Естественный радиационный фон

Естественный радиационный фон

Естественный радиационный фон представляет собой ионизирующее излучение, действующее на человека на поверхности Земли от природных источников космического и земного происхождения.

Природные источники ионизирующего излучения, формирующие естественный радиационный фон, подразделяют на внешние источники внеземного происхождения (космическое излучение); внешние источники земного происхождения, т.е. радионуклиды, присутствующие в земной коре, воде, воздухе; внутренние источники, т.е. радионуклиды естественного происхождения, содержащиеся в организме человека.

Космические лучи представляют собой поток ядерных частиц, приходящих на земную поверхность из различных областей мирового пространства, - это так называемое первичное космическое излучение. Средняя энергия космических частиц составляет 1010 эВ. В общем потоке частиц встречаются частицы, имеющие значительно меньший уровень энергии, и частицы с энергией до 1019 эВ. Первичное космическое излучение состоит из протонов (92%), α-частиц (ядра гелия 7%), ядер атомов лития, бериллия, углерода, азота и кислорода (0,78%) и ядер атомов, заряд которых более 10 (0,22%).

При падении космических частиц на поверхность Земли они взаимодействуют с атомами и молекулами атмосферы. Возникает вторичное космическое излучение; при этом наиболее существенны электронно-фотонные и электронно-ядерные процессы взаимодействия. При электронно-фотонном процессе заряженные частицы, взаимодействуя с полем ядра атома, порождают фотоны, которые образуют пары электронов и позитронов. Эти частицы, в свою очередь, вызывают возникновение новых фотонов. Каскадный процесс лавинообразного нарастания числа частиц и фотонов продолжается до тех пор, пока энергия их не становится достаточно малой и не теряется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул воздуха.

Природная радиоактивность обусловлена радионуклидами естественного происхождения, присутствующими во всех оболочках Земли: литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере. Радиоактивные элементы условно могут быть разделены на три группы:

•   радионуклиды, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран (238U), торий (232Th) и актиноуран (235Ас);

•   радиоактивные элементы, не входящие в семейства 40К,48Са, 87Rb и др.;

•   радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в результате ядерных реакций под воздействием космических лучей. Наиболее важные из них углерод (14С) и тритий (3Н).

 

Таблица 1. Характеристика основных естественных радиоактивных изотопов

 

 

Кроме указанных в табл. 1 радиоактивных изотопов, в формировании естественного фона участвуют продукты распада радиоактивных семейств и прежде всего радон, торон и актинон.

Главным источником поступления в окружающую среду естественных радионуклидов, к настоящему времени широко распространенных во всех оболочках Земли, являются горные породы, происхождение которых неразрывно связано с включением в их состав всех радиоактивных элементов, возникших в период формирования и развития планеты. Благодаря непрерывным деструктивным процессам метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера, радионуклиды подверглись широкому рассеиванию. Важное значение имеет то, что для ряда элементов нахождение в природе в рассеянном виде является характерным состоянием. К числу таких элементов относятся все естественные радионуклиды.

В настоящее время имеется относительное равновесие между поступлением радионуклидов в сферу круговорота и их количеством, которое выбывает из этого динамического процесса за счет образования осадочных пород и радиоактивного распада. В этих процессах главную роль играет вода как универсальный растворитель. Соприкасаясь с материалом пород при фильтрации через трещины и поры, вода растворяет и выносит из недр земной коры на ее поверхность целый ряд как стабильных, так и радиоактивных элементов. Кроме того, вода уносит с собой частицы пород и откладывает их в виде осадков на значительном удалении от места первичной эрозии. Масса переносимой взвеси, в том числе и радионуклидов, например, только водой рек довольно значительна.

С водой рек выносится и значительное количество растворенных веществ. Так, в воде Тихого океана содержится около 2,95 млрд т 40К, что соответствует активности примерно 7,4*1020 Бк.

Большая часть естественных радиоактивных элементов содержится в горных породах, образующих толщу земной коры. Средние концентрации в них калия, тория, урана и радия приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Среднее содержание калия, тория, урана и радия в земных породах, %

 

 

Количество радиоактивных элементов, содержащихся в почве, в значительной мере определяется концентрацией радионуклидов в материнской породе. Почвы, возникшие из продуктов разрушения кислых магматических пород, содержат относительно больше урана, радия, тория и калия, чем почвы, образованные из ультраосновных и основных пород. Глинистые почвы за счет высокого содержания коллоидных фракций, хорошо сорбирующих и удерживающих радиоактивные изотопы, всегда богаче радиоактивными элементами, чем песчаные.

