CC BY
40
Реконструкция и верификация удельных объёмных активностей I и 137Cs в атмосфере и осадков в населённых пунктах за период выпадений
продуктов аварии на ЧАЭС
Власов О.К., Щукина Н.В.
МРНЦ им. А.Ф. Цыба - филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России, Обнинск
Приводятся технология и результаты реконструкции среднерайонных удельных объёмных активностей 137Cs и 131I в атмосфере и осадков (при отсутствии метеоданных) в населённых пунктах в период радиоактивных выпадений после аварии на ЧАЭС. Реконструированные на их основе плотности выпадений 137Cs и 131I в населённых пунктах совпадают с фактическими величинами, основанными на данных спектрометрии проб почв. Пространственная структура реконструированных удельных плотностей загрязнения растительности пастбищ 137Cs и 131I на время начала выпаса крупного рогатого скота на территории 4-х загрязнённых областей России отражает совместное влияние основных факторов: удельных объёмных активностей 137Cs и 131I в атмосфере, осадков в период выпадений и плотности биомассы растительности пастбищ. Создана взаимосогласованная верифицированная база радиоэкологических данных для проведения последующих исследований влияния основных факторов на пространственную структуру формирования доз внутреннего облучения щитовидной железы и всего тела жителей загрязнённых областей России в год аварии.
Ключевые слова: авария на ЧАЭС, реконструкция, верификация, активность 137Cs и 131I в атмосфере, осадки в период радиоактивных выпадений, выпадения 137Cs и 131I на местность и растительность, дозы, внутреннее облучение, радиоэкологическая модель, погодные условия года аварии.
Для реконструкции доз внутреннего облучения населения после радиационных аварий с выбросом радиоактивных продуктов в атмосферу с использованием имитационных моделей транспорта радионуклидов в окружающей среде [1-4] необходима информация о динамике осадков в год аварии и объёмных активностей радионуклидов в атмосфере в период их выпадений.
При аварии на ЧАЭС данные о динамике объёмных активностей радионуклидов в атмосфере были получены непосредственно только в радиоактивной струе над 4-м блоком [5, 6]. Информация о динамике осадков на территории загрязнённых областей РФ за период весны-лета 1986 г. имеется в архивах Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации - Мирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦД) в виде данных метеостанций и метеопостов.
В связи с этим предлагается технология восстановления уровня осадков (при отсутствии метеоданных) и средних объёмных активностей 137Cs в атмосфере над населёнными пунктами в период радиоактивных выпадений из облака продуктов аварии на ЧАЭС.
Описание метода
Входная информация. Для реконструкции объёмной активности 137Cs в атмосфере над загрязнённой территорией Брянской, Калужской, Орловской и Тульской областей России в период радиоактивных выпадений после аварии на Чернобыльской АЭС использовалась следующая информация:
Власов О.К.* - зав. лаб., д.т.н.; Щукина Н.В. - ст. научн. сотр. МРНЦ им. А.Ф. Цыба - филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.
*Контакты: 249036, Калужская обл., Обнинск, ул. Королева, 4. Тел.: (484) 399-32-45; e-mail: [email protected].
• база данных Национального радиационно-эпидемиологического регистра (НРЭР) о плотностях выпадения 1370б во всех 13157 населённых пунктах 4-х областей,
• данные ВНИИГМИ-МЦД о динамике осадков за период апрель-май 1986 г. на 36 метеостанциях и 68 метеопостах 4-х областей,
• данные ВНИИГМИ-МЦД о динамике среднерайонных среднесуточных температур приземного слоя атмосферы с февраля по июнь 1986 г. для 4-х областей,
• среднерайонное время начала и окончания радиоактивных выпадений продуктов аварии на ЧАЭС в 4-х областях [7].
Подготовка данных для реконструкции. Сначала с использованием метеоданных за 1986 г. из базы архивов ВНИИГМИ-МЦД вычленялись осадки только за период радиоактивных выпадений. Эти данные приписывались населённым пунктам в местах расположения метео-
137
станций и метеопостов и вместе с данными о плотностях выпадения Об на территории 4-х областей представлялись в виде карты (рис. 1).
Рис. 1. Карта осадков за период выпадений радиоактивных продуктов аварии на ЧАЭС на территориях Брянской (8*), Калужской (7*), Орловской (3*) и Тульской (5*) областей
по данным ВНИИГМИ-МЦД.
* - число населённых пунктов без осадков.
Из рис. 1 видно, что выпадения продуктов аварии на ЧАЭС в населённых пунктах в местах расположения метеостанций и метеопостов в 80% случаев сопровождались осадками. При-
137
чём видимой корреляции между осадками и плотностью выпадений Об на местность нет (рис. 2).
137
Рис. 2. Диаграмма рассеивания: плотности выпадений Cs в населённых пунктах - осадки за период выпадений по метеоданным. Величина 0,01 мм присвоена населённым пунктам без осадков для их отображения на логарифмической шкале осадков.
Можно отметить, что осадки в период выпадений были во всех населённых пунктах с
137 2
плотностью выпадения Об свыше 37 кБк/м , за исключением 2-х населённых пунктов Брянской области и 3-х Тульской. Существенные осадки, более 1 мм, были и в малозагрязнённой центральной части Брянской области.
Затем в агроклиматическом блоке радиоэкологической модели [1] по данным ВНИИГМИ-МЦД о годовом ходе среднесуточных среднерайонных температур воздуха рассчитывались среднерайонные плотности биомассы травы на время начала выпадений. Эти данные исполь-
1 37
зовались для расчётов плотностей выпадения Об на местность, покрытую растительностью.
Далее, с учётом того, что максимальные размеры районов во всех 4-х областях не превышают несколько десятков километров, предполагалось, что пространственное распределение удельных объёмных активностей продуктов аварии в радиоактивном облаке над каждым районом было однородным. Предполагалось также, что в районах с размахом плотностей выпадения 1370б больше 10 минимальная плотность выпадений была обусловлена «сухими» выпадениями.
