в почве зеленой зоны в слое 0-5 см.

По определениям 2006-2007 гг. в условиях восточного пригорода г.Ростова-на-Дону удельные активности 137Об , А

Аа =— аэрозольной пыли составили в зеленой зоне 168

Ре

Бк/кг, для сельскохозяйственных угодий 373 Бк/кг и для зоны автодорог ~10,5 Бк/кг. Плотности загрязнения земной поверхности аП можно получить из удельной активности АП по

2 137

известным соотношениям для аП (Ки/км ). Запас Об в слое 0-20 см на площади в 1 км2: для целины аП=1,134*10-3АП и для пашни аП=1,486*10-3АП. Для зеленой зоны восточного пригорода получим аП=0,190 Ки/км , а для сельскохозяйственных угодий аП=0,550 Ки/км . Как указывалось выше, эти величины являются верхней оценкой реальной загрязненности, так как получены только для мелкодисперсной почвенной фракции самого верхнего пылящего слоя почвы.

Тем не менее интересно сравнить эти оценки с данными по пятнам загрязнения чернобыльскими осадками, полученными для Ростовской области в 1992 г в совместной работе ГГП «Кольцевгеология» (г.Ессентуки) и Центра РЭТ (г.Ростов-на-Дону). В районе города Ростов-на-Дону загрязнений выше 0,14 Ки/км2 не было выявлено (в

137

загрязнении учтена поправка на распад Об за время, прошедшее после определений 1992 г). Близлежащие пятна загрязнения были выявлены в 40 км к востоку в районе

ст.Багаевской: 3 пятна загрязнения общей площадью 8=350

2 2 км со средней плотностью загрязнения ~0,31 Ки/км (с

поправкой на распад). Это в целом согласуется с оценками,

полученными из определений 1370б в атмосферном воздухе

(аП=0,19 Ки/км2 и аП=0,55 Ки/км2) с учетом приведенных выше

замечаний о различии способов определения 1370б в почвах.

Рассмотрим сезонную зависимость запыленности

атмосферы (Р*10-5, г/м3), содержания 1370б в ней (А, мкБк/м3)

и метеопараметров (силы ветра V в баллах и относительной влажности V, %). Среднемесячные значения этих величин в виде гистограмм приведены на Рис.1.

а)

□АО Сб-137, мкБк/м3 Шсила ветра в баллах

12т Шзапьленность атмосферы, ”10-5, г/м3 □ относительная влаж

аль март апрель май

июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь

б)

Рис.1. Среднемесячные значения запыленности

137

атмосферы, содержания Об в ней и метеопараметров: а) за 2002-2005 гг.; б) за 2006-2007 гг.

В 2006-2007 гг. на территории, включающей пригород, по сравнению с предыдущими 2002-2005 гг. на исключительно городской территории средняя объемная активность возросла с 1,77 мкБк/м3 до 2,06 мкБк/м3 при снижении общей запыленности с 9,89*10-5 г/м3 до 7,68 *10-5 г/м3, таким образом вне города значительно снизилась запыленность техногенного происхождения, а содержание

137

Об возросло за счет ветрового подъема на сельхозугодиях (пашни). Роль пригородных районов на восточном направлении резко возросла в 2006-2007 гг. в связи с увеличением средней силы ветра (до 3,7 балла по сравнению с 1,8 балла в 2002-2005 гг.), причем повторяемость восточных ветров также возросла (до 66% по сравнению с 21% в предшествующие года). Практически не изменились среднегодовые значения температуры воздуха и количество выпавших осадков, но зато снизилась средняя относительная влажность воздуха (от 71,8% до 67,9%).

В сочетании эти изменения метеопараметров (в первую очередь направления и силы ветра, а также относительной влажности) способствуют ветровому подъему почвенной пыли (особенно с пахотных земель). В литературе указывалась зависимость коэффициентов ветрового подъема от скорости ветра а^п, но показатель степени в зависимости от конкретных условий может варьировать от п=1 до п=4,8. Была отмечена и зависимость от увлажнения почв (см. выше).

Сезонная зависимость метепараметров в сравниваемые периоды несколько различна. В то время, как

максимумы объемной активности 137Сб проявляются во все годы в сентябре при широком максимуме запыленности в августе-сентябре, максимум силы ветра в 2006-2007 гг. оказывается также сентябре (в предыдущие годы- в апреле), максимум температуры воздуха - в августе (в предыдущие годы- в июле), а относительная влажность минимальна в августе (в предыдущие годы- в июне).

Таким образом, в 2006-2007 гг. создались условия для

137

ветрового подъема почвенной пыли, содержащей Об. Этому способствовало географическое положение рассматриваемого района и сочетание метеопараметров, создающих условия для усиления дефляции вплоть до пыльных бурь. Согласно [5], через Ростов-на-Дону со стороны юго-востока (п.Ремонтный) проходит ветровой коридор и для типичных почв области (черноземов) пыльные бури могут начинаться при V>7,8 м/с (<4 б) для целины и при V>5,6 м/с (<3 б) для пахотных земель. Летом и ранней осенью при сильном ветре и сухой почве пыльные бури происходят в период уборки сельскохозяйственных культур и обработки почвы. В нашем случае -это сентябрь 2006-2007 гг. с максимальной скоростью ветра V=4,2 балла, с предшествующей низкой влажностью, с наибольшей температурой воздуха в августе и относительно малым количеством осадков в сентябре. Как следствие этих условий имеет место широкий максимум запыленности атмосферы а августе - сентябре (10,9^11,2)*10-5 г/м3 и максимум ветрового подъема 137Сб в пригородной восточной зоне в сентябре до ~4,3 мкБк/м3 в приземном слое воздуха. В предшествующие

годы 2002-2005 гг. при относительно слабом ветре, ветровой подъем 137Сб имел место и в черте города также в сентябре до уровня 3,9 мкБк/м3, но не сопровождался какими либо особыми метеорологическими условиями в августе-сентябре.

Список литературы

1. Махонько К.П. Влияние ветрового подъема радиоактивности с поверхности почвы на загрязнение атмосферы над территорией России. Атомная энергия, 2000г., т.88, в. 6, с. 458-564.

2. Махонько К.П. Ветровой подъем радиоактивной пыли с подстилающей поверхности. Атомная энергия, 1992г., т. 72, в. 5, с. 523-530.

3. Гаргер Е.К., Гаврилов В.П. Вторичные загрязнения 30 км зоны Чернобыльской АЭС и прилегающей территории за счет ветрового подъема радионуклидов. Атомная энергия, 1992г., т. 72, в. 6, с. 588-593

4. Уорнер Ф., Харрисон Р. Пути миграции искусственных радионуклидов в окружающей среде. Радиоэкология после Чернобыля. М.: Мир, 1999г., с. 512.

5. Полуэнтов Е.В. Эрозия и дефляция агроландшафтов Северного Кавказа. Новочеркасск, НГМА, 2003г., с. 298.