CC BY
159
УДК 551.577.7-032.1(045)
ДРУЖИНИН Сергей Валериевич, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории экологической радиологии Института экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук. Автор двух научных публикаций
КИСЕЛЁВ Георгий Петрович, доктор геоло-го-минералогических наук, заведующий лабораторией экологической радиологии Института экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук. Автор более 200 публикаций, в т.ч. 5 монографий
ИЗОТОПЫ БЕРИЛЛИЙ-7, ПОЛОНИЙ-2Ю, СВИНЕЦ-210 В АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКАХ И АЭРОЗОЛЯХ г. АРХАНГЕЛЬСКА *
В работе представлены данные об изменении содержании изотопов 7Ве, 210Ро и 210РЬ в атмосферных осадках и аэрозолях г. Архангельска в сопоставлении с массой зольной части осадков и аэрозолей. Показаны вариации поступления изотопов в приземную часть атмосферы, обусловленные изменением количества атмосферных осадков и аэрозолей.
Бериллий-7, полоний-210, свинец-210, атмосферные осадки и аэрозоли
Вводная часть. Одним из потенциальных источников радиационной опасности являются атмосферные осадки и аэрозоли. Это связано с проникновением внутрь организма через органы дыхания мельчайших частиц аэрозолей, содержащих токсичные вещества, в т.ч. радионуклиды, которые могут вызвать необратимые процессы в организме. Атмосферные осадки (дождь, снег, град) захватывают присутствующие в воздухе аэрозольные частицы с адсорбированными на них естественными и техногенными радионуклидами [1 ], что приводит к очищению атмосферного воздуха. Степень такого очищения возможно оценить по радиоактивным изотопам, находящимся в атмосфере.
Радиоактивный изотоп 7Ве формируется в верхних слоях атмосферы под действием протонов и нейтронов космического излучения на
атомы азота и кислорода. Далее окисляется, захватывается аэрозолями и атмосферными осадками, поступает в приземную часть атмосферы, поверхностные воды, растительность и организм человека [2, 3 ].
Основными параметрами 7Ве являются: период полураспада - 53,29 суток, скорость образования - 1960 ПБк/год, суммарное количество - 413 ПБк, концентрация в тропосфере -12,5 мБк/м3, суммарное поступление внутрь организма за год - 1000 Бк/год, годовая эффективная доза - 0,03 мкЗв [1]. Поскольку скорость образования изотопа, перенос из стратосферы в тропосферу и осаждение зависят от географического положения, высоты и сезона, связаны с циклами солнечной активности, и учитывая то, что ближе к полярным широтам происходит увеличение потока космических
© Дружинин С.В., Киселёв Г.П., 2010
* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Уральского отделения Российской академии наук научно-исследовательских проектов молодых ученых и аспирантов в секции «Науки о Земле» на 2010 год.
лучей, то реальные концентрации на месте могут сильно отличаться от приведенных выше значений [1], что определяет актуальность исследований изотопа в приарктических и арктических регионах.
Изотопы 210Ро и 210РЬ относятся к радиоактивному ряду 238и. Основным источником 210Ро и 210РЬ в окружающей среде является 222Rn, который образуется в результате распада 226Яа, находящийся в горных породах, почве, строительных материалах [4 ].
Однако 210Ро и 210РЬ могут поступать в природную среду в результате и других процессов. Предприятия ТЭЦ и автотранспорт являются наиболее значимыми источниками загрязнения окружающей среды этими изотопами. В атмосферных осадках концентрация 210Ро меняется от 0,1*10-12 до 2,5*10-12 Ки/л в зависимости от географического положения местности [1, 4, 5].
Концентрация 210РЬ и 210Ро в приземном воздухе в умеренных широтах составляет 1,4* 10-14 и 3,3*10-15 Ки/м3 соответственно^ ]. С дождевой водой они выпадают на землю. Концентрация 210РЬ в дождевой воде составляет от 0,7* 10-10 до 29*10-2 Бк/л. Выпавшие с осадками 210РЬ и 210Ро попадают в почву, а также непосредственно в растения через листья, активно поглощающие их из дождевой влаги [5].
В результате ранее проведенных нами исследований [2 ] активности 7Ве в атмосферных аэрозолях и осадках в г. Архангельске в 20072008 годах было установлено неравномерное его поступление на поверхность земли, отмечались вариации поступления изотопа по сезонам года.