Схема расчёта. Было выполнено 2 варианта независимых расчётов среднерайонных удельных объёмных активностей 1370б в атмосфере.
137
Первый вариант: входная информация - минимальные плотности выпадения Cs в районах. Средние за период выпадений удельные объёмные активности 137Cs в атмосфере над территориями всех районов восстанавливались по соотношению (1) в предположении, что минимальные плотности выпадений 137Cs в районах были обусловлены чисто «сухими» выпадениями.
Cs
С Cs =---(1)
a I w dry Cs .. „ dry . Cs . а ' K '
(K gr 'v dg + (1 - K gr ) ' v ds ) ' в dep
где СCs - средняя объёмная активность 137Cs в атмосфере над районом, кБк/м3; а - мини-
137 2
мальная плотность выпадения Cs в районе, кБк/м ; в - продолжительность радиоактивных выпадений, сут; v, vCs - эффективные скорости сухого осаждения 137Cs на растительность и на почву, м/сут (равны соответственно 1,5 мм/с и 0,5 мм/с) [8, 9]; к^у - коэффициент задержки радионуклидов травой при «сухих» выпадениях, безразмерная величина.
. dry
1 gr (' ) = 1 - exP( -«0 ' Ч ' Pf ,gr
K~y (t) = 1 - exp( -«о ' Ч ' Pf,gr (t)) , (2)
где а0 - константа, 1,75 (м2/кг); г - доля сухого вещества во влажной биомассе растительности, равная 0,2; Р1д(1) - плотность сырой биомассы растительности, оцениваемая в данном районе по температурным условиям весны 1986 г., кг/м .
137
Второй вариант: входная информация - плотности выпадений Cs в населённых пунктах и осадки в период выпадений. Объёмная активность 137^ в облаке над районами реконструировалась по соотношению (3) по метеоданным об осадках в населённых пунктах в период вы-
137
падений и плотностям выпадений Cs.
Сг
а
Са = Г-:-1-, (3)
|[Кдг 'иСд + (1 _ Кдг ) ' у Си + ЯСер ' ]У вСер
где - интенсивность дождя в период выпадений, мм/сут; а Си - плотность выпадения
137^ в населённом пункте; - коэффициент объёмного вымывания радионуклидов цезия из атмосферы дождём, равный отношению объёмных активностей радионуклидов в дождевой воде и воздухе (1 -10 , [8]).
wet 0,693 Rdep (t,в0) K^ (t) = Lai ' (1 - exp( ----p-))
g 3 Sw, , (4)
Lai (t) = Lmax ' (1 - exp( -«1 X P f,gr (t)))
где K wet - коэффициент задержки радионуклидов растительностью при мокрых выпадениях,
безразмерная величина; яСер (г,в0) - динамика накопления осадков, отсчитываемая со времени начала выпадений (0О), мм; - толщина слоя дождевой воды на поверхности листьев, мм; С" - относительная максимальная площадь листовой поверхности растительности, безразмерная величина, равная 7 [8, 9]; а1 - константа размерности, 1 м /кг; - максимальная тол-
137
щина слоя дождевой воды, удерживаемая растительностью, мм, для Cs равна 0,2 мм [8, 9].
ЯСер (*<во) -
г-в.
где Яаер - осадки за период выпадений, мм; в - время окончания выпадений, сутки после аварии.
Если в районе было несколько населённых пунктов с метеоданными, то для этого района рассчитывалось среднегеометрическое значение удельной объёмной активности 137Cs в облаке.
Результаты реконструкции удельных объёмных активностей 1370б в атмосфере над загрязнёнными районами областей России и осадков в населённых пунктах в период радиоактивных выпадений
Для всех районов с метеоданными об осадках было получено 2 варианта данных о среднерайонных удельных объёмных активностях 137Сб в атмосфере: по данным об осадках в пери-
137
од выпадений (данные Х) и данным о минимальных величинах плотностей выпадения Cs в районах (данные Y). Сопоставление диаграмм рассеивания показало, что оба метода в среднем по всему объёму данных дают довольно близкие результаты (рис. 3). Среднегеометрическое значение отношений данных Y/Х и их стандартное среднегеометрическое отклонение соответственно равны ц =1,19 и а =3,17, а угловой коэффициент уравнения логарифмической
регрессии 1од( У) - а + р - 1од( X) равен 0,85.
Рис. 3. Диаграмма рассеивания величин удельных объёмных активностей 137Сб в облаке. Ось Х - расчёт по данным о минимальных плотностях выпадения 137Сб в районах в предположении «сухих» выпадений; ось У - расчёт по метеоданным об осадках в период выпадений и плотностям выпадений 137Сб; Число_НП=104 - число населённых пунктов с метеоданными об осадках.
Реконструированные двумя независимыми способами удельные объёмные активности
137
Сб в атмосфере над районами с метеоданными в свою очередь использовались для реконст-
137
рукции плотностей выпадения Сб в населённых пунктах с метеоданными и минимальными
137
плотностями выпадения Сб. Расчёты для населённых пунктов с метеоданными проводились по соотношению (3), где удельная активность 137Сб в облаке Са была оценена по минимальной
137
плотности выпадения Об в районе. Для населённых пунктов с минимальной плотностью вы-
1 37
падения Об в районе расчёты проводились по соотношению для «сухих» выпадений (1), где удельная активность 1370б в облаке Са наоборот была оценена по плотности выпадения 1370б в населённых пунктах с осадками. Анализ диаграмм рассеивания: фактические - реконструированные плотности выпадения 1370б в населённых пунктах показал, что в обоих случаях графики логарифмической регрессии между расчётными и фактическими данными проходят практически по диагонали (рис. 4).
Пготк^ть БЬ ЧЭ^Ш'Л -^Сг Е: НГ.
• • • Брянск ООО Кзяуга А А А Орел А А А Тула
-Логарифчическач регрессия
Л!
