Радиоактивное загрязнение молока в мае 1986г в Брянской области

 Исследования выполненные  в Швеции после инцидента на  Чернобыльской АЭС24, в том числе и специальные полевые эксперименты 1990 г.25, показали, что задержка изотопов Cs листовой поверхностью пастбищной травы в первых числах мая могла быть в пределах 7 ¸ 18%. Для начального периода загрязнения отмечено, что нижняя часть травы примерно на порядок “грязнее” верхней26, что, конечно же, сильно затрудняет отслеживание последующего движения радионуклидов.

Были проанализированы возможности расчета осаждения радионуклидов на растительную поверхность, предусмотренные в различных моделях. В системе ECOSYS-87 сухое и мокрое выпадения рассматриваются независимо. Сухое осаждение в модели как на почву, так и на различные растения оценивается с использованием так называемой "скорости сухого осаждения" - Vgi. В работе рассматриваются условия характерные для южной Германии, поэтому использование, предложенных авторами значений Vgi, для других территорий либо должно быть скорректировано, либо вообще целесообразно отказаться от такой модели. Последний вариант вполне справедлив для российских территорий, на которых прямых измерений концентрации радионуклидов в воздухе практически нет. Тем не менее рассмотреть его полезно во-первых, для иллюстрации различной способности нуклидов фиксироваться на поверхности растений, а во-вторых для использования в реконструкции концентрации радионуклидов в воздухе, т.е. для решения обратной задачи. Значения vgi,max , использованные в модели, представлены в табл.3.

 

Табл. 3 Значения vgi, max, использованные в модели ECOSYS-87, мм/с.

Тип  поверхности	аэрозоли  0.1-1 мкм	элементарный йод	органические формы йода
почва	0.5	3	0.05
трава	1.5	15	0.15
деревья	5	50	0.5
другие растения	2	20	0.2

Входящая в модель площадь листовой поверхности для травы, рассчитывается исходя из ее биомассы на 1 м2, поскольку эта величина легче поддается измерению, по соотношению:

  ( 5 )

где LAIg,max для травы = 7 м2/м2 ; a - нормировочный коэффициент, равный 1 м2/кг; B(0) - биомасса травы на момент осаждения, кг/м2.

По существу, для сухого осаждения авторы использовали тот же вид зависимости, что и в модели PATHWAY, вложив в нее некоторое дополнительное физическое содержание. Напомним, что само понятие “скорости осаждения” в моделях этого типа имеет смысл только эмпирического коэффициента. Сравнение расчетов по этой модели с предыдущими оценками, показали, что, если в модели PATHWAY использовать значение a =2.8 м2/кг, результаты прогнозов близки. К сожалению, в модели ECOSYS-87 не рассматривается осаждение более крупных (от 1 до 10 мкм) аэрозолей. Причем авторы ECOSYS-87 отмечают небольшую избирательность растений к элементарному йоду даже по сравнению с очень мелкими аэрозольными частицами. Для нас это важное свидетельство. Интерес представляют и абсолютные цифры удерживания радиоактивных элементов растительной поверхностью и почвы на большом удаление от места выброса.

Важной частью рассматриваемой модели является эмпирическая формула, по которой определяется доля задержанной активности на поверхности растения различных радионуклидов в случае мокрых выпадений:

 ( 6 )

где Sj - коэффициент удержания воды для j-го растения в мм; R - количество осадков за событие в мм.

Значения коэффициента Sj экспериментально определены для изотопов йода, цезия, стронция и бария27, для других же в модели предполагается сходное поведение с цезием. По существу, для изотопов йода уже при дожде в 1 и более мм, для изотопов Cs в 2 и более мм и для изотопов Sr в 4 и более мм наблюдается обратно пропорциональная зависимость коэффициента удержания воды от количества выпавших осадков. Для изотопов Cs при дожде до 2-х мм по данной модели задержание поверхностью листьев при биомассе 0.1 кг сухого веса составляет 6¸15 % от суммарного выпадения, т.е. практически не отличается от сухого осаждения (8¸18%). Обратим внимание, что при мокрых выпадениях задержание изотопов йода растительностью меньше, чем изотопов цезия, причем примерно в полтора раза при слабых и в 2 раза при сильных осадках. При сухих выпадениях наблюдается обратная картина, т.е. йод лучше удерживается растительной поверхностью, чем цезий.

В завершении данного раздела подчеркнем, что для территории Брянской области присущи оба типа осаждения радионуклидов на растительную поверхность, причем там, где выпали дожди имело место и сухое выпадение.

