Поведение радиоактивных веществ в окружающей среде



Перенос радиоактивных веществ ватмосфере

После того, как радиоактивный газ или аэрозоль попадают в воздух, характер их перемещения и дисперсии определяется их собственными физическими свойствами и свойствами атмосферы, в которой они находятся. Выбросы проникают в атмосферу с определенной скоростью и температурой, которые обычно отличаются от соответствующих характеристик окружающей среды. Движение выбросов имеет вертикальную составляющую, обусловленную начальной вертикальной скоростью потока и разницей температур, до тех пор, пока не исчезнет воздействие этих факторов. Этот вертикальный подъем выбросов называют подъемом шлейфа (Δh). Он приводит к изменению эффективной высоты Н точки выброса. На путь распространения выброса воздействуют также изменения потоков вблизи таких препятствий, как здания и сооружения. Дальнейшее распространение примеси в атмосфере происходит путем рассеяния в результате турбулентной диффузии и ветрового переноса.

Переносом называется движение потока под действием ветра в течение и после подъема шлейфа. Ветровой перенос приводит к тому, что при непрерывном истечении примеси в атмосферу образуется струя выброса. При слабом ветре или при его полном отсутствии (штиле) диффузионный перенос может превалировать над ветровым переносом и тогда вокруг источника непрерывных выбросов образуется штилевое облако примеси.

Турбулентное движение атмосферы вызывает произвольное движение выброса, приводящее к его распространению в горизонтальном и вертикальном направлениях за счет смешения с воздухом. Этот процесс называется атмосферной диффузией, а комбинация переноса и диффузии называется атмосферной дисперсией [1].

Турбулентность обусловлена наличием в атмосфере беспорядочных завихрений, в которые вовлечены определенные массы воздуха. Они обладают собственными размерами, скоростью движения и сложным образом взаимодействуют между собой и поверхностью земли, распадаясь и образуя более мелкие вихри или сливаясь в крупные. Обычно в атмосфере присутствуют вихри различных размеров и форм. Источниками их возникновения являются силы трения при взаимодействии ветрового потока с землей и вертикальные потоки воздуха над нагретой поверхностью. Горизонтальные размеры атмосферных вихрей могут достигать нескольких сотен километров (типичный пример — циклоны и антициклоны). Вертикальные размеры вихрей в атмосфере обычно ограничены и составляют несколько сотен метров.

Диффузия примеси в воздухе происходит в результате воздействия турбулентных вихрей на облако выброса. Картина их взаимодействия существенно зависит от относительных размеров вихрей и облака. На рис.1 изображены идеализированные схемы рассеяния, качественно иллюстрирующие этот процесс.

Рис. 1. Качественные картины рассеяния примеси в атмосфере: а — большое облако в однородном поле мелких вихрей; б — маленькое облако в поле больших вихрей; в — облако в поле вихрей, соизмеримых с его размерами

В случае непрерывного выброса облако примеси имеет форму струи. Результатом действия мелкомасштабных вихрей на струю является увеличение ее поперечных размеров. На рис. 2 а схематично показаны границы струи в определенный момент времени (как на мгновенном фотографическом снимке) в результате 10-минутного и 2-часового осреднений (например, как если бы снимок был произведен с такой экспозицией). На рис. 2 б представлено распределение концентрации примеси для каждого из этих случаев. Уширение струи выброса зависит от времени осреднения.

Рис. 2. Очертания струи в зависимости от времени осреднения (а) и соответствующее распределение концентрации примеси в поперечном к струе направления (б): 1 — мгновенная струя; 2 — очертания струи, осредненной за 10 мин; 3 — очертания струн, осредненной за 2 ч

Выброс на стадии подъема шлейфа, переноса и диффузии может также испытывать воздействие таких процессов, как (рис.3):

(1) радиоактивней распад и накопление дочерних продуктов;

(2)влажнее осаждение:

‒ дождь иди снег (пар или аэрозоль попадают в капли воды или снежинки в облаке и выпадают в виде осадков);

‒ вымывание (пар или аэрозоль захватываются ниже дождевого облака падающими осадками);

‒ туман (пар или аэрозоль попадают в капли воды в тумане);

(3) сухое осаждение:

‒ седиментация аэрозолей или гравитационное осаждение (для частиц с диаметром более 10 мкм);

‒ отложение аэрозолей и адсорбция паров и газов на предметах, находящихся на пути ветра,

(4) образование и слипание аэрозолей;

(5) повторное образование взвесей веществ, осевших на поверхности.

Рис. 3. Поведение радиоактивных веществ, выброшенных в атмосферу

Характер распространения примеси в атмосфере существенно зависит от скорости ветра и вертикального температурного профиля атмосферы, который в свою очередь зависит от температуры воздушной массы и поверхности земли, потоков приходящей солнечной радиации и уходящего от земли тепла (радиационного баланса), влажности атмосферы, облачности [2].