[А = 1.56 (1=1.« р= 0 83 ЧмсяоЛГ! = 104
1 10 100 1x10"
Минимальная ппстаость выпадений 137Сз в НП, КЫОМ2
• • • Брянск ООО Калуга А А А Орел Л А А Тула
-Логарифмическая регрессия
-нижняя границз
-верняя граница
Л.
Рис. 4. Диаграммы рассеивания: фактические - реконструированные плотности выпадения 1370б в населённых пунктах 4-х областей России.
а) фактические - реконструированные плотности выпадений в населённых пунктах с метеоданными;
б) реконструированные плотности «сухих» выпадений 1370б - минимальные плотности выпадений 1370б в районах.
Для дальнейших расчётов в районах с метеоданными использовалось среднегеометрическое значение удельных объёмных активностей 1370б в атмосфере. Полученные результаты свидетельствуют о пригодности предложенной технологии для реконструкции удельных объём-
137
ных активностей Об в атмосфере после аварии на ЧАЭС.
Карта реконструированных объёмных активностей 1370б в приземном слое атмосферы над районами 4-х областей приведена на рис. 5. Для районов с метеоданными использовались среднегеометрические величины двух значений: по метеоданным и по минимальным плотно-
137
стям выпадения Об в населённых пунктах района.
Рис. 5. Реконструированные объёмные активности 137Сб в атмосфере над районами
4-х загрязнённых областей России.
Можно отметить, что согласно расчётам концентрации объёмной активности 137Сб в облаке свыше 1 кБк/м3 были только над юго-западными районами Брянской области и над Ка-лужско-Тульским пятном больших плотностей выпадения 137Сб. Высокая активность 137Сб в атмосфере в сочетании с осадками в период прохождения облака радиоактивных продуктов аварии на ЧАЭС над этими территориями привели к существенному загрязнению местности. В то же время реконструированная удельная объёмная активность 137Сб в облаке над центральной частью Брянской области оказалась существенно ниже, меньше 0,4 кБк/м3. По метеоданным здесь в период прохождения облака прошли существенные дожди. Однако они в силу незначительной активности 137Сб в облаке обусловили лишь слабое загрязнение местности.
С использованием реконструированных среднерайонных удельных объёмных активно-
137 137
стей Сб в атмосфере и фактических плотностей выпадения Сб на местность по соотношению (5) реконструировались величины осадков за период выпадения во всех населённых пунктах 4-х загрязнённых областей.
Сг
а_ г и СГУ Сг „ Сгу . Сг . _
~ 1 Кдг 'УСд + (1 - кдг ) 'уСг ] •вСер
В Сер - Я Сер ■ в Сер - ~ ГС , (5)
где с в" - среднерайонная удельная объёмная активность 137Сб в облаке.
В расчётах полагалось, что в населённых пунктах с фактическими плотностями выпаде-
137
ния Об на местность (стмр ) меньшими реконструированных плотностей «сухих» выпадений 1370б (а™у ), были чисто «сухие» выпадения, но из облака с меньшей удельной объёмной ак-
тивностью 1370б (сУр ), равной:
СУР _ СЯУ и ур
са - с а ' йу .
(6)
бгу
Результаты реконструкции приведены на рис. 6.
Осадки, мм
о <0.1; сухие выпадения
о 0.1...0.5
о 0.5...1
О 1...5
О 5...10
О >10
Рис. 6. Реконструированные эффективные средние значения осадков за период радиоактивных выпадений в населённых пунктах 4-х загрязнённых областей России.
Как следует из сопоставления данных на рис. 5 и 6, наибольшие плотности выпадения 1370б в юго-западной части Брянской области были обусловлены в основном большими плотностями объёмных активностей 137Cs в атмосфере при умеренных осадках 1-5 мм. Калужско-Тульский след наоборот был обусловлен в основном осадками в период выпадений свыше 5 мм.
Таким образом, полученные данные об удельной объёмной активности 1370б в облаке продуктов чернобыльской аварии над загрязнёнными областями России в общих чертах не противоречат имеющейся информации об осадках в период радиоактивных выпадений и плот-
137
ностях выпадений Об на местность.
Предложенная технология позволила получить базу полного набора взаимосогласованных данных: плотности выпадения 137Сб в населённых пунктах, удельные объёмные активности 137Сб в облаке продуктов чернобыльской аварии над всеми районами 4-х загрязнённых областей России и осадки в населённых пунктах в период радиоактивных выпадений.
Реконструкция удельных объёмных активностей 1311 в атмосфере над загрязнёнными районами областей России
Средние за период выпадений удельные объёмные активности 1311 в атмосфере над загрязнёнными районами областей России могут быть восстановлены, так же как и для 137Сб, по данным о плотностях выпадения 1311 в населённых пунктах либо по данным об отношениях ак-
131 137
тивностей I/ Сб в выпадениях.
В работе [10] по данным измерений выпадений 1311 на планшеты и результатам реконструкции выпадений 137^ на Европейской части территории бывшего СССР (ЕТС) была по-
131
строена карта-схема загрязнения I территории ЕТС. Как отмечают авторы статьи, «из-за сравнительно редкой сети метеостанций построенная карта имеет обобщённый характер и не позволяет выявить тонкую структуру картины загрязнения местности. Для построения детальной карты необходимо было в мае-июне 1986 г. провести сплошную авиационную гамма-спектрометрическую съёмку местности с небольшими межмаршрутными расстояниями, с проведением наземных заверочных маршрутов с отбором проб почвы и определением содержания
и ои
в них I. Такое подробное картирование загрязнения почвы короткоживущим I до его полного распада своевременно провести не было возможности». Аналогичная работа по реконструкции радионуклидного состава выпадений продуктов аварии на ЧАЭС на территории бывшего СССР была выполнена Питкевичем В.А. с соавторами [11].