Плотность биомассы на кормовых угодьях на момент загрязнения

Этот параметр важен как для оценки количества задержанной растительностью доли выпавших радионуклидов, так и для расчета скорости поступления свежего корма в организм коровы. К сожалению, из известных нам отечественных работ сельскохозяйственного профиля по чернобыльской проблеме этому параметру не уделено должного внимания. В самом общем виде говорит о нем автор известного справочника Г.Н. Романов28:

 (7)

где В - плотность растительного покрова, кг сухой массы/м2;

ai - средняя скорость прироста биомассы, кг сухой массы/(м2·сут):

для естественных трав ai= 0.00064; для сеянных трав ai= 0.002;

tн = 15 апреля для естественных трав и 25 апреля для сеянных.

Более подробно рассматривается вопрос о биомассе в моделях PATHWAY и ECOSYS-87. Идеи, заложенные в PATHWAY, послужили отправной точкой для оценки биомассы в нашей модели.

Биомасса наземной части растений (B) вычисляется в зависимости от температуры и освещенности. В период с 01 января по 31 июля скорость прироста биомассы определяется соотношением:

     ( 8 )

где kg - константа скорости роста, равная kg = 0.12 сут-1 для зерновых, силосных и пастбищных культур и 0.27 сут-1 для люцерны;

Bmax - потенциально самая большая биомасса,  Bmax = 0.3 кг сухого веса/м2 - для пастбищной травы;

AD - плотность травоядных  животных, число животных/м2 ;

FV - скорость полного  потребления кормов, кг сух. веса/(сут · число животных); FV=17 (у Романова равная 10 кг сухого веса/сут, но, по-видимому, умноженная на fr);

fr - доля скорости потребления за счет пастбища, зависит от сезона;

fl, ft - безразмерные коэффициенты, позволяющие учитывать температурную и световую зависимости, изменяются от 0 до 1.0;

Для учета ft использована зависимость этого коэффициента от среднесуточной температуры (Т>5оС) в виде соотношения:

 (9)

Для учета fl использована зависимость этого коэффициента от даты в виде соотношения:

  (10)

где t - день от начала года.

В настоящей модели начальная биомасса пастбищной травы на 20 апреля составляла 0.07 кг сух. веса/м2. Среднесуточная температура в период с 25 апреля по 10 мая взята по данным метеостанции в г. Костюковичи29. Плотность травоядных животных на угодьях не учитывалась и т.о. убывание активности за счет поедания КРС в расчет в нашей модели не принималось, что в какой мере оправдывается небольшим сроком наблюдения.

Результаты выполненных расчетов показали, что на момент загрязнения (29.04.1986) плотность пастбищной травы составляла примерно 0.1 кг сух. веса/м2 или примерно 0.5 кг сыр. веса/м2. Именно эти значения и легли в фундамент выполненной реконструкции.

Формирование загрязнения молока радионуклидами

С загрязненным кормом радионуклиды попадают в организм коровы и в дальнейшем секретируются в молоко. Изучению закономерностей всасывания и экскреции отдельных элементов посвящено значительное число исследований. В первый месяц после загрязнения в мясомолочных цепочках определяющую роль играет 131I, далее по своей значимости идут изотопы цезия и стронция, а остальные нуклиды фактически не оказывают влияния на картину загрязнения молока. Исследования по однократному и хроническому поступлению 131I, выполненные еще в дочернобыльский период, обобщены в работе30. Анализ показал, что наиболее важным параметром применительно к рассматриваемой ситуации является доля поглощенной активности выделяемая с молоком. Поскольку установить корреляцию между экскрецией йода и удойностью коров в предыдущих работах не удалось, будем вслед за большинством авторов рассматривать выделение радионуклида, нормированное на суточный удой - С [сут/л]. Отметим, что результаты по суммарному выделению при однократном поступлении и экскреции нуклида в условиях достигнутого равновесия при хроническом поступлении могут быть объединены, табл.4.

Как видно, разброс значений коэффициентов перехода йода из корма в 1 л молока достаточно велик от 0.1 до 2.9% по различным источникам. Модели несколько снижают размах значений, но все же оставляют значительную неопределенность, которая, вероятно, отражает природу явления.

 

Табл. 4 Значения коэффициентов равновесного перехода 131I в коровье молоко, сут/л.