Средние значения удельной активности 7Ве в дождевой воде превышают значения в снеге, причем при увеличении интенсивности выпадений атмосферных осадков удельная активность 7Ве уменьшалась. В настоящей работе приводятся данные, позволяющие раскрыть механизм очищения атмосферного воздуха от аэрозолей по результатам исследования атмосферных радиоактивных изотопов.
Методическая часть. Определение объемной активности изотопов в пробах аэро-
золей приземного слоя атмосферного воздуха проводилось с помощью принудительного фильтрования в течение 5 суток до 100 тыс. м3 воздуха через фильтрующую ткань Петрянова-Соколова. Ткань после прокачки воздуха измерялась в геометрии «Чашка Петри» на сцинтилляционном гамма-спектрометре «Прогресс-2000» для определения активности гамма-активных изотопов, в т.ч. и 7Ве. После этого проводился отжиг ткани и в ее золе определялись изотопы 210РЬ и 210Ро с помощью электрохимического осаждения на металлическую подложку и измерения альфа-и бета-активности на универсальном радиометре «ВегйоМ» с последующим вычислением концентрации изотопов по методике ВИМСа [3]. Атмосферные осадки, дождь и снег, собирались на стационарной площадке в пластиковый надувной бассейн диаметром 2 м в течении всего периода их выпадения, что составляло от 1,5 до 40 л. Вода фильтровалась на фильтрах белая и синяя лента, затем упаривалась до 1 л и измерялась в геометрии Маринелли. После первого измерения в воду добавлялась зола фильтров и проводился второй замер, а затем проба использовалась для определения 210РЬ и 210Ро по методикам ВИМСа [8].
Значения активности изотопа 7Ве пересчитывались по закону радиоактивного распада на день отбора проб. Все результаты измерений статистически обрабатывались. Погрешность измерений не превышает 30-40%, что является допустимым.
Результаты исследований. Было установлено, что объемная активность 7Ве в фильтрате осадков не фиксировалась (только в редких случаях и в небольших величинах). Но при добавлении золы фильтров в отфильтрованную сконцентрированную пробу удельная активность изотопа 7Ве восстанавливалась, что указывает на прочную связь изотопа с аэрозольными частицами в осадках.
Результаты измерений объемной активности 7Ве, 210РЬ и 210Ро в атмосферных осадках, отобранных на стационарной площадке в г. Архангельске, представлены на рис. 1.
♦
! її
і * * * і
к .!!. 11 < * ■
\ /1*1 к /Л /11 Д лГ\\ /\ : /X V ¥д\ <1 і
V /ч /и
- / |Д ш и
Ряді
Ряд2
РядЗ
17.09.2009 октябрь ноябрь декабрь январь февраль март 201 Ог дни отбора проб
Рис. 1. Объемные активности изотопов 7Ве, 210Ро и 210РЬ в атмосферных осадках
Отмечаются вариации поступления изотопов с атмосферными осадками. Так, в октябре и ноябре 2009 года была устойчивая погода с редкими и необильными осадками, в которых концентрация радиоактивных изотопов слабо варьировала. В декабре произошла резкая смена погоды, участились осадки и при этом увеличились колебания концентрации радиоактивных изотопов. В отдельные периоды концентрация 7Ве убывала до минимума, в другие - резко возрастала. Возрастание указывает на интенсивный обмен между стратосферой, где образуется 7Ве, и приземной атмосферой, где вымывается этот изотоп. При продолжительном выпадении осадков, когда атмосферные осадки выпадали в течение нескольких дней, иногда с небольшими перерывами, удельная активность изотопа вначале была выше, но затем снижалась, а в некоторых случаях даже не фиксировалась, что связано с процессами очищения осадками атмосферы от аэрозолей. Взаимосвязь количества осадков и удельного количества аэрозолей в них с концентрацией 7Ве демонстрируется на рис. 2.
Увеличение количества осадков приводит к уменьшению 7Ве в приземной атмосфере, а увеличение удельного количества аэрозолей в осадках - увеличивает концентрацию 7Ве в тех же осадках. Взаимосвязь золей в осадках и 7Ве подтверждена экспериментально при измерениях отфильтрованных осадков и той же пробы с добавлением золы фильтра.
Рис.
Объем пробы, л; масса золы фильтров осадков, 102г/л
2. Зависимость объема пробы, массы золы
фильтров и объемной активности 7Ве проб атмосферных осадков
Непосредственно в воздушных аэрозолях также наблюдается увеличение концентрации 7Ве в связи с увеличением удельной концентрации аэрозолей, что демонстрируется на рис. 3.