В этой работе реконструкция плотностей выпадения 1311 в населённых пунктах проведена на основе статистического анализа данных гамма-спектрометрии 2867 проб почвы, отобранных в 1986-1988 гг. на территории Украины, Белоруссии и России. В работе приведены статистические регрессионные соотношения между различными парами радионуклидов в выпадениях, в том числе и для пары 137Сб-1311, в зависимости от расстояния между местом пробоотбора и ЧАЭС на «северо-восточном следе» - северная часть 30-км зоны, южная часть Гомельской области Белоруссии, Брянская, Калужская, Тульская и Орловская области России. По этим регрессионным соотношениям были рассчитаны и приведены в приложении к этой работе плотности удельного поверхностного загрязнения 1311 11 областей территории России (около 7000 населённых пунктов). Такой подход в настоящее время представляется нам крайне упрощённым ввиду значительной неоднородности как радионуклидного состава выпадений продуктов аварии на ЧАЭС на местность [12], не связанной с расстоянием от неё, так и плотностей выпадения 137^ на местность, обусловленные неоднородностью активностей радионуклидов в атмосфере и осадками в период их выпадений. Данные спектрометрии проб почв на территории Гомельской и Брянской областей могут быть использованы для верификации реконструирован-
131
ных плотностей выпадения I.
Отметим, что сведения о соотношении форм существования 1311 и его удельных объёмных активностей в облаке продуктов аварии на ЧАЭС над загрязнёнными областями России, необходимые для реконструкции транспорта 1311 по трофической цепочке с использованием радиоэкологической модели [1-4], крайне ограничены. Обзор этих данных приведён в работе [10].
В ней отмечается, что вопрос о взаимодействии аэрозольной, молекулярной и органической форм радиойода с подстилающей поверхностью и их трансформации в процессе переноса в атмосфере практически не исследован. Соотношение между активностью этих форм радиойода при выбросе из развала аварийного реактора ЧАЭС менялось со временем. Если при взрыве реактора в воздух было выброшено значительное количество 1311 в аэрозольной форме, то затем при засыпке реактора инертными материалами, горении его графитовой кладки и в последующий период доля 1311 в газовой фазе выбросов должна была возрастать. Из данных работы [12] следует, что доля 1311 в аэрозольной форме быстро уменьшалась со временем. На высоте
131
300 м над развалом реактора 8 мая доля I в аэрозольной форме составляла 69%, а 14-15 мая на расстоянии, примерно, 1000 км к северу от ЧАЭС на высоте 2 км доля аэрозольной
131
фракции I составляла 45-55%, 17 мая - 24%, а 19 мая - 10%. С учётом того, что радиоактивные выпадения на территории России произошли в течение первых 2-3 суток после аварии на ЧАЭС, в качестве первого приближения можно принять долю аэрозольного йода равной 70%, как над развалом реактора 8 мая.
Наиболее полным источником информации о среднерайонных отношениях активностей
131 137
I к Сб в выпадениях является методика оценки эффективных доз, в части доз внешнего облучения населения [7]. В ней приведены значения отношений плотностей выпадений радионуклидов (включая 1311) к плотности выпадения 137Сб для всех загрязнённых областей России. По данным этой работы, отношения активностей 131 |/137Сб в выпадениях для всех районов 4-х наиболее загрязнённых областей России практически постоянно, за исключением Злынковского района Брянской области. Пересчитанный к дате аварии размах значений этого отношения изменяется от минимальной величины 10,4 в Плавском районе Тульской области до максимальной, равной 11,9, в Климовском районе Брянской области. В Злынковском районе величина этого отношения существенно выше и равна 15,0.
В этой ситуации можно попытаться использовать радиоэкологическую модель [1 -4] для решения обратной задачи восстановления отношения активностей I/ Сб в атмосфере по данным их радиометрии в трофической цепочке: выпадения на местность, растительность, молоко и организм человека.
Из общих соображений следует, что при продвижении по этой цепочке точность такой ре-
иои /и оу
конструкции будет уменьшаться. Так, неопределённость отношения активностей I/ Сб на почве обусловлена только неопределённостью информации об их отношении в атмосфере и
131
скоростями их выпадения, зависящими от осадков и соотношений форм нахождения I в атмосфере. Для растительности эта неопределённость дополнительно увеличивается за счёт неопределённости информации о коэффициентах задержки радионуклидов на её поверхности, зависящими от типа растительности и её биомассы в период выпадений. Неопределённость ак-
И О И И 0-7 1^7
тивностей I и Сб в молоке, активностей I и Сб в теле человека будет дополнительно увеличиваться за счёт вариабельности рационов кормления животных, питания населения и метаболизма этих радионуклидов в организмах животных и человека.
Расчёты показывают (рис. 7), что размах возможных отношений выпадений активностей 1311 к 137Сб как на почву, так и на растительность быстро уменьшается с увеличением как доли
131
аэрозольного I в атмосфере, так и осадков за период выпадений.
Область - "Брянская' ио_С$260486 . 10 ?
^.01 0.1 1 10 100 Осадки за время выпадений, мм
доля аэрозольного йода 0.0 доля аэрозольного йода О б доля аэрозольного йода 1,0
а)
Область = "Брянская" Ио_С5260486 - 10 ?
50
2 40
.....
\
\
*
1.01 0 1 1 10 100 Осадки за время выпадений, мм
доля аэрозольного йода 0 0 доля аэрозольного йода 0.3 доля аэрозольного йода 1.0
б)
Область - "Тульская- ио.Сз260-186 - 11 7
3 го
\
4.01 0Л 1 10 100
Осадки за время выпадений, мм
доля аэрозольного йода 0.0 доля аэрозольного йода 0.5 доля аэрозольного йода 1.0
Область = "Тульская" 1_*о_С52Б048Б = 117
1.01 0.1 1 10 100 Осадки за время выпадений, мм
доля аэрозольного йода 0.0 доля аэрозольного йода 0.5 доля аэрозольного йода 1.0
Рис. 7. Зависимости отношений активностей 1311 к 137Сб в траве (а, в), на почве (б, г) от осадков за период выпадений и от доли аэрозольного йода в облаке для центральной части Брянской и Тульской областей.
