CC BY
80
УДК 539.16
СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО РАДИАЦИОННОГО ФОНА
Р.А. Ляндзберг (КамчатГТУ)
Рассмотрены основные космогенные и геогенные составляющие естественного радиационного фона. Показано соотношение отдельных составляющих в эквивалентной дозе облучения населения Земли, включая облучение от радона и торона.
The article touches upon the matter of basic cosmogenic and geogenic structure of natural radioactive level. It also shows the correlation of its single components in equivalent rate of radiation of Earth ’s population, including radon and toron radiation.
Наивно полагать, что именно развитие науки и техники является единственной причиной воздействия радиации на живые организмы. На нашей планете с момента ее образования существовал и существует в настоящее время естественный радиационный фон, который может заметно меняться в зависимости от географических координат, высоты местности над уровнем моря, состава основных подстилающих пород и ряда других факторов. Например, годовая эффективная доза облучения для населения, образуемая космическим излучением, составляет в Мехико на высоте 2 240 м над уровнем моря 0,72 мЗв, что почти втрое превышает аналогичную дозу на уровне моря (1 мЗв = 0,1 Р).
Содержание основных естественных радиоизотопов, отвечающих за формирование радиационного фона (к ним относятся К-40 и члены радиоактивных семейств U-238 и Th-232), очень сильно колеблется в зависимости от геохимического состава породы. В гранитах содержание Ra-226, Th-232 и К-40 втрое больше, чем в песчаниках и почве, а в бокситах (основные руды алюминиевой промышленности) содержание Th-232 в 15 раз больше, чем в почве [1].
В таблице приводится оценка годовых доз радиации, составляющих естественный радиационный фон [2].
Оценка годовых эквивалентных доз облучения, приходящихся на одного человека, за счет естественных космогенных и геогенных источников излучения, мЗв/год
Источник Внешнее облучение Внутреннее облучение Сумма
Космические лучи 0,30 0,02 0,32
Изотоп К-40 0,12 0,18 0,30
СемействоЦ-238 (без Кп-222) 0,09 0,02 0,11
СемействоТЪ-232 (без Кп-222) 0,14 0,02 0,16
Итого 0,65 0,24 0,89
Из данных, приведенных в таблице, следует, что одна треть годовой дозы приходится на космические лучи и космические радиоизотопы, образуемые за счет ядерных реакций в верхних слоях атмосферы (например, К-14(п, р) С-14 с периодом полураспада 5 730 лет). Столь долгий срок жизни позволяет изотопу С-14 в результате обменных процессов в атмосфере практически без потерь достигать поверхности Земли и участвовать во всех реакциях органических и неорганических веществ наряду с обычным углеродом.
Одновременно при бомбардировке ядер азота протонами космических лучей в атмосфере образуется радиобериллий (изотоп Ве-7). Его период полураспада составляет всего 53 дня, однако исчезновение его компенсируется постоянно происходящими в атмосфере реакциями распада ядер азота под действием космических протонов. Из атмосферы радиобериллий осаждается на подстилающую поверхность, главным образом в составе осадков. При этом удельная активность дождевой воды по этому изотопу может достигать 0,7 Бк/л.
Геогенная составляющая естественного радиационного фона обусловлена присутствием в почве, горных породах и поверхностных водах естественных радиоизотопов многих элементов. Всего их не менее 300, однако главными с точки зрения формирования радиационного фона являются изотоп калий-40 и члены радиоактивных семейств урана-238 и тория-232.
На изотоп К-40, как следует из таблицы, приходится не менее одной трети суммарной годовой дозы естественного фона. Это чрезвычайно долгоживущий изотоп с периодом полураспада 1,3 млрд лет. Его содержание по отношению к стабильному изотопу К-40 составляет 0,012%. Тут следует напомнить, что калий является одним из макроэлементов человеческого организма (в теле человека массой 70 кг содержится около 140 г калия). Отсюда понятно, почему основная доза внутреннего облучения нашего организма приходится на изотоп К-40.
В отличие от калия, который относится к главным составляющим земной коры, уран и торий -рассеянные элементы. Их кларковое содержание не превышает соответственно 1,6 - 2,6 • 10-4%, а средняя концентрация урана в живой фитомассе континентов равна примерно 8 мкг/кг. Изотопы семейств урана и тория поступают в атмосферу естественным путем в составе пыли, поэтому их основной вклад в годовую суммарную дозу приходится на внешнее облучение.