Естественная радиоактивность воздуха

Она обусловлена наличием радионуклидов, возникающих в атмосфере в результате воздействия космического излучения, радиоактивных газов, поступающих из верхних слоев земной коры, и их дочерних продуктов, радионуклидов, в результате жизнедеятельности человека и т.д.

Радионуклиды под воздействием космического излучения обязаны своим происхождением вторичному космическому излучению, имеющему в своем составе нейтроны различных энергий. Большая часть нейтронов, взаимодействуя с ядрами азота воздуха, дает начало радиоактивному углероду - 14С. Другим радиоактивным изотопом, возникающим под воздействием космического излучения, является тритий (3Н).

Под воздействием космического излучения появляются также бериллий-7, бериллий-Ю, фосфор-32, сера-35 и другие радиоактивные элементы.

К радиоактивным газам, которые поступают из верхних слоев земной поверхности, относятся эманации, возникающие при распаде дочерних продуктов урана (222Rn), тория (220Rn) и актиния (219Rn). Скорость образования эманации в породах зависит от содержания в них родоначальников радиоактивных рядов. Каждый из образующихся газообразных изотопов в той или иной степени диффундирует в атмосферный воздух.

Содержание радионуклидов в природных водах

Содержание радионуклидов в природных водах зависит от условий их формирования. Все воды можно условно разделить на метеорные, подземные, воды открытых водоемов суши (реки и озера), а также воды морей и океанов. Радиоактивность каждой из указанных вод имеет свои, присущие данным водам особенности.

Метеорные воды обычно малоактивны и содержат следы 3Н,14С, 7Ве, возникающих в результате взаимодействия космического излучения с атомами и молекулами атмосферного воздуха, а также 40К, 238U, входящих в состав растворимых солей, попадающих в атмосферу в связи с эоловой (ветровой) эрозией земной поверхности.

Радиоактивность подземных вод зависит от условий их нахождения. По характеру залегания подземные воды могут быть водами первого водоносного горизонта (их иногда называют грунтовыми водами), скапливающимися на первом от поверхности водоупорном слое, и водами межпластовыми, находящимися между водоупорными слоями в толще осадочных пород. На радиохимический состав подземной воды влияет количество растворимых радионуклидов, которые содержатся в составе грунта, омываемого этой водой. Кроме того, на концентрацию радиоактивных изотопов в воде первого водоносного горизонта оказывают влияние климатические и метеорологические условия. В водах глубокозалегающих и более минерализованных, чем поверхностные, имеет место пропорциональное увеличение удельной активности с нарастанием общей концентрации солей. Радиоактивность подземных вод в основном обусловлена присутствием 40К, 226Ra и 222Rn. Наименьшей активностью обладают подземные воды в осадочных породах, их чаще всего используют для водоснабжения населения. Воды кислых магматических пород, например, воды трещиноватых гранитов, могут содержать повышенное количество 226Ra - до 3,7 Бк/л.

Высокие концентрации радия и урана обнаруживают в межпластовых водах нефтеносных районов.

Радиоактивность воды открытых водоемов суши зависит от химического состава пород и климатических условий. Степень радиоактивности речной воды обусловлена типом питания рек - поверхностным или грунтовым, причем на тип питания в свою очередь влияют смена сезонов года и метеорологические факторы. Как правило, поверхностные воды (дождевые, ледниковые, снеговые) содержат относительно меньше радионуклидов, поэтому в период паводка радиоактивность речной воды понижена. В межень, в период питания рек, в основном за счет подземных вод, удельная активность воды повышается. В зимний период в воде рек, покрывающихся льдом, накапливаются радон и торон. Радиоактивность речной воды обусловлена в основном присутствием 40К, 226Ra.

Радиоактивность воды озер зависит от активности воды притоков и питающих озера подземных вод. В северных районах активность воды озер близка к активности воды рек. В южных районах, где испарение воды из озер превышает сток из них, накапливаются соли и соответственно повышается активность воды.

Воды морей и океанов в зависимости от гидрологических и климатических условий различны по солевому составу. Определенные колебания выявляют и в составе радионуклидов. Активность морской и океанской воды по 40К находится в пределах 11-18 Бк/л, по 238U – 2*10-6 г/л, по 226Ra - (2,2-3,7)*10-2 Бк/л.