Отношения активностей 1311 к 137Сб в выпадениях на почву (рис. 7б, г) при осадках свыше
131
10 мм перестают зависеть от доли аэрозольного I в атмосфере и практически равны отношению их активностей в атмосфере. Для загрязнённой растительности при осадках свыше 10 мм это отношение больше их отношений в атмосфере в 1,3-1,4 раза (рис. 7а, в).
131 137
Принимая во внимание, что отношение активностей I к Сб в выпадениях на территории России, приведённое к времени аварии на ЧАЭС, по данным [7] было практически постоян-
131 137
но и отношение I к Сб в выпадениях, по данным наших оценок, перестаёт зависеть от форм нахождения 1311 в атмосфере и равно отношению их объёмных активностей в облаке только при осадках свыше 1 мм за время выпадений, данные [7] можно использовать в качестве первого приближения для оценок величин отношения объёмных активностей 131 |/137Сб в облаке. Для более точных оценок можно использовать информацию об отношении суммарной активности
131 137
всех форм существования I к активности Об в выпадениях на почву или растительность при осадках за время выпадений свыше 10 мм. Это позволит оценивать величину отношения объёмных активностей 131 |/137Об в облаке с ошибкой, не превышающей 30-40%. Вопрос о соотношениях форм существования 1311 в атмосфере может быть корректно решен только путём их прямых измерений.
Верификация реконструированных удельных объёмных активностей 1370б и 1311 в атмосфере над загрязнёнными районами областей России по данным
спектрометрии проб почв
С использованием реконструированных удельных объёмных активностей 137Об в атмосфере и осадков в населённых пунктах в период радиоактивных выпадений по модели [1-4]
137 131
рассчитывались плотности выпадений Об и I на местность. В расчётах полагалось, что от-
131 137
ношения I/ Об в атмосфере равны их среднерайонным отношениям в выпадениях [7], а соотношение аэрозольной, молекулярной и органической форм 1311 в облаке равно 0,7/0,15/0,15.
Верификация метода реконструкции удельных объёмных активностей 137Об в атмосфере над загрязнёнными районами проводилась путём анализа распределений отношений расчёт-
131 137 131 137
ные/измеренные плотности выпадений I, Об, их отношения ( I/ Об) и регрессионных за-
137
висимостей этих отношений от плотностей выпадения Об в населённых пунктах и от реконструированных удельных объёмных активностей 137Об в атмосфере.
Для этого из перечня населённых пунктов в Приложении к работе [11] была сделана выборка только тех, в которых производился отбор проб почвы. Для этих населённых пунктов бы-
131
ла произведена реконструкция плотностей выпадения I на местность. Результаты их сопоставления с данными работы [11] показывают удовлетворительное согласие расчётных и измеренных плотностей выпадения 1311 и 137Об на местность (рис. 8 и табл. 1).
137 131
Рис. 8. Диаграммы рассеивания величин плотностей выпадения Об и I в населённых пунктах (ось Х), данные спектрометрии проб почв (ось У) - реконструкция по радиоэкологической
модели, для Брянской и Калужской областей.
137 131
Рис. 8 (продолжение). Диаграммы рассеивания величин плотностей выпадения Об и I в населённых пунктах (ось Х), данные спектрометрии проб почв (ось У) - реконструкция по радиоэкологической модели, для Брянской и Калужской областей.
Таблица 1
Статистические параметры диаграммы рассеивания
Область |ОБ |!ос1 стОб ст!ос1 аОБ* а!осГ РОБ* Р!осТ гОб г!ос1
Брянская Калужская 1,19 1,11 1,27 1,17 1,14 1,24 1,33 1,25 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,99 0,95 0,98 0,95
идеал 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0
|Об, |!ос1 - среднегеометрическое значение плотностей выпадения 137Об и 1311 соответственно; стОб, ст!ос1 -стандартное среднегеометрическое отклонение плотностей выпадения 137Об и 1311 соответственно;
г - коэффициент корреляции; * у = а ■ x р .
Диапазоны изменений среднегеометрических значений и стандартных среднегеометрических отклонений отношений: по данным спектрометрии проб почв [11] (ось X) - реконструкция по радиоэкологической модели (ось У), для |=(1,11, 1,27), для ст=(1,14, 1,33), для коэффициента корреляции г=(0,95, 0,98); коэффициенты пропорциональности и показатели степени степенной регрессионной зависимости равны их идеальным значениям а=1,0, р=0.
Результаты реконструкции параметров радиационной обстановки на территории загрязнённых областей России
С использованием полученной информации по радиоэкологической модели [1-4] были рассчитаны параметры радиационной обстановки на территории загрязнённых областей Рос-
131 137
сии. На рис. 9 приведены для I и Об расчётные зависимости плотностей выпадения на поч-
137
ву и удельных активностей в траве от плотности выпадения Об во всех населённых пунктах Тульской и Брянской областей при удельной объёмной активности 137Об в облаке, равной 1 кБк/м . В расчётах полагалось, что отношения I/ Об в облаке равны их среднерайонным отношениям в выпадениях [7], а соотношение аэрозольной, молекулярной и органической форм 1311 в облаке равно 0,7/0,15/0,15.