С, Бк×сут/л	Источник
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
0.0012-0.011	Squire, 195831
0.006 - 0.0073	Ильин,196132
0.010 - 0.027	Thorell, 196433
0.011	Lengeman, 196434
0.012	Giese, 196535
0.0012 - 0.019	Garner36
0.029	Сироткин, 197037
0.004 - 0.0129	Корнеев, 197738
0.009	Lengeman, 196639
ОБОБЩЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МОДЕЛЯХ
0.010	Tamplin, 196540
0.011	PATHWAY, 1987
0.0045	ECOSYS-87, 1993
0.0218	ASTRAL, 199441

Помимо равновесных коэффициентов перехода имеют значения скорости выхода концентрации на плато и скорости выведения радионуклида. Эти процессы описываются динамическими коэффициентами, значения которых определяются экспериментально.

Скорость секреции радионуклида в молоко j(t) определяется соотношением:

 (11)

где l1 - константа, характеризующая скорость накопления; l2 - константа, характеризующая скорость выведения.

В определении периодов достижения равновесной концентрации йода в молоке у разных авторов больших разногласий нет: благодаря хорошей всасываемости йода в желудочно-кишечном тракте коровы равновесие наступает уже к третьим - пятым суткам. Выведение йода с молоком происходит с быстрым спадом, который почти идентично отражают все модели. Таким образом, на пути динамического моделирования перехода йода в молоко проблем не существует.

Изучению коэффициентов перехода долгоживущих радионуклидов, таких как 90Sr и 137Cs, в последние 30-40 лет уделялось значительное внимание, библиография по этому вопросу перешагнула за сотню работ.

Также как и в случае с 131I, основную неопределенность в оценку загрязнения молока долгоживущими изотопами вносит равновесный коэффициент перехода нуклида из корма в молоко (Ft), измеряемый в сут/л. В табл. 5 представлены основные экспериментальные результаты, используемые в наиболее известных моделях.

Табл. 5. Значения коэффициентов равновесного перехода 90Sr и 137Cs в коровье молоко, сут/л.

для 90Sr	для 137Cs	Источник
0.0008	0.012	NRC, 197742
0.001	0.007	NRPB, 197943
0.0008	0.012	ABG, 197944
0.0024	0.0056	AIRDOS/EPA, 197945.
0.0003	0.007	BIOPATH, 198446
0.001	0.008	IAEA, 198247
0.001¸0.0016	0.0084¸0.01	Россия, Корнеев, 1977
	0.0016¸0.0067	Sweden, 199148
0.0008	0.0030	Италия, 1994 49
0.0014	0.0071	PATHWAY, 1987
0.002	0.003	ECOSYS-87, 1993
	0.002-0.004	Mück, 199550
0.0006	0.006¸0.008	Россия, Шутов и др, 199351.
0.0007¸0.0039	0.003¸0.016	Белоруссия, Карпенко, 199652
0.0006¸0.0035	0.0009¸0.065	Белоруссия, Кенигсберг и др., 199653

В послечернобыльский период наметилась тенденция к некоторому снижению значения коэффициента перехода 137Cs. Отметим, однако, что исследования, выполненные в Европе54 отражают ситуацию, сложившуюся от выброса 1-го дня аварии, когда был существенен вклад топливной компоненты. А, как предполагают шведские исследователи, радионуклиды, находящиеся в твердой фазе на поверхности кормовых растений хуже усваиваются организмом коровы, Karlén (1991). Эта гипотеза подкрепляется сообщениями Ward и др. (1989) в Венгрии и Hansen (1990) в Норвегии55, где исследования проводились на козах. Напомним, что для территории Брянской области характерна незначительная доля топливных аэрозолей в выпадениях.

Значения, приведенные в работе Шутова с соавторами, заслуживают комментария - авторы приводят коэффициенты перехода нуклидов в начальный период (12-16 сутки после момента загрязнения) от плотности выпадения к концентрации в молоке: для 137Cs это 0.04 м2/кг и для 90Sr - 0.006 м2/кг. Зная, что радиоактивное загрязнение в Лужском районе Ленинградской области (где почти ежедневно в течение 40 суток отбирались пробы молока на одной из двух ферм) было обусловлено довольно сильным дождем, можно предположить, что задержание нуклидов растительной поверхностью пастбищной травы составляло для 137Cs 5% от суммарного количества, и для 90Sr » 10% (см. табл. 11). Кроме того, предполагая, что эффективное потребление травы коровами составляло около 100 м2/сут, нами были получены вышеприведенные значения. Их значимость для нашего исследования в том, что они отражают процессы усвоения в начальный период после аварии на территории России.