Перенос радиоактивных веществ по пищевым цепочкам.

Прежде чем попасть в организм человека (за исключением внешнего облучения), радиоактивные вещества проходят по сложным маршрутам в окружающей среде. В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом, наблюдаемых нами на рис. 4.

Рис. 4. Поступление радиоактивных веществ в организм человека

Когда человек находится на загрязнённой территории, особую опасность представляет попадание радиоактивных веществ внутрь организма, поскольку в этом случае ни одежда, ни кожа не выполняет своих защитных функций. Из воздуха они попадают при дыхании. Взрослый человек за день фильтрует через лёгкие примерно 25 м³ воздуха, и при прохождении облака после аварии именно через лёгкие в организм попадало много радиоактивных аэрозолей. Сейчас облучение через дыхание связано с поступлением в лёгкие пыли, спор и других частичек, которые всегда есть над загрязнённой поверхностью, особенно при сельскохозяйственной обработке почвы.

С воздухом в организм человека поступает едва ли больше 1 % всей радиоактивности. Ещё примерно 5 % попадает с питьевой водой. Но основная опасность — это радионуклиды в пище.

Разные вещества по-разному накапливаются и выводятся из органов, среди которых есть своеобразные концентраторы радионуклидов.

По типу распределения в организме радионуклиды делятся на группы:

1. Равномерный (элементы первой группы периодической системы — водород, литий, натрий, калий, рубидий, цезий, хлор, бром);
2. Скелетный (щелочноземельные элементы — бериллий, кальций, стронций, барий, радий, цирконий, иттрий, фтор);
3. Печѐночный (лантан, торий, плутоний, марганец);
4. Почечный (висмут, сурьма, мышьяк, уран, селен);
5. Тиреотропный (йод, бром, астантин).

В отличие от внешнего облучения опасность радионуклидов, попавших внутрь организма, обусловлена следующими причинами:

1. Способность некоторых нуклидов избирательно накапливаться в отдельных органах, называемых критическими (например, до 30 % йода накапливается в щитовидной железе, которая составляет только 0,03 % массы тела), и, таким образом, отдавать свою энергию относительно небольшому объему ткани, создавая высокие локальные дозы излучения.
2. Значительное время облучения до момента выведения нуклида из органа или уменьшения активности вследствие радиоактивного распада нуклида.
3. Высокая опасность воздействия плотноионизирующих альфа- и бета- излучений, которые несущественны при внешнем облучении вследствие низкой проникающей способности.

Биологические периоды полувыведения нуклидов из критических органов и тканей составляют от десятков суток (тритий, углерод-14, натрий-24) до бесконечности (полное усвоение стронция-90, плутония-239). [3]

Практическое значение изучения поведения радиоактивных веществ в окружающей среде, и особенно искусственных, обусловлено, прежде всего, возможными радиационными последствиями их поступления в продукты питания человека. В исследованиях миграции радиоактивных веществ в биосфере важнейшее место принадлежит поведению их в пищевых цепочках с участием растений и животных. Это связано с тем, что потребление продуктов растительного и животного происхождения, загрязненных радионуклидами, является основным путем долговременного формирования доз внутреннего облучения. К настоящему времени накоплены обширные экспериментальные данные об особенностях перехода различных радиоактивных веществ из внешней среды в пищевые продукты. Изучены зависимости, связывающие интенсивность радиоактивных выпадений и содержание отдельных радиоактивных веществ в почве, способность различных видов растений к аккумуляции некоторых радионуклидов и закономерности их перехода в организм животных, особенности поведения радиоактивных веществ в таких специфических сообществах, как лес, водоемы, в том числе и морские. Сведения о них имеют значение для оценки поступления радиоактивных веществ в рацион населения, в особенности проживающего в условиях повышенного содержания продуктов радиоактивного деления в окружающей среде, и при разработке мероприятий, направленных на снижение их поступления в организм человека.

Литература:

1. Гражданская защита: энциклопедический словарь / Под общ. ред. С. К. Шойгу. — М.: ДЭКС-ПРЕСС, 2005.
2. Радиационная и химическая безопасность населения / В. А. Владимиров, В. И. Измалков, А. В. Измалков; Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий. — М.: Деловой экспресс, 2005. — 544 с
3. Гудков И. Н., Кудяшева А. Г., Москалёв А. А. Радиобиология с основами радиоэкологии: учебное пособие / И. Н. Гудков, А. Г. Кудяшева, А. А. Москалёв. — Сыктывкар: Изд-во СыктГУ, 2015. –512с.