Из особенностей зависимостей на рис. 9 отметим, что, во-первых, в обеих областях отно-
131 137
шения плотностей выпадения I/ Об на почву в населённых пунктах с плотностями выпадения 137Об, большими 100 кБк/м2, равны их отношениям в атмосфере. Во-вторых, с уменьшением
137 2
плотностей выпадения Сб до 5 кБк/м величина этих отношений увеличивается до 24 в Тульской и до 19 в Брянской области. Максимальные величины этих отношений в выпадениях на растительность немного больше и равны 29 в Тульской и 23 в Брянской области. Результаты
137
расчётов показывают, что с ростом плотностей выпадения Сб величины отношения удельных активностей 131 |/137Сб в траве уменьшаются значительно быстрее, чем их отношение в выпадениях на почву. Соответственно эта закономерность будет справедливой и для отношения доз внутреннего облучения щитовидной железы от 1311 к дозам внутреннего облучения всего тела от 137Сб. С использованием среднерайонных данных [11] о времени выпадений, базы расчётных данных об осадках за время выпадений, динамики сырой биомассы травы на пастбищах и объ-
131 137
ёмных активностей I и Сб в атмосфере по соотношению (7) рассчитывались удельные активности 137Сб и 1311 в траве естественных пастбищ на время начала выпаса крупного рогатого скота (КРС) для всех населённых пунктов Брянской, Калужской, Орловской и Тульской областей России.
131 137
Рис. 9. Зависимости удельных активностей I и Cs в траве (левая ось У), плотности выпадения 1311 (правая ось У) от плотности выпадения 137Сб (а), удельной объёмной активности
137
Сб в атмосфере (б) и от осадков за период выпадений (в) на время начала выпаса КРС.
Св . а
Чдг (вра* ) =
л Св , I . „ бгу ,Сз , I Св , I „№1 ,Св , I ' _ Св , I. .
Са ■ < ' + Кдг ' ' ■ «Лр ■ ^ ' > ■Опер Р дг (врав, )
Рдг (вИер )
рдг (вИер )
кБк/кг, (7)
где дСв '' - удельные активности Об и I в траве, кБк/кг; СС'I - средние объёмные активно-
иоу ион 9
сти Об и I в атмосфере, кБк/м ; р (t) - плотность биомассы растительности, кг/м ; в л - время начала выпаса молочных коров, сутки после аварии; '',лС*г'' - скорости распада и самоочищения растительности от цезия и йода под действием естественных факторов, сут- ,
лСв = я' =0,026 сут-1.
дг дг '
137
Для выявления пространственной структуры этих параметров сначала для Об строились диаграммы его областных распределений по числу населённых пунктов (рис. 10).
Область - "Брянская*
150
11111
ЖЕГ
10
Л Гпстсграри'а
1111]
1>1 &(
1*10
Удепь*эч згтивчкть
Рис. 10. Диаграммы распределений
естественных пастбищ Брянской
137
удельных активностей Об в траве и Калужской областей.
Из особенностей данных на рис. 10 отметим четыре максимума для Брянской области от большего к меньшему: на юго-западе, на северо-востоке, востоке и западе её центральной части. Причем, первые два максимума относятся только к небольшой части всей Брянской области. Распределение в Орловской области имеет только один максимум с одинаковыми по поряд-
- (!„,'' ^Л^^ )(в„„, -в,„ )
дг
е
ку величин активности травы пастбищ в её центральной и юго-восточной части. Для распределения Калужской области характерно пологое плато в области удельных загрязнений травы, свыше 50 кБк/кг для 137Сб и 150 для 1311, образовавшееся в основном за счёт существенно больших активностей 137Сб и 1311 и осадков свыше 5 мм. Большой пик при меньших величинах обусловлен в основном пятнами осадков 0,5-1 мм. Для Тульской области характерным является два приблизительно одинаковых по величине максимума для зон с большими и малыми величинами удельных загрязнений травы, обусловленные совместным действием осадков и объ-
137 131
ёмных активностей Сб и I в атмосфере. Эти диаграммы использовались для определения
137
структуры градаций величин на картах удельных активностей Сб в траве естественных пастбищ (рис. 11). Поскольку в среднем отношение активностей 131 |/137Сб в атмосфере на время аварии было равно 10, величины градаций на карте для 1311 (рис. 12) были выбраны в 10 раз большими, чем 137Сб. При таком выборе на картах (рис. 11, 12) проявились все особенности фракционирования 1311 относительно 137Сб в выпадениях на растительность, обусловленные как различиями скоростей их сухого и мокрого осаждения, так и периодами их полураспада.
Рис. 11. Карта удельной активности 137Сб в траве естественных пастбищ на время
начала выпаса КРС, кБк/кг.
Пространственная структура данных на рис. 11, 12 отражает совместное влияние 4-х факторов: удельных объёмных активностей 1370э и 1311 в атмосфере, осадков в период выпадений, плотности биомассы растительности пастбищ на время начала выпадений и времени начала выпаса крупного рогатого скота, обусловленных погодными условиями года аварии. Так, в модели принималось, что перевод крупного рогатого скота на пастбища проводился при выполнении двух условий: когда среднесуточная температура становилась большей 10 °С, а запас биомассы растительности достигал 0,2 кг/м2. В южных районах Брянской и Орловской области эти условия начали выполняться до начала радиоактивных выпадений (рис. 13).
Рис. 12. Карта удельной активности 1311 в траве естественных пастбищ на время начала выпаса КРС к плотности выпадения 1370э, кБк/кг.
В более северных Калужской и Тульской областях это происходило только через 7-14 суток после начала выпадений (рис. 13). Здесь к времени начала выпадений запас биомассы растительности был в 1,5-2 раза меньший, чем в более южных областях (рис. 13). За счёт этого здесь существенно меньшим было и удельное загрязнение травы пастбищ 1370э и 1311. К времени начала выпаса их величины еще уменьшилась за счёт прироста чистой биомассы и самоочищения растительности. Для короткоживущего 1311 добавился фактор его самораспада (рис. 11, 12). Поэтому при сравнительно одинаковых осадках и удельных объёмных активностей 1370э и 1311 в атмосфере в северных частях Тульской области и на западе центральной части Брянской области удельное загрязнение травы пастбищ 1370э было в 3-5 раз, а 1311 в 5-10 раз меньше. Более высокие плотности удельного загрязнения травы пастбищ 1370э и 1311 на востоке
центральной части Брянской области, чем на западе обусловлены только большими объёмны-
137 131
ми активностями Об (рис. 5) и соответственно I в атмосфере, при прочих равных условиях: осадках (рис. 6) и времени начала выпаса молочных коров (рис. 13).