дни отбора проб
Рис. 3. Объемная активность 7Ве в аэрозолях воздуха и масса аэрозолей
В некоторых пробах наблюдалось существенное увеличение удельного количества аэрозолей и низкие концентрации 7Ве, однако в таких пробах увеличивалась концентрация изотопов 210Ро и 210РЬ. Это указывает на то, что в атмосферу добавлялись аэрозоли от тепловых электростанций и промышленных предприятий. Так, например, в период зимних морозных дней, когда осадки выпадают в виде изморози и их объем проб небольшой, на снегу, а затем и на фильтре четко видны частицы сажи и пепла от котельных и ТЭЦ, что значительно увеличивает массу зольных частиц в атмосферных осадках.
Также отмечено, что при интенсивном выпадении атмосферных осадков объемная активность 7Ве в аэрозолях воздуха уменьшалась.
Результаты измерения объемных активностей изотопов 210Ро и 210РЬ в атмосферном воздухе (рис. 4) показали, что в некоторых случаях отношение этих изотопов сильно различаются. Так, 23.03.10 и 10.04.10 в пробах увеличилось количество 210РЬ, что явно свидетельствует о смене источника аэрозолей. Напомним, что проба атмосферных аэрозолей отбиралась в течение 5 сут. Нами для каждого интервала отбора были построены розы ветров, показанные на рис. 4, которые свидетельствуют, что появление западного переноса приводит к увеличению 210РЬ в атмосферных аэрозолях г. Архангельска. Юго-восточный перенос атмосферы не меняет изотопный состав 210Ро и 210РЬ на стационарной площадке ИЭПС УрО РАН.
Из приведенных данных следует, что концентрация бериллия-7 в атмосферном воздухе и атмосферных осадках зависит от следующих факторов:
1. Интенсивности обмена тропосферы и стратосферы в регионе.
2. Количества и состава аэрозолей в приземном атмосферном воздухе.
3. Количества выпадающих осадков.
Рис. 4. Объемные активности изотопов 210Ро и 210РЬ в атмосферном воздухе
Количество и состав изотопов 210Ро и 210РЬ в атмосферных осадках и атмосферных аэрозолях зависит от преимущественного направления ветров.
Эти данные не противоречат ранее полученными результатами исследований [7] и согласуются с данными из литературных источников [1-6].
Комплекс изучаемых изотопов позволяет контролировать состояние атмосферы и ее влияние на здоровье человека на приарктических и арктических территориях.
Список литературы
1. БелозерскийГ.Н. Радиационная экология. М., 2008.
2. СапожниковЮ.А., Алиев РА., Калмыков С.Н. Радиоактивность окружающей среды. Теория и практика. М., 2006.
3. ФерронскийВ.А., ПоляковВ.В., РомановВ.В. Космогенные изотопы гидросферы. М., 1984.
4. ИскраА.А. БахуровВ.Г. Естественные радионуклиды в биосфере. М., 1981.
5. КузинА.М. Природный радиоактивный фон и его значение для биосферы Земли. М., 1991.
6. Радиационная безопасность при работе с полонием-210 // Н.Б. Борисов, Л.А. Ильин, УЯ. Маргулис и др. / под ред. И.В. Петрянова и Л.А. Ильина. М., 1980.
7. КиселёвГ.П., Дружинин С.В. Радиоактивный космогенный изотоп бериллий-7 в атмосферных осадках и аэрозолях г. Архангельска // Вестн. Арханг. гос. техн. ун-та. Сер.: Прикладная геоэкология. 2009. Вып. 79. С. 11-18.
8. Методика выполнения измерений удельной 210Ро и 210РЬ активности в пробах почв альфа-бета-радиометри-ческим методом с радиохимической подготовкой. М., 2001.
Druzhinin Sergey, Kiselyov Georgy
BERYLLIUM-7, POLONIUM-210, LEAD-210 ISOTOPES IN ATMOSPHERIC PRECIPITATION AND AEROSOLS OF ARKHANGELSK
The paper contains data about the changed concentration of radioactive isotopes 7Ве, 210Po and 210Pb in the atmospheric precipitation and aerosols of Arkhangelsk as compared with the weight of atmospheric precipitation cindery elements. Variations of incoming isotopes in the near-Earth atmosphere resulting from the changed quantity of the atmospheric precipitation and aerosols are shown.
Контактная информация: Дружинин Сергей Валериевич e-mail: [email protected] Киселев Георгий Петрович e-mail: [email protected]
Рецензент - Коробов В.Б., доктор географических наук, директор Центра развития и координации инновационной деятельности Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