Радиоактивность растительного и животного мира

Радиоактивность растительного и животного мира обусловлена практически всеми теми радиоактивными изотопами, которые встречаются в природе, причем все они могут быть условно разделены на две группы.

К первой группе, сравнительно малочисленной, следует отнести такие радиоактивные изотопы, которые находятся в смеси со стабильными элементами, активно участвующими в обмене веществ и обеспечивающими функционирование всех органов и систем живой материи (например, 40К, 14С, 3Н). В связи с этим содержание изотопов этой группы в организмах зависит от степени накопления стабильных элементов. Например, в горохе содержится 0,9% калия, а в сливочном масле - 0,014%, поэтому удельная активность гороха за счет 40К равна 274 Бк/кг, а сливочного масла - 3,7 Бк/кг.

Главное место по величине создаваемой активности занимает изотоп калия - 40К. Количество калия в растительных организмах по сравнению с его содержанием в земной коре меньше в 3-10 раз. Еще меньше, чем в породах, калия (в 10-15 раз) в организме животных.

Таблица 3. Содержание калия и удельная радиоактивность по 40К отдельных пищевых продуктов растительного и животного происхождения

 

Другими изотопами, содержащимися в растениях и животных, являются 226Ra, 210Pb, 210Ро, а также изотопы урана и тория. Удельная активность 210Rb и 210Ро в растительной пище составляет от 0,02 до 0,37 Бк/кг. Различное содержание указанных нуклидов в продуктах растительного происхождения обусловлено разной сорбционной поверхностью растений. Содержание 210РЬ и 210Ро в чае особенно высокое (до 30,5 Бк/кг). В продуктах питания животного происхождения удельная активность 210РЬ колеблется от 13,7 мБк (молоко) до 0,18 Бк/л, а 210Ро - от 3,3 (молоко) до 0,13 мБк/кг (говядина).

 

Таблица 4. Содержание радия в пищевых продуктах растительного и животного происхождения

 

 

Содержание урана на порядок выше в пищевых продуктах растительного происхождения, чем животного. Так, в хлебе пшеничном содержание урана в среднем составляет 4,1*10-7 %, в гречневой крупе - 4,2*10-7 %, в говядине - 1,4*10-8 %, в рыбе - 1,1*10-8 %, в молоке – 4*10-9 %.

Суммарная радиоактивность растений и тканей животных за счет α-излучателей составляет 0,37 и 0,037 Бк/кг соответственно.

Таким образом, главным источником поступления в организм человека естественных радионуклидов является рацион, в котором преобладают продукты растительного происхождения.

Радиоактивность тела человека

Радиоактивность тела человека обусловлена присутствием в организме всех тех радиоактивных изотопов, которые встречаются в биосфере.

Радиоактивность всего ряда урана и тория с дочерними продуктами выше примерно в 10 раз. При оценке содержания радионуклидов в отдельных органах и системах человека необходимо рассмотреть в первую очередь радиоактивность, обусловленную присутствием изотопов (калия, углерода и водорода), которые обязательно входят в состав живых структур и без которых невозможно существование организма.

 

Таблица 5. Содержание естественных радионуклидов в теле человека

 

 

Суммарное содержание калия в организме взрослого человека (массой тела 70 кг) составляет 0,19% (130 г). Особенно богаты калием ткани и органы с высокой функциональной активностью, т.е. скелетная мускулатура, нервная ткань, сердце, печень, селезенка и др. Основным депо калия в организме является мышечная ткань. Ввиду того что 40К встречается в природе в смеси со стабильными изотопами в количестве 0,0119%, удельная радиоактивность органов и тканей тела человека по 40К определяется содержанием в них стабильного изотопа.

 

 

 

 

 

Таблица 6. Содержание калия и 40К в отдельных органах и тканях человека

 

Как показали результаты многих исследований, содержание калия, а следовательно, и 40К в организме человека зависит от пола, возраста, массы тела, характера мышечной деятельности и т.д. Содержание калия в мышцах обычно выше у мужчин, чем у женщин, выше у лиц, выполняющих тяжелую физическую работу. Дистрофические изменения в мягких тканях при старении организма сопровождаются снижением уровня калия. Таким образом, отклонения концентрации калия в органах и системах отдельных индивидуумов по сравнению с указанными выше данными могут быть довольно значительными и достигать 150-200% и выше.

Общее содержание углерода в теле взрослого человека достигает 18%, т.е. около 12,6 кг. Учитывая равномерное распределение углерода в тканях, можно предположить, что удельная радиоактивность их по 14С составляет 52 Бк/кг.