Рис. 13. Время выпаса КРС от начала радиоактивных выпадений и плотность биомассы растительности пастбищ (кг/м2).
Выводы
По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.
• Предложена и реализована технология реконструкции среднерайонных удельных объёмных активностей 137Об и 1311 в атмосфере и осадков в населённых пунктах в период радиоактивных выпадений.
137
• Реконструированные на их основе плотности выпадений Об: минимальные в районах 4-х загрязнённых областях России и в населённых пунктах с метеоданными практически совпадают с данными сборников НПО «Тайфун» [13] по радиоактивному загрязнению территории населённых пунктов Российской Федерации 137Об, 908г и 239+240Ри, обусловленному аварией на Чернобыльской АЭС.
131
• Сопоставление реконструированных плотностей выпадения I в населённых пунктах с фактическими величинами, основанными на данных спектрометрии проб почв, также показывают их практически полное совпадение.
• Пространственная структура реконструированных удельных плотностей загрязнения растительности пастбищ 137Об и 1311 на территории 4-х загрязнённых областей России отражает совместное влияние основных факторов: удельных объёмных активностей 137Об и 1311 в атмосфере, осадков в период выпадений, плотности биомассы растительности пастбищ на время начала выпадений и времени начала выпаса крупного рогатого скота, обусловленных погодными условиями года аварии.
• По результатам выполненной работы создана взаимосогласованная верифицированная база радиоэкологических данных для проведения дальнейших исследований влияния основных факторов на пространственную структуру формирования доз внутреннего облучения щитовидной железы и всего тела жителей загрязнённых областей России в год аварии.
Литература
1. Власов О.К. Радиоэкологическая модель транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с выбросом в атмосферу для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения населения. Часть 1. Описание, постановка и свойства агроклиматического блока модели //Радиация и риск. 2013. Т. 22, № 2. С. 16-34.
2. Власов О.К. Радиоэкологическая модель транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с выбросом в атмосферу для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения населения. Часть 2. Описание, постановка и свойства блоков метаболизма радионуклидов 1311 и 137Cs в органах крупного рогатого скота //Радиация и риск. 2013. Т. 22, № 3. С. 21-39.
3. Власов О.К. Радиоэкологическая модель транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с их выбросом в атмосферу для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения населения. Часть 3. Описание, постановка и свойства блоков метаболизма радионуклидов 1311 и 137Cs в органах человека //Радиация и риск. 2014. Т. 23, № 1. С. 32-50.
4. Власов О.К. Радиоэкологическая модель транспорта радионуклидов йода и цезия по пищевым цепочкам после радиационных аварий с выбросом в атмосферу для исследований закономерностей формирования доз внутреннего облучения населения. Часть 4. Исследования закономерностей формирования доз //Радиация и риск. 2014. Т. 23, № 2. С. 7-27.
5. Borisov N.B., Verbov V.V, Kaurov G.A. Contents and concentrations of gaseous and aerosol radionuclides above Unit-4 of the Chernobyl NPP /Questions of Ecology and Environmental Monitoring. Volume 1. Moscow, 1992.
6. Gaziev Ya.I., Nazarov L.E, Lachikhin A.V. Investigation of physical and chemical characteristics of materials in gaseous and aerosol forms released of the Chernobyl accident and assessment of the intensity of the releases /Proceeding of the First All-Union Conference "Radiation Aspects of the Chernobyl Accident", Obninsk, 1988. Volume 1. Sankt-Peterburg: Hydrometeoizdat Publishing House, 1993.
7. Балонов М.И., Брук Г.Я., Голиков В.Ю., Шутов В.Н., Савкин М.Н., Питкевич В.А., Степаненко В.Ф., Вакуловский С.М. Оценка доз облучения населения Российской Федерации вследствие аварии на Чернобыльской АЭС: сборник методических документов /под ред. академика РАМН Г.Г.Онищенко. Санкт-Петербург, 2006. С. 8-55.
8. Möller H., Pröhl G. ECOSYS for Excel, Version 1.4 E. A radioecological model for assessing contamination of foodstuffs and radiation exposure following a release of radionuclides, using Microsoft Excel, Schu-mannstr. 12, D-85598 Baldham.
9. Muller H., Prohl G. ECOSYS-87: a dynamic model for assessing radiological consequences of nuclear accidents //Health Physics. 1993. V. 64, N 3. P. 232-252.
10. Махонько К.П., Козлова Е.Г., Волокитин А.А. Динамика накопления радиойода на почве и реконструкция доз от его излучения на территории СНГ, загрязнённой после аварии на Чернобыльской АЭС //Радиация и риск. 1996. Вып. 7. С. 140-191.
11. Питкевич В.А., Шершаков В.М., Дуба В.В., Чекин С.Ю., Иванов В.К., Вакуловский С.М., Махонько К.П., Волокитин А.А., Цатуров Ю.С., Цыб А.Ф. Реконструкция радионуклидного состава выпадений на территории России вследствие аварии на Чернобыльской АЭС //Радиация и риск. 1993. Вып. 3. С. 62-93.
12. Борисов Н.Б., Огородников Б.Н., Качанова Н.И. Наблюдение за газоаэрозольными компонентами радиойода и радиорутения в первые недели после аварии на ЧАЭС //Охрана окружающей среды, вопросы экологии и контроль качества продукции. 1992. Вып. 1. С. 17-24.
13. Данные по радиоактивному загрязнению территории населенных пунктов Российской Федерации 137Cs, 90Sr и 239+240Pu. Обнинск: Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, НПО «Тайфун», 2000.
Reconstruction and verification of volume specific activity of atmospheric and fallout 131I and 137Cs during deposition of radioactive products from the Chernobyl NPP
Vlasov O.K., Shchukina N.V.