При оценке годовых эквивалентных доз не учитывались входящие в состав уранового и торие-вого семейств изотопы Rn-222 (радон) и Rn-220 (торон). Это связано с тем, что их вклад в образование радиационного фона проявляется главным образом в урбанизированных районах, внутри искусственных сооружений из кирпича, бетона и камня (зданий, промышленных объектов и т. д.). Поэтому, несмотря на то что радон и торон повсеместно выделяются из земной коры, их вклад в облучение населения формально можно отнести не к естественному, а к техногенно-измененному фону.
Радон и торон относятся к короткоживущим изотопам. Их период полураспада составляет соответственно 3,82 суток и 55,6 секунд, однако при их распаде образуется большое количество как коротко-, так и долгоживущих изотопов, таких как свинец-210, полоний-210, таллий-208 и др.
Интенсивность выделения радона и торона из почв и земной коры определяется содержанием в них материнских изотопов урана и тория, а также газопроницаемостью пород. Скорость их выделения резко увеличена в разломных зонах с высокой сейсмичностью, что является основой одного из методов прогнозирования землетрясений по контролю содержания этих газов в воздухе. Относительно высокая растворимость радона в воде и нефти обусловливает его накопление в подземных водах артезианских бассейнов, а также в пластовых водах и рассолах нефтегазоносных провинций.
Среднеглобальная фоновая концентрация радона-222 в приземном слое воздуха составляет 2 Бк/м3, при этом над сушей она выше (10 Бк/м3), а над океанами минимальна (0,1 Бк/м3). Значительно выше концентрация радона внутри зданий и построек из типовых строительных материалов (исключая дерево), поэтому наибольшие дозы облучения от радона получают жители городов, большую часть времени проводящие в закрытых помещениях.
Основными источниками радона в этих случаях являются грунт под зданиями (на верхних этажах его концентрация заметно ниже), системы питьевого водоснабжения, но главным образом строительные материалы, в которых содержание радона может быть весьма высоким.
Так, средняя концентрация радона-222 в жилых помещениях США составляет около 40 Бк/м3, а в некоторых городах Эстонии (Силламяэ, Тапа, Кунда) она достигает 220-450 Бк/м3. Это объясняется выделением радона из почв и поступлением вместе с питьевой водой артезианских скважин из водоносного комплекса, породы которого содержат большие количества урана и тория. Среднее содержание урана-238 в питьевой воде ряда городов северной Эстонии составляет 6,6 мкг/л, а удельная активность по радону-222 доходит до 45 Бк/л [3].
Очень высокие уровни концентраций радона, иногда в 5 000 раз превышающие его содержание в наружном воздухе, характерны для зданий, построенных на отвалах горнодобывающих предприятий, шлаках теплоэлектростанций и отходах переработки глинозема. Удельная активность бетона, изготовленного с использованием подобных материалов, как показали исследования шведских экологов, может достигать 2 600 Бк/кг, что приводит к сильному радиоактивному загрязнению воздуха в помещениях. Между тем концентрация радона в воздухе, равная 100 Бк/м3, обусловливает эквивалентную дозу облучения, равную 10 мЗв/год. Данная величина вполне сравнима с предельной дозой, допустимой для персонала, который работает с источниками ионизирующих излучений, и равной 20 мЗв/год.
В итоге вклад радиоактивных инертных газов радона и торона в облучение населения составляет в среднем около 1 мЗв/год, что сравнимо по величине с дозой от всех остальных космогенных и геогенных источников облучения, вместе взятых. Суммарная доза за счет космического излучения, долгоживущих естественных радиоизотопов и техногенно-измененного радиационного фона может быть оценена для жителей России в пределах 2,0-2,4 мЗв/год на человека.
Литература
1. Корте Ф. Экологическая химия / Пер. с нем.; Под ред. Н.Б. Градовой. - М.: Мир, 1997. -396 с.
2. Sources and Effects of Ionizing Radiation UNSCEAR-2000 // Report to the General Assembly with Scientific Annexes. - 2000. - Vol. 1. - 291 р.
3. Булдаков Л.А. Радиоактивные вещества и человек. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 160 с.