A. Tsyb MRRC, Obninsk
The article presents method for reconstruction of rayon average volume specific activities of atmospheric and fallout (in case of lack of meteorological data) 137Cs and 131I during deposition of radioactive products after the accident at the Chernobyl NPP. Deposition densities of 137Cs and 131I evaluated with the use of reconstructed specific and volume activities of the radionuclides coincide with actual values based on spectrometric data of soil samples. Such basic factors as volume specific activities of atmospheric and fallout 137Cs and 131I in atmosphere, deposition of radionuclides from fallout, density of pasture flora biomass jointly effect on spatial distribution of reconstructed specific densities of contamination of pasture flora with 137Cs and 131I at the beginning a cattle grazing in 4 Russian territories. Mutually agreed base of radioecological data was developed for further research into effects of basic factors on spatial structure of internal radiation doses to the thyroid and the body of the population resided in territories of Russia contaminated with radionuclides in 1986.
Key words: accident at the Chernobyl NPP, reconstruction, verification, atmospheric 137Cs and 131I activity, radioactive fallout, deposition of 137Cs and 131I onto ground and plants, radiation doses, internal radiation exposure, radioecological model, weather conditions in 1986.
References
1. Vlasov O.K. Radioecological model for transport of radioiodine and radiocesium in the food chains after radiological accidents and discharge of radioactive substances to atmosphere for study of mechanism of formation of internal radiation doses to population. Part 1. Description, formulation and properties of agroclimatic model. Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 2013, vol. 22, no. 2, pp. 16-34. (In Russian).
2. Vlasov O.K. Radioecological model for transport of radioiodine and radiocesium in the food chains after radiological accidents and discharge of radioactive substances to atmosphere for study of mechanism of formation of internal radiation doses to population. Part 2. Description, formulation and metabolism of 131l and 137Cs in organs of beef cattle. Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 2013, vol. 22, no. 3, pp. 21-39. (In Russian).
3. Vlasov O.K. Radioecological model for transport of radioiodine and radiocesium in the food chains after radiological accidents and discharge of radioactive substances to atmosphere for study of mechanism of formation of internal radiation doses to population. Part 3. Description, formulation and properties model components for metabolism of 131l and 137Cs in human organs. Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 2014, vol. 23, no. 1, pp. 32-50. (In Russian).
4. Vlasov O.K. Radioecological model for transport of radioiodine and radiocesium in the food chains after radiological accidents and discharge of radioactive substances to atmosphere for study of mechanism of formation of internal radiation doses to population. Part 4. Study of mechanism of formation doses from internal radiation exposure to population following the Chernobyl accident. Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 2014, vol. 23, no. 2, pp. 7-27. (In Russian).
5. Borisov N.B., Verbov V.V, Kaurov G.A. Contents and concentrations of gaseous and aerosol radionuclides above Unit-4 of the Chernobyl NPP. Questions of Ecology and Environmental Monitoring, vol. 1. Moscow, 1992.
Vlasov O.K.* - Head of Lab., D.Sc., Tech.; Shchukina N.V. - Senior Researcher. A. Tsyb MRRC.
•Contacts: 4 Korolyov str., Obninsk, Kaluga region, Russia, 249036. Tel. (484) 399-32-45; e-mail: [email protected].
6. Gaziev Ya.I., Nazarov L.E, Lachikhin A.V. Investigation of physical and chemical characteristics of materials in gaseous and aerosol forms released of the Chernobyl accident and assessment of the intensity of the releases. Proceeding of the First All-Union Conference "Radiation Aspects of the Chernobyl Accident", Obninsk, 1988. Vol. 1. Sankt-Peterburg, Hydrometeoizdat Publishing House, 1993.
7. Balonov M.I., Bruk G.Ya., Golikov V.Yu., Shutov V.N., Savkin M.N., Pitkevich V.A., Stepanenko V.F., Vakulovsky S.M. Otsenka doz oblucheniya naseleniya Rossiyskoy Federatsii vsledstvie avarii na Chernobyl'skoy AES: sbornik metodicheskikh dokumentov [Estimating radiation dose to the population of the Russian Federation as the result of the accident at the Chermobyl NPP: Collection of guidelines]. Ed. G.G. Onishchenko. Sankt-Peterburg, 2006, pp. 8-55.
8. Möller H., Pröhl G. ECOSYS for Excel, Version 1.4 E. A radioecological model for assessing contamination of foodstuffs and radiation exposure following a release of radionuclides, using Microsoft Excel, Schu-mannstr. 12, D-85598 Baldham.
9. Muller H., Prohl G. ECOSYS-87: a dynamic model for assessing radiological consequences of nuclear accidents. Health Physics, 1993, vol. 64, no. 3, pp. 232-252.
10. Makhon'ko K.P., Kozlova E.G., Volokitin A.A. Dynamics of radioiodine accumulation on soil and recon-straction of doses from iodine exposure on the territory contaminated after the Chernobyl accident Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 1996, issue 7, pp. 140-191. (In Russian).
11. Pitkevich V.A., Shershakov V.M., Duba V.V., Chekin S.Yu., Ivanov V.K., Vakulovski S.M., Mahonko K.P., Volokitin A.A., Tsaturov Yu.S., Tsyb A.F. Reconstruction of composition of the Chernobyl radionuclide fallout in the territories of Russia. Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 1993, issue 3, pp. 62-93. (In Russian).
12. Borisov N.B., Ogorodnikov B.N., Kachanova N.I. Nablyudenie za gazoaerozol'nymi komponentami radioioda i radioruteniya v pervye nedeli posle avarii na ChAES [Monitoring of gas and aerosol components of radioiodine and radioruteniya in the first weeks after the accident]. Okhrana okruzhayushchei sredy, voprosy ekologii i kontrol' kachestva produktsii - Environment Protection, Ecology and Quality Control, 1992, issue 1, pp. 17-24.
13. The data on radioactive contamination of the territories of settlements of the Russian Federation of 137Cs, 90Sr and 239+240Pu. Obninsk, Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring, RPA "Typhoon", 2000. (In Russian).
